向貴府，許 模，崔 杰

(1.地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學),四川 成都 610059;2.西南科技大學環(huán)境與資源學院,四川 綿陽 621010)

后河梓潼溪電站下游河段塌岸特征及影響因素分析

向貴府1,2，許 模1，崔 杰2

(1.地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學),四川 成都 610059;2.西南科技大學環(huán)境與資源學院,四川 綿陽 621010)

受“7·18”特大洪災影響，后河梓潼溪電站下游河段右岸岸坡發(fā)生嚴重塌岸，造成河流沿線村民樓房倒塌，公路毀損等災害。通過對水毀路段破壞情況的詳細調查與分析，得出該河段地形地貌、岸坡物質組成及結構是塌岸的基本條件和物質基礎，而暴雨洪水沖刷和梓桐溪電站工程建設是塌岸的直接觸發(fā)因素。研究山區(qū)河道水力資源開發(fā)與河岸道路保護之間的關系，對于長江上游地區(qū)河谷生態(tài)環(huán)境保護具有重要的現實意義和理論價值。

山區(qū)河道；河流岸坡；塌岸；影響因素

河流岸坡崩塌(崩岸或塌岸)是山區(qū)河流岸坡經常性發(fā)生的災害現象。近年來，受極端氣候影響，百年一遇暴雨洪水頻繁出現，對脆弱的山區(qū)河岸及沿線道路、房舍等造成嚴重破壞，危及這些地區(qū)的持續(xù)快速發(fā)展。同時，一些河道水利設施設計的缺陷，加重了災害的破壞性影響。河岸崩塌成因復雜，戴海倫、代加兵等[1]認為河岸崩塌、崩岸、塌岸等屬于河岸侵蝕，是由土石等物質組成的河岸受水流沖刷，在水力、重力等作用下土石失去穩(wěn)定并沿河、湖的岸坡產生崩落、崩塌和滑坡等破壞形式的一種災害現象。王延貴、匡尚富等[2]通過研究河岸岸腳淘刷機理與岸灘穩(wěn)定性，把岸腳淘刷與岸灘崩塌有機地連接在一起。借用水流泥沙運動理論、水流動力理論和水流渦流理論就彎曲河道的淘刷機理進行了分析探討，指出在主流和副流的共同作用下，彎道進口處的凸岸、彎道及其出口處的凹岸都屬于高剪切力區(qū)，河岸淘刷嚴重，其中凹岸岸腳處的剪切力最大、淘刷最嚴重。張幸農等[3]總結了以往研究，依據河流動力學和土力學等原理，將河岸侵蝕發(fā)生的原因分為土坡失穩(wěn)、河岸侵蝕、土體液化以及其他原因(如管涌、降雨入滲等)。王延貴等[4]、陳燕飛[5]結合洪水期堤岸滲透與崩塌的特點，重點研究了崩灘與滲透險情的關系及水位升降等對崩岸的影響，得到“黏土岸灘，洪水迅速上漲期間，水壓力對河岸的穩(wěn)定是有利的，而洪水驟降時，河岸崩塌的幾率增大；非黏土岸灘，洪水緩慢上漲期間，河岸穩(wěn)定性變化不大，而洪水緩慢下降后，岸灘穩(wěn)定系數減小”的認識。吳玉華等[6]從河流動力學角度解釋了崩岸成因與機理。簡文彬等[7]結合某臨河道路岸坡失穩(wěn)實例,詳細分析了臨河道路岸坡滑坡產生的機理及其破壞模式，進行了滑坡體穩(wěn)定性驗算，并提出了相應的治理措施。Thorne[8]提出，岸坡組成物質的可蝕性及抗剪強度是影響河岸穩(wěn)定性的兩大因素?？v觀已有河岸崩塌研究的文獻資料，雖著重崩岸成因機理分析、崩岸影響因素等內容，但對暴雨洪水及水庫建設等人類工程活動激發(fā)崩岸的研究還遠遠不夠，而這些因素正在，并將會繼續(xù)對河流岸坡失穩(wěn)產生重要影響。

發(fā)源于四川省萬源市境內的后河流域屬長江主要支流嘉陵江上游水系之一，具有典型的山區(qū)河流特征，彎道多、寬度變化大、河水流態(tài)變化頻繁，對岸坡沖刷、改造強烈。每年汛期，暴雨洪水引發(fā)的河流塌岸都會造成沿河流修建的山區(qū)公路的嚴重破壞。2010年7月16～18日的特大洪水災害中，萬源境內后河沿岸發(fā)生上百處河流岸坡的塌岸破壞，尤其以梓潼溪電站下游河段塌岸破壞最為嚴重，該處塌岸造成河流右岸的國道210線K1463+721～K1464+155段發(fā)生嚴重毀損，致干線公路斷道長達半月之久。因此，以該處河流塌岸為研究對象，開展該河段河流岸坡塌岸毀損情況調查，分析塌岸成因及影響因素，可以為山區(qū)河流岸坡山洪塌岸預防及治理提供理論指導和技術支持，為河流塌岸理論研究積累素材，具有較強的現實意義和理論價值。

1 后河梓潼溪電站下游河段塌岸特征

塌岸河段呈蛇形彎曲，自210國道K1463+800 m開始，由南向北至K1464+200 m處，長度達450余米，路基完全毀損段達100 m，局部地段公路外側村民樓房、護墻及路基路面完全沖毀，僅殘留原公路內側排水溝，最大沖毀寬度達到20 m。調查發(fā)現塌岸所處部位不同，其塌岸規(guī)模、破壞模式也存在差異，主要表現為沖磨蝕型、坍塌后退型和牽引滑移型等，其中右岸沿線210國道K1463+721～K1463+836 m段岸坡受洪水沖刷與淘蝕作用，發(fā)生嚴重的沖磨蝕型破壞，上部護墻及早期堆填碎石土層全部沖毀，至下部基巖完全暴露(圖1)。根據塌岸破壞特征，將該處塌岸段劃分為6段，分布位置見圖2，各段岸坡結構及水毀特征見表1。

2 后河梓潼溪電站下游河段塌岸的影響因素分析

分析表明后河梓潼溪電站下游河段河床岸坡的損毀除暴雨及人類工程活動的影響外，河床所在位置的地形地貌、河床岸坡的地層結構及巖土類型等因素是影響和決定河流岸坡穩(wěn)定性及抗沖刷的重要因素。下面從地形地貌、岸坡巖土結構等內在因素及暴雨、人類工程活動等外在因素多角度討論河流岸坡水毀原因。

圖1 河流右岸國道210線K1463+721～K1463+836 m段岸坡結構及塌岸特征Fig.1 Bank slope structure and bank collapse characteristics of K1463 + 721～ K1463 + 836 m section of No.210 State Road

圖2 后河梓潼溪電站下游河段河流右岸岸坡塌岸分布及分段Fig.2 Distribution and segmentation of bank collapse on the right bank of the lower reaches of Zitong River power station, Houhe River

2.1 地形地貌因素

后河梓潼溪電站下游河段塌岸段處于河流右岸弧形彎道部位，岸坡總體為斜坡地形。根據河流演化與河水運動的水力學特征[9]，在河床彎道部位，彎道離心力(河道彎曲部位因慣性作用而產生的離心力)作用強烈，在彎道離心力作用下，水體向凹岸集中，因此，凹岸水面將抬高，凸岸水面降低，從而產生橫比降，引起自凹岸向凸岸的橫向力，在彎道流水斷面的垂線上，水質點的流速隨深度而逐漸減小，故垂線上各點的離心力在表層最大，向下逐漸減小，在水體上層，離心力大于橫向力，合力向右，水質點向右，其產生的沖擊力對岸坡產生強烈的沖刷作用；在水體下層，離心力小于橫向力，合力向左，水質點向左運動，離心力和橫向力在中偏下的水體部分達到平衡，由此形成了橫向環(huán)流(圖3)。在平面上，河流的主流線偏向于凹岸，且水體呈螺旋式前進。由于橫向環(huán)流的作用，使河流凹岸侵蝕，從而導致凹岸下部被掏蝕，上部崩塌，形成凹腔或懸崖[10]。210國道被嚴重損毀路段正好處于河流彎道的凹岸部位，因此，具備了發(fā)生沖刷侵蝕并導致塌岸的地形地貌條件。

表1 塌岸段岸坡結構及塌岸特征

圖3 河流彎道環(huán)流形成的平面圖、剖面圖Fig.3 Plan and section of the formation of river bend

2.2 岸坡地層巖性因素

河流岸坡地層巖性是決定岸坡穩(wěn)定性及抗沖刷能力的關鍵要素。通常來說，基巖岸坡由于巖石強度高，結構致密，抗沖刷能力強，岸坡穩(wěn)定性較好；而土質岸坡由于土體結構相對松散，且在水的浸泡及沖刷作用下，極易解體，從而發(fā)生塌滑破壞。經過野外調查，該路段主要為巖土混合型岸坡，且靠近河床部位，土層愈厚，土體多為20世紀60年代鐵路修筑中的堆渣填筑碾壓而成，所經歷年代時間短，土體未得到充分固結，結構較為松散，其抗沖刷能力較弱。下部基巖主要為紫紅色泥巖及泥質粉砂巖，少量青灰色石英砂巖，屬于四川盆地典型的紅層地層。其中的泥巖及粉砂質泥巖為工程軟巖，具有強度低、遇水易崩解等工程性質?；鶐r埋藏深度變化較大，僅局部出露地表，形成基巖岸坡，其余則為土質岸坡或巖土混合型岸坡，各段岸坡巖土類型及特征見表1。顯然，該河段岸坡物質組成為河流塌岸的形成提供了良好的物質基礎，對塌岸的嚴重破壞具有決定性作用。

2.3 岸坡巖土體結構因素

工作區(qū)地處長壩向斜南翼，以單斜地層為主，巖層產狀40～70°/NW/25～30°。調查路段邊坡坡向14°～70°，與巖層走向間以小角度相交，多為順向坡到斜向坡，以彎道為界，上游側為斜向坡，下游側則以順向坡為主?；鶐r巖層傾向與原始斜披坡度基本一致，上覆土層堆積于基巖層面之上，形成上軟下硬的二元結構，在軟硬交界部位形成天然軟弱接觸面。這種岸坡結構特征，于岸坡穩(wěn)定極為不利，一旦其下部被沖刷淘蝕，極易發(fā)生塌滑破壞變形。通過對該毀損河岸沿岸公路路破壞情況的調查表明，多數地段的破壞均屬于該種形式，如破壞最為嚴重的國道210線K1463+720～K1464+6.5段，當洪水沖破電站大壩下游右岸護堤后，洶涌的洪水將該段岸坡下部土層一掃而光，直至基巖出露，上部土層沿基巖面滑塌進入洪水中，被洪水帶走，最上層路基硬殼處于暫時懸空狀態(tài)，在路基自重或在房屋荷載作用下沿其根部折斷后便發(fā)生垮塌。

局部地段主要以基巖為主，巖體中結構面發(fā)育，共發(fā)育3組結構面：①組，產狀66°/SE/31°，跡長0.3～1.5 m，間距15～50 cm，面較平直光滑，多閉合，無充填；②組，產狀133°/NE/87°，跡長2～5 m，間距20～100 cm，面較起伏粗糙，局部張開，充填次生粘土；③組，產狀30°/NW/58°，跡長0.3～2.0 m，間距20～60 cm，面起伏粗糙，多張開，充填碎屑夾泥。在河流沖刷及風化卸荷作用下，多數裂隙發(fā)生拉張，最大寬度可達10 cm，受裂隙組合切割及卸荷拉張影響，邊坡中發(fā)育多個孤立塊體，巖體松動變形強烈，在洪水沖擊下而發(fā)生崩塌(圖4)。

圖4 K1464+96-～K1464+155 km段基巖岸坡結構及巖體節(jié)理空間組合情況Fig.4 Spatial structure of bedrock bank and rock joint in K1464+96-K1464+155 km section

2.4 暴雨洪水因素

受高空低槽和西南暖濕氣流的共同影響，自7月16日17時至18日18時，達州市由北向南出現強降雨過程，局部地區(qū)出現特大暴雨，迅速引發(fā)特大暴雨洪災。

從距離梓桐溪電站最近的毛壩水文站所監(jiān)測到的萬源2010年“7·18”洪水過程資料可以看出，洪水流量出現兩次波峰，在17日上午8∶30～9∶30出現第一次洪峰，峰值流量達3 430 m3/s，17日9時該站點水位達361.03 m，超警戒水位1.58 m。隨后洪水開始消退，流量逐漸減小，至17日下午5時，洪水流量減少至1 200 m3/s，到18日凌晨3點，流量小幅波動，基本維持在1 400 m3/s左右。隨后洪水繼續(xù)上漲，流量不斷增大，至18日下午2∶30～4∶00，出現第二次洪峰，峰值流量達4 550 m3/s，隨后逐漸消退(圖5)。

圖5 毛壩水文站“7·18”洪水流量變化情況Fig.5 The change of “7·18” flood flow at Maoba hydrological station

洪水中含沙量變化在初期與流量變化基本一致，即隨著洪水流量的增大，含沙量也逐漸增大，在第一次洪峰過后隨即出現最大含沙量值：40.5 kg/m3，隨后含沙量快速下降，最后穩(wěn)定在5 kg/m3左右(圖6)。顯然在洪水初期，暴雨將岸坡松散泥砂帶入水中，含沙量逐漸增大，水體密度隨之加大，河流沖刷能力加強[11]，河岸不斷發(fā)生崩塌，導致更多固體物質參入水體中，隨著沖刷的進一步發(fā)展，河岸逐漸趨于穩(wěn)定，洪水中攜帶物質也隨之減少，含沙量逐漸趨于平穩(wěn)。

圖6 毛壩水文站“7·18”含砂量變化情況Fig.6 Variation of sand content in “7·18” hydrological station of Maoba hydropower station

攜帶大量泥砂的洪水具有紊流特征，這種不規(guī)則洪流形成的高密度流體所攜帶大量的能量，不僅對河床底部產生強烈揭底沖刷，而且猛烈沖刷河床岸坡，一波又一波的巨浪不斷地擊打岸坡支擋結構及巖土體，河床岸坡不斷地發(fā)生沖刷坍塌，位于河床堤岸上的樓房頃刻間便因下部沖刷坍塌而傾斜倒塌，并最終被洪水卷走。

2.5 梓桐溪電站修建對河流岸坡塌岸的影響分析

梓桐溪電站壩型采用埋石砼重力壩加鋼筋砼自動翻板閘，固定壩最大壩高25 m，活動閘高5 m，壩長60 m，壩址緊靠河流岸坡塌岸段上游。為了減小集中下泄水流余能的沖刷，梓桐溪電站大壩采用了底流消能的工程設計方案。溢洪道作為該水利工程的重要泄水建筑物，其結構功能受工程地質條件、工程結構以及工程整體布置等條件限制，并且溢洪道結構設計以及工程布置會對泄流的水力特性產生較大的影響[12]。正是由于電站大壩設計中，不合理的溢洪道設計，在洪水爆發(fā)時，洪水對溢洪道側堤產生的巨大沖擊力導致長約50 m段導流堤發(fā)生潰堤。失去約束的洪流不僅對岸坡形成強大的沖擊力，而且產生巨大的波浪，猛烈抨擊著岸坡巖土及建構筑物，加劇了該段河床岸坡的嚴重毀損。另外，大壩修建阻塞河道，造成洪水雍高，河道行洪泄洪能力被削弱。分析認為梓潼溪電站的修建改變了河流環(huán)境，加劇了下游河岸的塌岸破壞。

3 塌岸寬度計算

河床岸坡塌岸或河床岸坡邊岸再造范圍和規(guī)模的方法可分為：類比圖解法、計算圖解法、經驗法等。目前，主要的計算圖解預測方法包括卡丘金法、卓洛塔寥夫法和平衡剖面法三種。王躍敏等經過近年數十處水庫塌岸的調查研究，提出了“兩段法”，該方法的具體圖解為以原河道多年最高洪水位與岸坡交點為起點，以為傾角繪出水下穩(wěn)定岸坡線，該線延伸至設計洪水位加毛細水上升高度的高程點，再以點為起點，以角為傾角繪出水上穩(wěn)定岸坡線，該線與原岸坡的交點即為水上穩(wěn)定岸坡的終點。水上穩(wěn)定岸坡線的起點的高程所對應的原岸坡點與該線終點之間的水平距離，即為“兩段法”預測的塌岸寬度(圖7)。許多工程應用案例表明該方法預測河流塌岸寬度比較接近實際。

圖7 兩段法塌岸預測圖解Fig.7 Diagram of two-stage bank collapse prediction

(1)數的選取

參照長委會勘測規(guī)劃設計研究院《三峽工程岸坡塌岸分析及初步評價》中的塌岸預測及山區(qū)紅層地層及殘坡積土質河床岸坡塌岸計算，根據環(huán)境和河床岸坡巖土體物理力學性質的相似性，梓潼溪電站下游河段岸坡模型簡化為殘坡積土類岸坡和紅層砂泥巖互層的基巖類岸坡，除α、β、γ實測外，總結已有相似條件河床岸坡經驗，對該段河床岸坡塌岸計算參數選定見表2。

表2 不同巖土體在不同水位條件下的穩(wěn)定坡角建議值

(2)塌岸計算

根據洪水動力條件和塌岸參數，選取河床岸坡段相應的工程地質剖面運用兩段法進行塌岸范圍估算。計算中選取河床岸坡段的代表性剖面：如第1段中的1-1剖面、第2段中的2-2剖面、第3段中的3-3剖面、第4段中的4-4剖面、第5段中的5-5剖面、第6段中的6-6剖面，計算的各剖面部位的塌岸寬度見表3。

表3 塌岸計算成果表

4 結論

通過對后河梓潼溪電站下游河段右岸岸坡發(fā)生塌岸破壞情況的調查與分析，得出岸坡地形地貌、地層巖性、地質構造、岸坡結構等為該河段塌岸的基本條件和物質基礎；暴雨洪水及人類工程活動為塌岸發(fā)生的直接觸發(fā)因素。塌岸的發(fā)生是上述因素綜合作用的結果，河流岸坡沿線工程建設及河流上的工程建設應對這些因素進行充分而全面的評估，并再次基礎上做好防范措施，以確保工程建構筑物的安全運行。

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Analysis on the collapse characteristics and influencing factors of the lower reaches of Zitongxi hydropower station on Houhe river

XIANG Guifu1,2,XU Mo1,CUI Jie2

(1.NationalLaboratoryofGeohazardsPreventionandGeo-EnvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China;2.CollegeofResourceandEnvironment,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang,Sichuan621010,China)

Due to the severe floods in 7·18, the bank slope of the right bank of the lower reaches of the Zitong River power station in the Houhe River caused serious collapses of the villagers' buildings along the river, and the highway was destroyed. Through the detailed investigation and analysis of the destruction of the water-damaged road sections, it is concluded that the topography, the material composition and the structure of the bank are the basic conditions and material foundation for the bank collapse. The construction of the torrential rain and the Tongtuxi power station shore of the direct trigger factors. It is of great practical and theoretical value to study the relationship between the exploitation of river water resources and the protection of riparian roads in the mountainous areas, and to protect the ecological environment of the river valleys in the upper reaches of the Yangtze River.

bank collapse; mountain river; river slope;influencing factors

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.01.24

2016-10-08;

2017-01-04

向貴府(1972-)，男，四川萬源人，博士研究生，主要從事地質工程與巖土體工程特性方面的教學與科研工作。E-mail:28899600@ qq.com

許 模(1963-)，男，教授，博士生導師，主要從事水文地質及工程地質研究與教學工作。E-mail: 875924113@qq.com

P694

A

1003-8035(2017)01-0156-08