盧功臣

(陜西省水利電力勘測設計院 勘察分院,陜西 咸陽 712000)

水庫塌岸是指水庫蓄水后,庫水位變動使松散岸坡水文地質(zhì)條件發(fā)生改變,原始岸坡在庫水浸泡、干濕交替、風浪沖擊、水流侵蝕等作用下發(fā)生坍塌,導致庫周巖土體物理力學參數(shù)降低,進而誘發(fā)庫岸穩(wěn)定性的變化,這種不良地質(zhì)現(xiàn)象稱為水庫塌岸[1]。水庫塌岸是大量土體進入庫區(qū)并產(chǎn)生淤積,減少了水庫的庫容。隨著塌岸的不斷發(fā)展,會影響到庫周范圍內(nèi)的水工建筑物的正常運營,如淤塞、填堵放水建筑物的進水口。最后水庫塌岸導致庫岸線不斷后退,可能對庫周交通破壞、農(nóng)田毀壞以及對周邊城鎮(zhèn)居民的生活等產(chǎn)生嚴重危害,甚至造成人員傷亡[2],因此水庫塌岸也被認為是水利工程地質(zhì)災害類型之一。鑒于水庫塌岸可能造成的巨大影響,塌岸預測的方法得到了越來越多的研究,目前主要的預測方法有佐洛塔寥夫法、岸坡結構法、兩段法、類比法、卡丘金經(jīng)驗公式法、圖解法、平衡剖面法、動力法、康德列捷夫數(shù)學分析法等[3-5]。本文主要采用卡丘金經(jīng)驗公式法及圖解法對××水庫岸坡進行塌岸分析預測。

1 工程地質(zhì)背景

1.1 地形地貌

水庫工程區(qū)位于陜北高原東北部,地勢整體北高南低。溝壑眾多,多以扇狀、羽狀發(fā)育,溝谷兩岸多陡立,巖石出露,山體上部相對較平緩,覆蓋黃土。

庫區(qū)內(nèi)海拔多為900～1 500 m左右,為低中山地貌,河谷多呈寬“U”字型,溝底寬為50～100 m,平均坡降1.6%。喬岔溝左岸岸坡底部陡峻、近乎直立,上部平緩,右岸相對較緩,天然坡度約為30°～50°。兩岸山體完整性較差,沖溝發(fā)育,右岸底部局部出露基巖,上部黃土覆蓋,黃土岸坡居多數(shù),左岸基巖出露高程較高,出露高程約1 020～1 060 m。崖磘溝兩岸岸坡大部分基巖出露,出露高程約1 000～1 030 m,庫水位以下多數(shù)為基巖岸坡,局部黃土覆蓋。

1.2 地層巖性

庫區(qū)出露的地層巖性主要有:三疊系胡家村組(T3h)長石砂巖、泥巖及粉砂巖互層狀分布,夾少量頁巖;第四系松散堆積物。第四系松散堆積物主要包括上更新統(tǒng)風積黃土(Q3)、全新統(tǒng)沖積、洪積和殘坡積物等。天然條件下水庫岸坡的穩(wěn)定性較好,但水庫蓄水后,庫水位附近的黃土岸坡受庫水變動影響可能產(chǎn)生塌岸。

1.3 地質(zhì)構造

水庫大地構造部位屬陜甘寧分區(qū)，區(qū)域上構造單元屬于中朝準地臺陜甘寧臺坳的主體陜北臺坳內(nèi)。通過庫區(qū)地表地質(zhì)測繪,庫區(qū)內(nèi)地層組成較為簡單,總體為單斜地層,巖層走向為近南北向,與溝谷走向多為平行,傾向西或南西、北西,為近水平巖層,局部傾角較陡。未發(fā)現(xiàn)較大地質(zhì)構造發(fā)育,主要表現(xiàn)為節(jié)理裂隙。

1.4 水文地質(zhì)條件

經(jīng)查閱多年觀測資料和現(xiàn)場水文地質(zhì)勘察,水庫主要包括溝內(nèi)流水和地下水。地下水可分為基巖裂隙水和第四系松散孔隙水,支溝兩岸基巖裂隙水多沿砂、頁巖層間出露。

1.5 水庫岸坡結構類型

水庫區(qū)基巖地層主要為三疊系上統(tǒng)胡家村組(T3h)陸相碎屑巖,地質(zhì)構造簡單,基巖地層為近水平產(chǎn)狀的砂巖、粉砂巖、泥巖形成的韻律沉積。根據(jù)水庫區(qū)地形地貌、地層結構與岸坡的組合關系,庫區(qū)可能產(chǎn)生塌岸的岸坡類型主要分為基巖—黃土庫岸、黃土庫岸。如圖1。

圖1 庫區(qū)岸坡結構類型示意圖Fig.1 Schematic diagram of bank slope structure type in reservoir area

2 黃土塌岸影響因素

黃土塌岸的影響因素很多,主要受地層巖性、水庫運行方式、風浪掏蝕作用、地形地貌、地震等,塌岸是在諸多因素綜合影響下發(fā)生發(fā)展的復雜過程[6]。

2.1 地層巖性

不同巖性的岸坡具有不同的抗剪強度和抗沖蝕能力,巖性對塌岸的范圍、速度和類型具有控制性作用,松散層組成的岸坡較易產(chǎn)生塌岸,且規(guī)模大,速度快,泥巖、粉砂巖、砂巖組成的基巖岸坡抗沖蝕能力較強,基本不產(chǎn)生塌岸。巖性還決定著淺灘的形狀、坡腳和寬度,密實的粘土凝聚力大,抗沖蝕能力強,塌岸寬度較小或表面風化土體脫落,一般形成磨蝕淺灘或陡坎;黃土具有粉粒含量高、孔隙率大的特點,遇水后土體連接被破壞,崩解速度快,易形成快速、強烈的坍塌。

2.2 水庫運行方式

水庫運行方式對塌岸的影響主要表現(xiàn)在水庫水位的變化幅度和速度上?！痢了畮鞄烊葺^大,開發(fā)任務主要以蓄水調(diào)沙為主。水庫水位變化幅度較大,岸坡黃土受庫水位高低頻繁波動影響,塌岸是反復累進性進行的,規(guī)模和強度變化大,持續(xù)時間長,水下穩(wěn)定坡角較緩。

2.3 風浪作用

風浪作用是水庫黃土塌岸發(fā)生發(fā)展,特別是淺灘形成的主要外力。激浪對庫岸坡角的沖刷、磨蝕和坍塌物的搬運影響大小取決于浪高和沖刷深度。強度越大,塌岸寬度也越大,這是由于水庫塌岸所形成的淺灘坡角隨浪高而改變,浪越高,坡角越小,塌岸寬度也越大。

2.4 其它因素

塌岸的其它影響因素還有地形地貌、地震和冰凍作用。一般來說,地形地貌特征是塌岸發(fā)生發(fā)展的重要控制因素之一,不同類型的地形、地貌單元其塌岸問題的嚴重程度、規(guī)模和大小有很大的差別。彎曲的庫岸較平直的易產(chǎn)生塌岸,凸形坡較凹形坡塌岸嚴重;庫岸越高陡,塌岸越嚴重,高岸緩坡塌岸量小,坍塌以岸腰部分為主,低岸陡坡的塌岸速度快,塌岸量小,常表現(xiàn)為崩塌;低緩岸坡常以水下塌岸為主。也就是說,塌岸規(guī)模與岸坡高度和坡腳成正比。庫岸的切割程度往往是塌岸的形成及發(fā)展范圍的制約條件,一般地形破碎、支溝發(fā)育的庫岸坍塌顯著,而地形平整、階面較寬、支溝不發(fā)育的庫岸則次之。地震會造成岸坡土體結構破壞和水庫涌浪,將會增加塌岸的速度和嚴重程度。庫岸邊坡在凍融作用下,土體結構發(fā)生破壞,從而增加塌岸的寬度[7]。

3 塌岸分析預測

3.1 塌岸預測方法

水庫塌岸預測的目的是對庫水位運行后的最終塌岸寬度、規(guī)模進行預測,評價塌岸對水庫正常運行和周邊環(huán)境的影響,并提出防治措施。根據(jù)水庫運行特點和庫岸結構類型,選取長期預測的E.F.卡丘金公式法(見圖2)和圖解法(見圖3)進行岸坡塌岸的初步預測評價[8];根據(jù)兩種方法對庫岸結構的適宜性,并結合工程類比,最終確定塌岸的寬度。

(1) 公式法。《水工設計手冊》、《水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊》等均有提及。前蘇聯(lián)學者卡丘金于1949年提出該法?？ㄇ鸾鸱ㄟm用于由松軟沉積層(如黃土、砂土、砂質(zhì)粘土等)組成的庫岸,卡丘金法適合于水庫塌岸的長期預測,不適合于分期蓄水而需要進行分期塌岸預測的情形。

卡丘金法長期塌岸預測示意圖如圖2所示?？ㄇ鸾鸱ㄩL期塌岸預測計算公式如下:

St=N[(A+hP+hB)cotα+(H-hB)cotβ

-(A+hP)cotγ]

(1)

式中:St為最終塌岸寬度(m);A為庫水位變幅(m),設

圖2 卡丘金法長期塌岸預測示意圖Fig.2 Sketch map of long-term bank collapse prediction by Kachukin method

計低水位與高水位之差(一般取死水位與正常蓄水位之差);N為與土的顆粒大小有關的系數(shù),粘土取N=1.0,壤土取N=0.8,黃土取N=0.6,砂土取N=0.5,砂卵石取N=0.4;H為正常蓄水位以上岸坡高度(m);α為水位變動帶淺灘穩(wěn)定坡角(°),依據(jù)圖3取值;β為岸坡水上穩(wěn)定坡角(°),一般依據(jù)工程區(qū)實測結果取值;γ為原始岸坡坡度(°);hP為波浪沖刷深度(m),見式2。

圖3 不同波浪高度時各類土的淺灘穩(wěn)定坡角Fig.3 Stabilized slope angles of shoals of various soils at different wave heights

hP=0.64×arsh(8.1×h)

(2)

hB為波浪爬高(m),見式(3);

hB=3.2×K×h×tanα

(3)

式中：K為被沖蝕的岸坡表面糙度有關的系數(shù);一般砂質(zhì)岸坡K=0.55～0.75;礫石質(zhì)岸坡K=0.85～0.9;混凝土K=1;拋石K=0.775;

h為浪高(m),按安德列楊諾夫公式計算,見式(4)。

h=0.0208×W4/5×L1/3

(4)

式中：W為風速(m/s);L為吹程(km)。

(2) 圖解法?？ㄇ鸾鸱ㄟm用于由松軟沉積層(如黃土、砂土、砂質(zhì)粘土等)組成的庫岸,庫岸為基巖—黃土結構時,基巖面隨地形抬升起伏坡度,比卡丘金法水下穩(wěn)定坡度大的情況下,在岸坡山體內(nèi)最高水位線與基巖面相交。此類情況,卡丘金法已不適用,采用圖解法分析預測塌岸寬度更為合理。示意圖如圖4所示。

圖4 水庫塌岸圖解法計算剖面圖Fig.4 Graphic method for calculating section map of reservoir bank collapse

3.2 參數(shù)選取

(1) 波浪參數(shù)。 水庫區(qū)屬溫帶大陸性氣候,夏季多為東北風,其余季節(jié)則多為西北風,年平均風速1.6 m/s,春夏季風速最大,最大風速可達24.5 m/s;歷年最大風速平均值18 m/s。浪高和波長可按下式計算(適用于山區(qū)峽谷水庫):

式中:2hL為浪高(m);2LL為波長(m);νf為計算風速(m/s),取歷年最大風速平均值18 m/s;Df為計算吹程(m),即由沿岸坡至對岸水面的最大直線距離,當這一距離大于水庫寬度5倍時,取計算吹程為水庫寬的5倍。據(jù)此計算,水庫區(qū)不同塌岸段的浪高、波浪爬高、波浪影響深度。

(2) 水下淺灘穩(wěn)定坡角α。水下淺灘坡角(α)的大小不僅與巖性有關,還與浪高有關。

庫區(qū)河流階地堆積物主要為Q3黃土,巖性以壤土為主,夾有粉細砂、粘土夾層,綜合考慮地層特征,據(jù)E.F.卡丘金提出的不同種類濱海淺灘水下穩(wěn)定坡角關系曲線圖查得,見圖3。由于浪高為0.09～0.17,α取7°。

(3) 水上穩(wěn)定坡角(β)。水庫區(qū)岸坡下部基巖穩(wěn)定性較好,上部黃土地層自然坡度較陡,陡坡坡度可達80°以上。據(jù)官廳水庫實測資料,粉土β為50°～70°,粉質(zhì)粘土β為50°,半膠結狀砂礫石β為60°～80°。據(jù)三門峽水庫實測資料,粉土β為35°～80°,粉質(zhì)粘土β為38°～60°,半膠結砂礫石層β為60°～70°。據(jù)小浪底水庫資料,黃土類粉土和粉質(zhì)粘土β為50°～60°。綜合考慮庫區(qū)地層特征,參考上述工程水庫塌岸資料,上部黃土β取60°～65°。

3.3 塌岸分析計算

根據(jù)上述黃土塌岸計算方法及參數(shù)選取標準,對庫區(qū)規(guī)模較大、影響到村鎮(zhèn)居民點和耕地、荒地的主要塌岸地段進行分析計算,結果見表1。上述分析計算主要針對選定的剖面進行,由于每個剖面不能完全代表該塌岸點的全部類型,基巖面形態(tài)、土層厚度及坡度變化較大,這些都給塌岸的預測帶來困難,因而計算的結果必然存在一定的誤差。

表1 水庫區(qū)主要塌岸庫段分析預測表Table 1 Analysis and prediction table of main bank collapse reservoir section in reservoir area

4 結論

××水庫庫區(qū)黃土塌岸大多位于喬岔溝左右岸,其中喬岔溝左岸基巖出露較高,上覆黃土等堆積物岸坡坡度≤15°,受庫水位影響堆積物厚度≤20 m,為輕微塌岸,但受庫水位影響的上覆黃土等堆積物范圍較小,規(guī)模和影響較小;喬岔溝右岸基巖出露高程低,上覆黃土等堆積物分布范圍較廣,受庫水位影響堆積厚度>25 m,平均塌岸寬度在120 m上下波動,局部為嚴重塌岸地段;崖磘溝僅近壩段左岸支溝內(nèi)基覆界線高程和黃土覆蓋層厚度較厚,塌岸寬度在85～120 m,塌岸規(guī)模為中等—嚴重塌岸;崖磘溝支溝僅小范圍塌岸分布,規(guī)模和影響較小。

采用卡丘金公式法對××水庫的大部分黃土岸坡進行長期塌岸預測是合適的。但卡丘金公式法也存在一定的局限性,如庫岸為基巖—黃土結構時,基巖面隨地形抬升起伏坡度,比卡丘金法水下穩(wěn)定坡度大的情況下,卡丘金公式法已不適用,應要結合實際的地形地質(zhì)條件,采用圖解法分析預測塌岸寬度更為合理。圖解法與卡丘金公式法相結合,基本能滿足對陜北地區(qū)不同地質(zhì)條件水庫岸坡的塌岸預測,但同時也存在一定不足之處,如沒有考慮庫水動力作用下,庫岸橫向展寬與沖刷下切作用對塌岸預測的影響等問題[9]。