林 宇

(1.福建省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，福州 350001；2.福建省水動力與水工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350000)

我省有眾多河道型水庫，隨著城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展進(jìn)程的加快，庫區(qū)大量的城鎮(zhèn)、道路、碼頭等工程的建設(shè)全面開展。而與此同時(shí)，庫區(qū)沿岸的滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，對庫區(qū)周邊群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅，因此對重點(diǎn)段落的庫岸進(jìn)行切實(shí)有效的防護(hù)勢在必行。此外，生態(tài)水利理念的不斷推行及深化，對庫岸防護(hù)工程的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。本文以水口庫區(qū)黃田鎮(zhèn)雙坑村庫岸防護(hù)工程為例，對河道型水庫庫岸防護(hù)措施進(jìn)行探討。

1 工程概況

1.1 概況

黃田鎮(zhèn)雙坑村庫岸防護(hù)工程位于寧德市古田縣，屬于水口水庫的庫區(qū)內(nèi)灣，位于水口電站上游約35 km。黃田鎮(zhèn)雙坑村屬于水口庫區(qū)移民村，村民在庫岸周邊生產(chǎn)與居住。近年來雙坑村實(shí)施了部分庫岸防護(hù)工程的建設(shè)，然而受到人類活動、工程建設(shè)以及降雨洪水等影響，未采取工程防護(hù)措施的庫岸邊坡出現(xiàn)了不同程度的破壞與險(xiǎn)情，如不及時(shí)治理，侵蝕發(fā)展可能會導(dǎo)致大面積滑坡，將危及坡頂建筑的安全。

1.2 水庫情況

水口水庫是以發(fā)電為主，兼顧防洪、航運(yùn)的大(1)型水庫，屬河道型水庫。水庫正常蓄水位為65.0 m，主汛期(4—7月)汛限水位為61.0 m，死水位為55.0 m。近年來，水口水庫的水位常年不穩(wěn)定，在死水位與正常蓄水位之間波動強(qiáng)烈，對庫岸邊坡的安全造成了嚴(yán)峻的考驗(yàn)(水庫10月14日水位—庫容變化如圖1所示)。

圖1 10月14日水口水庫水位變化曲線示意

1.3 地質(zhì)條件

工程區(qū)庫岸邊坡為土質(zhì)邊坡，坡度28°～35°，為斜坡—陡坡，組成庫岸的地層巖性有雜填土、坡殘積粘性土、全風(fēng)化凝灰熔巖(砂質(zhì)粘土)。水庫正常蓄水位以下邊坡巖土層以坡殘積層為主，部分見全～強(qiáng)風(fēng)化巖體出露，為上覆土層下臥巖層的結(jié)構(gòu)。

1.4 存在問題

待防護(hù)庫岸邊坡分為3段，庫岸長度為1.1 km，庫岸沿線為雙坑村村道及民房。除了村道，坡頂有較多民房緊挨坡眉，距離最近處僅為2.0 m。庫岸地形坡度較陡，邊坡穩(wěn)定性較差，且坡面裸露未做防護(hù)，庫岸出露坡面均為坡殘積土，村民生產(chǎn)生活對邊坡穩(wěn)定也造成較大影響。

近年來雙坑村實(shí)施了部分庫岸防護(hù)工程建設(shè)(見圖2)，然而受到人類活動、工程建設(shè)以及洪水侵襲等影響，未采取工程防護(hù)措施的庫岸邊坡出現(xiàn)了不同程度的破壞與險(xiǎn)情，如不及時(shí)治理，侵蝕發(fā)展可能會導(dǎo)致大面積滑坡，將危及坡頂臨近建筑及道路的安全。

圖2 庫岸防護(hù)工程布置示意

經(jīng)水口水電站多年運(yùn)行，水庫塌岸(庫岸再造)已基本完成，塌岸范圍及寬度已基本穩(wěn)定，總體來看，汛限水位以下庫岸基本穩(wěn)定；汛限水位以上至居民房屋外側(cè)邊坡以人工堆積的雜填土為主，雜填土較松散，工程性能差，局部有淺表裂縫，邊坡穩(wěn)定性差，同時(shí)全風(fēng)化凝灰熔巖遇水易軟化、崩解，應(yīng)采取工程措施對庫岸進(jìn)行防護(hù)。另外，由于庫岸邊坡坡面和坡底雜草叢生，環(huán)庫岸坡的生態(tài)環(huán)境與雙坑村美麗鄉(xiāng)村建設(shè)目標(biāo)有較大差距，同樣存在提升空間。

2 防護(hù)措施的選擇

2.1 工程條件分析

本工程位于水庫庫區(qū)內(nèi)灣段，邊坡距離水口電站樞紐較遠(yuǎn)，根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)[1]《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2017)[2]，本庫岸防護(hù)工程等別定為Ⅳ等，主要建筑物級別為4級。

根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，項(xiàng)目區(qū)水體與庫岸分別作為景觀水域及湖濱綠化帶考慮，南北岸有萊福鐵路與縱五線穿越，東西岸有河濱路環(huán)抱，庫岸的生態(tài)景觀屬性應(yīng)作為重要因素考慮。庫岸岸坡防護(hù)措施應(yīng)根據(jù)防護(hù)對象位置、庫岸地形地質(zhì)條件、施工組織、工程投資等因素進(jìn)行合理選擇[3]。

雙坑村庫岸防護(hù)存在較多難點(diǎn)：① 庫岸較高較陡；② 水深較大；③ 水位變幅較大。防護(hù)措施應(yīng)綜合庫岸地形地質(zhì)條件、施工難度、工程投資及生態(tài)景觀效果等因素進(jìn)行合理選擇[4]。經(jīng)過對庫岸坡面情況的分析研判，明確本次庫岸防護(hù)的主要任務(wù)為：固腳、護(hù)坡以及保土。即通過防護(hù)措施阻止坡面土層被水位變動侵蝕掏刷，同時(shí)防止庫岸的整體滑移。根據(jù)地勘成果，選取現(xiàn)狀庫岸邊坡斷面對其穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核，初步確定滑動面的位置。經(jīng)計(jì)算，在水位驟降情況下，現(xiàn)狀庫岸邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，而正常運(yùn)行情況下的邊坡安全系數(shù)略微大于允許安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果印證了庫岸邊坡在周期性水位變幅下，庫岸邊坡整體穩(wěn)定性逐漸降低，且其最危險(xiǎn)的滑弧逐漸在水位變幅區(qū)內(nèi)的最低水位線上貫通堆積層，并于最低水位線處滑出[5]。

圖3 現(xiàn)狀庫岸抗滑穩(wěn)定計(jì)算示意

2.2 防護(hù)措施擬定

由于岸坡頂有較多民房及公路緊臨庫岸坡眉，故不適宜進(jìn)行大規(guī)模削方放坡；另因該處庫水位較深，設(shè)置圍堰在經(jīng)濟(jì)上不可?。粨鯄Ψ桨笁ι砀叨容^大，將增加坡頂荷載，不利于坡面整體抗滑。因此庫岸治理考慮填筑壓腳或施打抗滑樁[6]，結(jié)合坡頂局部削坡減載、坡面生態(tài)防護(hù)的綜合措施[7]。對于庫岸坡面防護(hù)，較為傳統(tǒng)的措施有零散拋石及模袋混凝土護(hù)坡等[8]，前者并不適用于坡高岸陡的庫岸，同時(shí)施工質(zhì)量難以保證，另外對于石料的浪費(fèi)也難以把握；后者在坡面防護(hù)及地形適應(yīng)上具備一定優(yōu)勢，卻阻隔了岸坡與水體的交換，也存在缺陷。經(jīng)對比及初篩，格賓拋石不僅具備傳統(tǒng)護(hù)坡措施的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)材料的缺陷，在岸坡防護(hù)上優(yōu)勢凸顯[9]。

3 設(shè)計(jì)方案比選

3.1 方案1：抗滑樁方案(抗滑樁+上部生態(tài)護(hù)坡)

方案1采用抗滑樁作為阻滑工程的主體，結(jié)合庫區(qū)汛限水位(61.00 m)，以61.5 m高程作為抗滑樁頂高程，同時(shí)在該高程設(shè)置3 m的平臺?？够瑯恫捎弥睆?.0 m鉆孔灌注樁形成排樁，樁間距為1.0 m，樁長約15 m，深入全風(fēng)化凝灰熔巖體中下部。另外，在不影響岸頂民房及公路的前提下對岸坡上部邊坡進(jìn)行清表削坡，放緩至1∶2的坡度，坡面采用生態(tài)護(hù)坡+綠化種植進(jìn)行護(hù)面；坡頂處根據(jù)需要設(shè)置步道(或路面)以及防護(hù)欄桿。方案1防護(hù)典型剖面如圖4所示。

圖4 方案1斷面示意

3.2 方案2：拋石固腳壓坡方案(拋石+上部生態(tài)護(hù)坡)

方案2在坡腳采用拋石壓重從而產(chǎn)生阻滑作用，即在坡腳處采用格賓拋石壓重，形成格賓拋石戧堤，戧堤頂高程55.0 m，頂寬3 m，內(nèi)外坡坡度均為1∶1.5。戧堤背坡至61.5 m高程之間的岸坡坡面分2層填筑，底層拋填塊石或石渣，面層采用1 m厚格賓拋石護(hù)坡，此處底層塊石拋填與面層格賓拋石放置時(shí)形成的坡面均以1∶2的坡度控制。面層格賓拋石護(hù)坡護(hù)至61.5 m高程，并形成3 m寬的平臺，平臺內(nèi)側(cè)坡腳設(shè)置C20砼護(hù)腳梁，護(hù)腳以上邊坡及坡頂?shù)姆雷o(hù)形式同方案1。方案2防護(hù)典型剖面如圖5所示。

圖5 方案2斷面示意

3.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

本次庫岸防護(hù)斷面抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用南京水準(zhǔn)科技有限公司的Autobank7.7版程序，選取岸坡高度較大且坡度較陡的斷面進(jìn)行計(jì)算，該斷面岸坡高度為19.1 m。

依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)[1]附錄中推薦的抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法，以水位驟降工況作為正常運(yùn)用條件的控制工況[10]，施工期工況作為非常運(yùn)用條件I的相應(yīng)工況。施工期計(jì)算方法采用總應(yīng)力法，對應(yīng)解法為瑞典法；水位驟降期計(jì)算方法采用有效應(yīng)力法，對應(yīng)解法為畢肖普法。水位驟降變幅考慮由汛限水位附近(62.0 m)降至死水位(55.0 m)。

根據(jù)前文中對相應(yīng)現(xiàn)狀庫岸抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，抗滑樁的設(shè)置首先保證樁身強(qiáng)度符合要求，選取樁徑D1 000、樁距1 000的單排鉆孔灌注樁，樁身抗剪強(qiáng)度取2 000 kPa；其次確保樁的穩(wěn)定，考慮抗滑樁在潛在滑動面以下的長度達(dá)到樁長的1/3以上，故而將樁底深入至全風(fēng)化巖體中下部。

根據(jù)庫岸土體力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)對2個(gè)防護(hù)方案典型斷面不同工況分析計(jì)算的結(jié)果見表1。

表1 護(hù)岸工程邊坡整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

3.4 設(shè)計(jì)方案綜合比選

3.4.1結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

經(jīng)穩(wěn)定分析計(jì)算，2種防護(hù)方案岸坡在控制工況下的整體抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，實(shí)施后均可有效保證岸坡安全可靠，2種工程方案的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相當(dāng)。

3.4.2投資經(jīng)濟(jì)性

在工程投資方面，方案1每延米長度庫岸防護(hù)工程費(fèi)用約為19 680元，方案2每延米長度庫岸防護(hù)工程費(fèi)用約為20 130元，方案1的工程投資略低。

3.4.3施工適應(yīng)性

2種防護(hù)措施的施工技術(shù)均較為成熟，然而本項(xiàng)目庫岸有其特殊性與難點(diǎn)，其對施工方法、質(zhì)量以及效率均有不同程度的影響。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，對比2個(gè)方案在施工方面的優(yōu)劣之處(見表2)。

表2 施工特性對比

在表2的基礎(chǔ)上對各方案的施工方法的優(yōu)劣進(jìn)行剖析，工程區(qū)處于村落房屋較密集處，民房與道路緊臨岸頂坡眉，且岸頂至汛限水位的高差較大，同時(shí)庫區(qū)水位變動頻繁劇烈。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)在此施工條件下，即進(jìn)行鉆孔灌注樁施工前，利用拋石形成比汛限水位略高的可靠施工平臺是常規(guī)做法，但該方案在經(jīng)濟(jì)上較為浪費(fèi)；然而在變動劇烈的庫區(qū)水面上借助船只打樁時(shí)[11]，要確保鉆機(jī)的穩(wěn)定穩(wěn)固與周正水平，取得較高的成孔質(zhì)量，難度頗大。

分析方案2，受施工場地的局限相對小，作為主體的格賓拋石，可由汽車吊從岸頂?shù)踹\(yùn)放置[12]，必要時(shí)在鋪設(shè)位置以工具船只輔助即可。鋪設(shè)格賓拋石不論是營造戧堤或坡面，在施工方法上更容易滿足精度及質(zhì)量要求。對比分析后不難總結(jié)出：方案2在本工程中的適應(yīng)性高于方案1。

3.4.4岸坡生態(tài)性

對于庫岸防護(hù)措施的生態(tài)景觀屬性，方案1抗滑樁為了保證庫岸土體的穩(wěn)固須進(jìn)行封閉，在一定程度上阻隔了水體與坡岸的物質(zhì)交換，限制了岸坡土壤的呼吸，對于水岸生態(tài)環(huán)境有一定影響；方案2用堆石營造緩坡，格賓石籠平整美觀，同時(shí)石塊間大大小小的洞穴為庫區(qū)魚蝦提供了休養(yǎng)生息的場所，保留了水岸物質(zhì)交換的通道，有利于水岸動植物生存。

綜上分析，經(jīng)過對比2個(gè)方案在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、工程經(jīng)濟(jì)性、施工適應(yīng)性及護(hù)岸生態(tài)性4個(gè)重要方面的優(yōu)劣后，推薦黃田鎮(zhèn)雙坑村庫岸防護(hù)工程采用方案2拋石固腳壓坡作為設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)語

黃田鎮(zhèn)雙坑村庫岸防護(hù)工程結(jié)合相應(yīng)規(guī)劃，旨在選擇最適宜的綜合防護(hù)方案。針對水口庫區(qū)內(nèi)灣段的特性，分析庫岸存在問題與設(shè)計(jì)難點(diǎn)，擬定了抗滑樁與拋石固腳壓坡兩大防護(hù)措施，而后在安全性、經(jīng)濟(jì)性及適應(yīng)性等方面對比分析了兩種方案的優(yōu)劣，最終推薦采用更為適宜的拋石固腳壓坡方案。本項(xiàng)目不僅能夠提升工程區(qū)庫岸的安全穩(wěn)定，還可改善水口庫區(qū)沿岸生態(tài)環(huán)境及人居環(huán)境。對于河道型水庫，其庫區(qū)庫岸的范圍較大，不同區(qū)段岸坡的地形地質(zhì)條件也各不相同，本文推薦的防護(hù)措施在適宜條件下可供類似工程借鑒。