牛運華，楊 波

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

塌岸是河床演變過程中一種常見的災(zāi)害形式，河床上新建攔河壩以后，又會引起庫岸再造，增加了塌岸發(fā)生的概率。在國內(nèi)外水庫運行過程中，積累了大量的觀測資料和分析文獻。研究認為，塌岸原因主要受水流、植被、風(fēng)浪、河床形態(tài)、地質(zhì)等因素的影響。錢寧等[1]對長江中下游河段的坍塌型崩岸和流滑型崩岸的特征和成因進行了分析，張幸農(nóng)等[2]對長江安徽段崩岸治理實踐進行了總結(jié)，王永[3]分析了三峽庫區(qū)庫岸再造機理，繆吉倫等[4]分析了水庫塌岸因素。此外，還有一些研究人員從不同角度或工程實例對塌岸問題進行了研究[5-7]。雖然目前對庫區(qū)塌岸問題已有較深的認識，但多聚焦在黃土類水庫、平原型水庫等，地質(zhì)條件以覆蓋層為主，對高原水庫塌岸問題研究較少。西藏拉洛水利樞紐工程受地形條件限制，需在塌岸影響范圍內(nèi)布置進場道路。塌岸區(qū)以容易崩解的碎塊石為主，因高原地區(qū)的特殊地質(zhì)條件，加之水庫運行初期的水位漲落變化，造成路基塌岸。本文通過分析塌岸原因，提出合理可行的治理方案，可為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

拉洛水利樞紐工程位于西藏日喀則地區(qū)薩迦縣境內(nèi)雅魯藏布江右岸一級支流夏布曲干流上，樞紐建筑物由瀝青混凝土心墻砂礫石壩、泄洪發(fā)電隧洞(先期作為導(dǎo)流隧洞使用、運行期也作為水庫放空洞)、溢洪道、拉洛水電站(主要利用生態(tài)放水和在小流量泄洪階段發(fā)電)、過壩魚道、灌溉引水(德羅水電站引水)隧洞、壓力前池及前池溢流缺口、壓力鋼管和德羅電站(灌溉期發(fā)電，尾水接灌區(qū)總干渠)等組成。灌區(qū)由申格孜、扯休、曲美、聶日雄四大灌區(qū)組成?？傆嫻喔让娣e3.03萬hm2，其中耕地1.42萬hm2，草地1.10萬hm2，林地0.51萬hm2。

場內(nèi)3號道路是拉洛水利樞紐右岸進場道路，起點位于壩區(qū)通往德羅廠區(qū)的勒朵村附近，沿線經(jīng)過泄洪洞進口、右壩肩、泄洪洞出口、拉洛水電站等，終點為下游圍堰右堰頭，全長約7.7 km，路面寬6.5 m，路基寬7.5 m。3號道路是樞紐工程施工期間的物資、材料、設(shè)備和人員進場通道；進入運行期后，該道路主要承擔(dān)樞紐區(qū)的運維通行功能。發(fā)生塌岸的部位為場內(nèi)3號道路的路基臨庫邊坡，距壩址直線距離為3.5～4.0 km。

2 塌岸過程

3號道路2015年開工，2017年完工通車。2019年9月30日水庫開始第一階段蓄水，2020年5月水位上升至4 276.74 m，此后水位基本維持不變。2020年6月23日水位繼續(xù)上升。8月11日，水位上升至4 287.01 m，在位于水庫右岸的3號道路發(fā)現(xiàn)兩處塌岸變形，路基開始出現(xiàn)裂縫，臨水側(cè)局部崩塌；9月23日，水位抬升至正常蓄水位4 298 m，3號道路沿線臨水側(cè)共發(fā)現(xiàn)8處塌岸變形區(qū)，主要表現(xiàn)為臨水側(cè)局部崩塌和路面裂縫，其中兩段變形嚴重，K1+140～K1+210路段臨河側(cè)半幅路基下沉約2 m，K1+325～K1+420路段路基以上約60 m邊坡連同路基整體下沉約1.3 m；10月中旬，K0+935～K0+980路段臨河側(cè)路基發(fā)生滑移。至此，共有3處嚴重變形路段影響到道路通行安全，需要進行應(yīng)急處理。塌岸路段平面分布及現(xiàn)場情況見圖1～2。水位-塌岸時間關(guān)系見圖3。

圖1 塌岸路段平面分布Fig.1 Plan view of the collapsed bank section

圖2 塌岸路段現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.2 Photos from the scene of the collapsed bank section

圖3 2020年水位-塌岸時間關(guān)系Fig.3 Water level-bank collapse time relationship graph in 2020

3 塌岸成因分析

工程區(qū)屬高原溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，旱季和雨季分明，多年平均降雨量334.7 mm，最大年降雨量596.5 mm，多年平均相對濕度43%。

塌岸路段設(shè)計路面高程4 302～4 307 m，位于南東方向凸出斜坡。斜坡總體地形坡度30°～35°，多分布第四系崩坡積碎(塊)石土，碎、塊石含量70%～85%，直徑一般2～40 cm不等，物質(zhì)成分與斜坡分布地層巖性有關(guān)，成分主要為板巖、少量砂巖，次棱角狀、棱角狀，結(jié)構(gòu)松散。斜坡段覆蓋層厚度2.5～21.5 m。下伏及出露基巖為三疊系涅如群，巖性主要為板巖，局部夾砂巖。

拉洛水利樞紐塌岸發(fā)生部位處于庫區(qū)，水流速度很低，不是造成塌岸的主要因素；地表植被稀疏，降雨下滲速度快；庫面開闊，風(fēng)的吹程較大，地勢上屬于凸岸，風(fēng)浪容易淘蝕水面附近的邊坡；塌岸部位邊坡以碎石土為主，碎石含量很高，干地條件下自穩(wěn)能力較強，但蓄水后容易崩解，安全系數(shù)降低。此外，塌岸發(fā)生的時間在庫水位上升期間，也間接說明地質(zhì)條件和地下水的變化是造成塌岸的主因。

通過分析認為，3號道路塌岸段路基臨水側(cè)邊坡較陡，以第四系崩坡積或工程填筑的碎塊石土為主，其土體具有分散性，蓄水前長期處于非飽和狀態(tài)。水庫蓄水后庫水位抬升，在庫區(qū)水流作用下，土粒中的鈉離子溶于水中，顆粒間吸引力減小，碎石及土粒逐漸離析，土體由聚合狀分解成單個顆粒，更易被水帶走而遭到破壞。隨著土體性狀變化，抗剪強度降低，特別是黏聚力迅速減小，且在波浪淘蝕作用下進一步加速。水面以下的坡面首先發(fā)生局部變形并逐漸擴大，引起邊坡小范圍垮塌。隨著垮塌范圍持續(xù)擴大，造成邊坡下部抗滑力不足，牽引邊坡自下而上發(fā)生較大變形，從而引起路基沉陷、滑移，最終出現(xiàn)路面裂縫、擋墻傾斜、邊坡垮塌等問題。

4 塌岸治理方案

塌岸部位第四系崩坡積物成分主要為碎塊石土，局部地段分布碎石土。碎、塊石含量70%～85%，直徑一般2～40 cm不等，成分主要為板巖、少量砂巖，次棱角狀、棱角狀，結(jié)構(gòu)松散，厚度2.5～21.5 m，最大厚度32 m。土體物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。巖體重度 25.5 kN/m3、變形模量為3～5 GPa，飽和抗壓強度8～12 MPa、巖體抗剪斷強度C=50～100 kPa，摩擦系數(shù)f=0.40～0.55。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil mass

3號道路邊坡失穩(wěn)主要原因是蓄水引起庫岸再造。為此，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，提出了3種針對性的治理方案，即以放緩邊坡、坡面保護、避讓為主要原則的3種方案。方案一為上部削坡減載，下部壓腳固坡；方案二為上部削坡減載，下部土工布反濾+格賓石籠壓坡；方案三為采用隧道避讓塌岸路段。此外，亦可采用膜袋混凝土壓坡、樁板墻、拉錨鋼管樁等治理方案，但這些方案造價偏高或?qū)嵤├щy。因此從方案可行、施工便捷的角度考慮，對3個方案進行了技術(shù)削坡經(jīng)濟比較，選出合適的處理方案。

4.1 方案一

方案一借鑒滑坡治理的常用做法，挖除路基上方的變形體，在路基下方采用石渣壓腳，并在臨水側(cè)拋石固坡。用石渣作為反濾和壓腳蓋重料，控制坡比不陡于1∶2.5，恢復(fù)邊坡整體穩(wěn)定性，以拋石為臨水坡面保護料，形成邊坡防護體系。此外，根據(jù)地形條件，上部修建截水溝、有危石的部位設(shè)置主被動防護網(wǎng)、路塹內(nèi)側(cè)修建攔渣墻，典型剖面見圖4。

圖4 方案一典型剖面圖(K1+375)(尺寸單位：m)Fig.4 Typical section of scheme 1(K1+375)

依據(jù)SL 386-2007《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》有關(guān)穩(wěn)定計算的規(guī)定，結(jié)合邊坡物質(zhì)組成、可能的失穩(wěn)模式，采用理正巖土計算軟件，按簡化畢肖普法進行穩(wěn)定分析，方案一塌岸治理后的典型剖面穩(wěn)定計算成果見表2，滿足規(guī)范要求。方案一建筑工程投資約1 373萬元，工期約2個月。

表2 方案一各剖面計算成果Tab.2 Calculation results for each profile of scheme 1

4.2 方案二

方案二是方案一的簡化，設(shè)計思路和施工范圍與方案一基本相同，更側(cè)重水下坡面保護，盡可能減少塊石用量和尺寸，采用格賓石籠代替拋填塊石。具體措施包括：① 先在塌岸部位拋填石渣，形成穩(wěn)定坡面；② 沿坡面鋪設(shè)土工布，形成反濾層；③ 在土工布表面鋪設(shè)格賓石籠，要求格賓石籠和土工布在邊坡頂部滿鋪，在邊坡底部至少超出坡腳5 m。經(jīng)計算，方案二邊坡穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。方案二建筑工程投資約1 696萬元，工期約3個月。

4.3 方案三

方案三對塌岸路段采用凈斷面4.5 m×5.5 m(寬×高)的隧道繞行避讓，根據(jù)避讓的區(qū)域分為：① 僅避讓3處嚴重坍岸變形區(qū)，隧道長度約490 m，即短隧道方案；② 既避讓塌岸區(qū)域，又考慮潛在變形區(qū)——HK1滑坡，隧道長度約640 m，即長隧道方案。

(1) 隧道進出口與現(xiàn)狀道路平順相接，考慮圍巖條件較差，采用管棚(L=20 m)進洞，管棚長，間距30 cm，采用Φ108 mm×6 mm鋼管，洞口套拱長2 m。

(2) 隧道以Ⅳ～Ⅴ類圍巖為主，均采用超前錨桿+系統(tǒng)支護+二次襯砌結(jié)構(gòu)，二者僅I16工字鋼拱架間距不同，Ⅳ類圍巖間距1.25 m，Ⅴ類圍巖間距0.75 m。

方案三平面示意見圖5，典型剖面見圖6。該方案建筑工程投資分別為：短隧道方案約1 944萬元，工期6個月；長隧道方案約2 504萬元，工期8個月。

圖5 隧道方案平面示意Fig.5 Plane diagram of tunnel scheme

圖6 隧道方案典型剖面(尺寸單位：cm)Fig.6 Typical profile of tunnel scheme

4.4 方案比選

3種方案均可行，但各自優(yōu)缺點也較為明顯。

(1) 方案一通過上部削坡減載與下部壓腳固坡相結(jié)合，主要工作量為開挖、支護及填筑，施工技術(shù)成熟，工期較短；缺點是僅處理了已知塌岸問題，對于該區(qū)段是否存在新的塌岸區(qū)域、處理后的后緣高邊坡是否存在次生災(zāi)害、拋填石渣的長期穩(wěn)定機理等問題暫不予考慮，且施工期間3號道路交通中斷，樞紐區(qū)需從左岸拉洛鄉(xiāng)多繞行24 km。

(2) 方案二與方案一處理思路基本相當(dāng)，同時借鑒了堤防工程的護坡經(jīng)驗，解決了塌岸區(qū)域塊石料缺乏的問題，投資與方案一接近，工期較短；缺點是水下鋪設(shè)土工布較為困難，土工布容易被堅石破壞。此外，格賓石籠在該工程防護邊坡達30 m以上的情況下，變形適應(yīng)能力有待工程檢驗。

(3) 方案三采用隧道對塌岸路段進行避讓，進出口區(qū)域內(nèi)已發(fā)生或可能發(fā)生的塌岸均可有效回避，施工期間僅洞口開挖和洞內(nèi)爆破時需要交通管制，對3號道路通行干擾較??；缺點是工期長，圍巖條件差，洞內(nèi)施工較困難。

鑒于塌岸范圍目前仍未全部顯現(xiàn)，從長遠效益角度可采用方案三，可繞開主要塌岸區(qū)域和HK1滑坡，采用長隧道方案更優(yōu)，但發(fā)生塌岸時，拉洛水利樞紐施工區(qū)內(nèi)爆破器材庫已經(jīng)拆除，火工材料使用困難，難以進行隧道施工。格賓石籠能否適應(yīng)該工程的特殊環(huán)境尚不明確。因此，經(jīng)比選推薦采用方案一。

實施過程中，對前述治理方案進行了2點優(yōu)化：① 調(diào)整坡比，由于水下坡比難以達到設(shè)計坡比，只能取自然休止角，實際填方量按設(shè)計總量控制，從而加大了壓坡區(qū)域的頂部寬度。② 考慮到對高寒地區(qū)土體性質(zhì)的認識需要一個逐步實踐的過程，先試驗再擴大施工范圍，因此在3段塌岸嚴重區(qū)域選取K1+325～K1+420段作為試驗段先行實施，再推廣至其他部位。

5 結(jié) 語

綜上所述，塌岸發(fā)生后，首先需要查明造成塌岸的主要原因，該工程中邊坡上的碎石在庫水位上升后迅速離析就是主因；其次是治理方案要充分利用當(dāng)?shù)夭牧?，就地取材，如該工程周邊塊石料較少，但存在大量泥石流沖溝，溝內(nèi)碎石經(jīng)多年水力搬運，水穩(wěn)性較好，在水下不易崩解，適合作為水下壓坡材料；最后，宜采取簡單易行的快速施工方案，以防災(zāi)害擴大。

從實施效果看，塌岸部位采用方案一治理后，經(jīng)過一個水位漲落的調(diào)度周期，壓坡作用明顯，庫水位下降后實測水位變幅區(qū)的坡比大體在1∶1.35～1∶1.89范圍內(nèi)，邊坡已經(jīng)穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)新的變形跡象。