库区库岸再造稳定性分析

库区库岸再造稳定性分析

王 ,沛

新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司    新疆乌鲁木齐    830002

摘要：水库库岸再造坍塌物入库对水库有效库容影响较大,对其进行分析研究是十分必要的。库岸再造是建立在水库库岸整体稳定的基础上,对水库可能塌岸库段及现状库岸边坡稳定情况进行调查研究,对水库蓄水后库岸再造的方式进行分析,对库岸再造的规模进行量化评价预测。

关键词：库岸再造、卡丘金计算法、图解法

引言：我国水利工程建设发展迅猛，尤以水库建设位于世界前列，由于建国后修建技术、设计理念等因素制约，多数库区存在塌方等影响，重者可造成水库失效并威胁人民生命财产安全，本次选取贵州省福泉凤山水库工程对贵新高速公路的影响进行定性、定量分析论证。

一、工程概况

工程区位于福泉市黄丝镇，该区在区域地貌上属云贵高原向广西丘陵过渡的斜坡地带，区内地势大体北西高，高程1200～1500m；东南低，高程800～1000m。山脉河谷多呈南北向延展，与工程区主要构造基本一致。

凤山水库对贵新高速公路影响西起黄丝镇永安村大水河大桥，东抵黄丝镇酉阳村酉阳大桥。淹没区影响高速公路总长5.64km，其中桥梁718m/4座，填方路基长约2273m，挖方路基长约2175m。

根据现状公路范围的特性、结合地形地貌、岩土、构造以及稳定性及塌岸破坏形式等因素对库岸进行分段，将高速公路现状评价段分为6个区。即大水河桥段（长886m）、下寨中桥至寨顶段（长1105m）、寨顶至潘家寨段（长999m）、潘家寨至保坝段高填方段（长1418m）以及南坳田大桥段（长836m）和酉阳大桥段（长699m）。评价路段总长为5.943km。

二、库岸再造影响评价

水库建成蓄水后，水动力条件将发生明显的改变。蓄水引起的岩土体物理力学性质的变化、库水位周期性涨落引起的孔隙水压力和渗流场的作用及其变化、波浪和水流对岸坡的侵蚀冲刷、河床淤积等都将严重改变岸坡的地质和环境条件，加剧对库岸的改造，甚至会出现冲刷塌岸或产生整体性的崩滑等库岸再造地质灾害，使原有岸坡不断后退。这种作用的持续进行，最终将会使原来的岸坡改造成为适应新的库水环境的岸坡。库岸再造破坏原有岸坡的稳定性，可以看成是远离一个旧的平衡稳定状态并向一个新的平衡稳定态发展过渡的过程，符合事物发展的一般规律。它主要表现在以下4个方面：

(1)库水的软化效应使得岩土在水的浸泡下其吸附水膜的厚度显著增大，从而使其抗剪强度参数c、Φ值大大下降。

(2)孔隙水压力效应，当岩土体中孔隙为重力水填充饱和时，水将对固体骨架产生一种正应力，其矢量指向空隙壁面，对岩土骨架起到浮托作用，从而消减了通过骨架起作用的有效应力，在饱和岩土体中，当总应力一致时，空隙水压力的增减，势必相应地减小有效应力，使潜在滑面上的抗剪强度降低，以致失稳滑动。

(3)当地下水在岩土体孔隙中渗流时，会对其周围骨架产生渗透压力或动水压力。如果动水压力指向坡外，则边坡岩土体的稳定性将会降低，甚至引起失稳变形。

(4)波浪和水流的侵蚀冲刷作用，使得岸坡表面的物质被水搬运带走，这种冲刷破坏在岸坡上由表及里渐变深入。当水位变动带范围内的物质被冲刷破坏到一定的程度时，上部物质失去支持，从而发生塌岸。

库岸在某一期限内的塌岸宽度和最终塌岸范围的计算，是库岸防治设计的重要依据。本次选用卡丘金计算法和图解法进行比对。

卡丘金计算法：卡丘金计算法预测库岸坍塌宽度应根据实际情况对岩土体的类型有关的系数N进行调整。需指出的是，卡丘金法适用于自然岸坡较陡，且由松软匀质土体如黄土、砂土、砂质粘土等组成的库岸的塌岸预测，为了尽可能正确、合理预测岸坡在蓄水后的坍塌宽度，根据岸坡结构特点，结合勘探资料，综合考虑对河床、漫滩、岸坡及上部斜坡等不同部位的代表性岩土体的水下稳定坡脚、浅滩磨蚀坡脚、水上稳定坡脚进行分析取值，具体选取参数及计算过程见下表。

式中：S为最终塌岸宽度（m）；

N为与土的类型相关系数：粘土为1，冰积亚粘土为0.8，黄土为0.6，砂土为0.5;

A为水位变化幅度（m）；

hp为波浪影响深度（m），设计水位以下波浪影响深度一般取1-2倍浪高；而浪高<0.5m时，波浪影响深度取1m。

hb为浪爬高度

设计高水位的浪爬高度按下式计算：

K为岸坡粗糙系数，一般取0.6

h为浪高（m），取0.5m

hs为正常高水位以上岸坡的高度（m）

α为水库水位变动和波浪影响范围内形成均一的磨蚀浅滩的坡角（°）

β为水上岸坡的稳定坡角（°）

γ为原岸坡坡角（°）

表2-1  卡丘金计算法塌岸预测结果

综合上表分析：卡丘金法计算结果表明库岸再造最大宽度为41号剖面，即酉阳大桥陡坡处，库岸再造相对宽度为80.7m。库岸再造最大相对高度为41号断面，即酉阳大桥陡坡处，库按再造高度（即正常蓄水位910m至库岸再造岸坡顶部高程差）为47.06m。

图解法分析过程：库岸再造后的岸坡可分为浅滩外缘陡坡、堆积浅滩、冲蚀浅滩、爬升带斜坡以及水上岸坡带等五段，通过作图得到上述五段岸坡，即为库岸再造的最终岸坡。

表3-2  计算角度取值

表3-3  图解法计算结果

三、结论

从采用的两种方法的计算结果来看，所得预测结果之间既存在一定程度的差别，也存在一定程度的连续。对此，将两种预测结果进行对比分析，在此基础上对蓄水后岸坡稳定性情况及库岸再造情况进行综合评价，以期尽可能得到更合理、准确的结果。

（1）对于贵新高速黄丝至酉阳段岸坡而言，两种计算方法都表明蓄水后将会出现整体或是局部的失稳破坏或库岸再造。由此可见，蓄水后岸坡出现较大规模的库岸再造将不可避免。

（2）对于大水河桥段岸坡而言，卡丘金法相对于图解法而言，在预测坍塌宽度、坍塌高度上略小于图解法，最终塌岸高度两者数值非常接近，分析其原因是因为在这段岸坡范围内，岸坡覆盖层较薄，强风化层也较薄，所以两种方法得出的结果相差不大。

（3）对于下寨中桥到潘家段岸坡而言，此类岸坡是岸坡覆盖层较薄，强风化层在5m左右，两证方法预测的结果都表明在岸坡较陡的中下部将发生库岸再造，在考虑强风化层的因素下，图解法预测结果稍大于卡丘金法，因为图解法考虑了强风化层水下稳定坡角，卡丘金法将覆盖层和强风化层统一考虑。

（4）对于潘家、保坝段岸坡而言，此类岸坡是临水坡角较陡，覆盖层厚度在2m-3m，强风化层厚度在5m-6m，两种方法预测结果相差不大，原因在于岸坡坡角较陡，水下稳定坡角引起的岸坡失稳范围相差不大，最终导致岸坡坍塌宽度、坍塌高度也相差不大。

（5）对于高填方段岸坡而言，卡丘金法预测结果偏于保守，原因是卡丘金法适用于自然岸坡较陡，且由松软匀质土体如黄土、砂土、砂质粘土等组成的库岸的塌岸预测。对于易冲刷、易软化的岩质边坡，或松散堆积物质全部被波浪或向岸流所冲走的地段，其岸边浅滩只有磨蚀部分，堆积率应取为零，此种情况下，图解法更适用于此类岸坡。

（6）对于南坳田、鱼酉、酉阳段岸坡而言，图解法预测岸坡坍塌的最大宽度可达122.24m，而卡丘金法预测宽度只有80m，但是坍塌高度却相差不大，分析其原因在于，此处岸坡坡度较缓，岸坡覆盖层松散堆积物较厚，强风化层厚度较大，更适用于图解法。在岸坡坡角较陡时，较厚的覆盖层和强风化层的作用会被消弱，致使两种方法预测的结果相差不大。

综合考虑，选取图解法预测的结果来评价贵新高速黄丝至酉阳段的岸坡再造过程。

参考文献：

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