库区陡峻土质岸坡路基塌岸预测

王 哲

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 道路交通设计研究院，湖北 武汉 430063）

0 引言

西部山区深切峡谷内水利资源丰富，近10年来，水电站开发建设速度加快，库区新建或改建公路已成为地方路网建设的重要组成部分，建设规模和难度较以往有很大程度提高。相对于一般山区公路，库区复建公路主要特点有：1、地形条件复杂。由于大坝建设选址的需要，库区一般多位于深切峡谷内，地形陡峻，施工难度大。2、道路线型的限制因素较多。拟建公路的设计高程受蓄水位的控制，为便于施工，路面设计高程与最高蓄水位高差一般为10～30m，线路纵坡的调整余地较小，平面参数取决于等高线走势，平面线型依山就势布置，以避免深切路堑、大规模傍山隧道的增加，诸多因素限制而缺少具有比较价值的路线走向方案。3、地质条件复杂，地质构造运动期次繁多、尤其是重力地质现象发育，崩塌、滑坡、泥石流频繁。其中陡峻土质岸坡的路基塌岸现象就是极具代表性的库区道路工程地质问题之一。这类陡峻土质岸坡一般为坡积、崩塌等成因，由硬质岩碎石、角砾等粗粒物质堆积而成，其自然坡角往往接近于临界稳定坡度，坡面几何形态平直，无明显转折点，对于这类土质岸坡的塌岸问题，常规图解法的预测结果往往与实际情况间存在较大误差。

1 常规图解法［1-3］

水库塌岸的常见模式有冲蚀坍塌型和滑移型两类。冲蚀坍塌型受作用于波浪和岸流：波浪产生巨大冲击力撞击岸坡，使其遭受破坏而后退，而岸流引起的水流带动沉积物移动，使边岸遭受掏蚀崩落，冲蚀坍塌型一般发生于天然状况下处于稳定状态的土质岸坡。滑移型塌岸是指天然状况下处于临界稳定的库岸在地下水和地表水动力作用下，沿某一相对软弱层带发生大规模的整体滑移破坏，这类塌岸的内因在于其利于滑移的岸坡结构，水流对坡体的软化、水位变化时渗透力的作用诱发了整体滑移，多发生于已经存在的古滑坡或处于临界稳定状态的土质岸坡。两类塌岸的成因和计算分析模式差别较大。本文中的理论方法和预测实例均只针对第一类塌岸，即冲蚀坍塌型。

图1 “图解法”预测塌岸Fig.1 Diagrammatizing embankment failure

适用于冲蚀坍塌型塌岸的常规图解法如图1。α为土层水下磨蚀角（°），β为天然状况下考虑内聚力的土层综合内摩擦角（°），θ为自然岸坡坡角（°），hp为波浪影响深度（m），hB为浪爬高度（m），hs为最高水位以上塌岸高度（m），A为水位变幅带高度（m），S为最终塌岸宽度（m）。

由图1可见，图解法适用于前陡后缓的自然岸坡。若自然岸坡剖面形态顺直，且坡度接近于天然休止角，预测塌岸宽度与现实情况相去甚远，甚至出现图解极难收敛的情况（图2）。

2 考虑土体胶结的图解法

根据类比调查，土质岸坡塌岸的后缘均存在一定高度的垂直陡壁。由土力学理论可知，考虑内聚力的竖直土坡的临界高度：

式中：h0——竖直土坡临界高度（m）；

c——土的内聚力（kN）；

γ——土的重度（kN/m3）；

Ka——主动土压力系数。

由于塌岸后缘临界高度陡壁的客观存在，在原始地面线与塌岸线的高差等于临界土坡高度处，塌岸即终止，实际塌岸范围较常规图解法更小。如图2～图3，天然休止角越趋近于原始地面坡度，常规图解法解得的塌岸宽度S1和考虑土体胶结的塌岸宽度S2差值越大。

图2 常规图解法：S1难收敛Fig.2 Ordinary diagramm atizing-No convergence for S1

根据图4所示几何关系：可求得考虑土体胶结的情况下，道路中线离塌岸边缘的宽度S2，及中线处的塌岸深度h。

图3 考虑土体胶结：S2＜＜S1Fig.3 Consolidation diagramm atizing-S2＜ ＜S1

此时，h取值分两种情况，

当S2≥0时，

式中：a——中线处地面高程与最高运行水位的高差（m）；

其他符号意义同前。

3 库区陡峻土质岸坡塌岸预测实例

3.1 工程概况

西南山区某水电站库区淹没复建公路，在K23+500～K24+150段以路基通过。该路段为厚层坡洪堆积体，最大厚度约30～40m。该段堆积体分布于大渡河右岸约1563m高程以上，沿大渡河方向展布宽度约650m，顺坡纵向长度约430～500m。堆积体自然坡度平均约为35°，坡面较为平整，坡度变化不大。钻孔揭示，典型断面处堆积体厚度约33m。由于水库蓄水后将淹没至路线设计高程以下约20m处，由抗冲刷能力较弱的土石构成的岸坡在波浪掏蚀作用下，其稳定性会受到影响，有可能产生渐进性的坍塌破坏，对公路安全运营造成威胁。

图4 顺直岸坡路基塌岸预测图示Fig.4 Diagram of embankment failure in straight slope

3.2 塌岸预测

钻孔揭示，堆积体的物质组成以混合岩质的碎石土为主，与砾石土形成粗、细相间的不等厚互层韵律，由于堆积年代久远，碎石间存在一定程度胶结（图5，图6）。

图5 工程地质平面图Fig.5 Geologic plan

根据调查，并类比近似地质条件的库岸，综合确定各计算参数：垂直陡坎高度h0取10.0m，天然休止角β取39°，堆积体的水下磨蚀角α约比天然休止角小13°，取26°。冲刷深度hp取2.0m，浪爬高度hB取1.5m。

图6 典型（Ⅱ －Ⅱ’）剖面图Fig.6 Typic II－II’section

其中，浪爬高度计算如下：

式中：K——跟岸坡表面糙度有关的系数，砾石质岸坡取0.85～0.90；

hB——浪爬高度（m）；

hw——浪高（m）；

W——风速（m/s）；

L——风的吹程（km）。

经计算，在无治理措施的情况下，常规图解法计算出的塌岸宽度约176.4m，考虑土体胶结的图解法解算出塌岸趋于稳定的边界在道路中线内侧85.2m，比常规图解法求解小91.2m，中线处的塌岸深度18.2m，根据对现场的调查，改进的图解法更为符合塌岸的真实情况。

3.3 塌岸因素敏感性分析

塌岸的范围主要决定于天然休止角、水下磨蚀角与水位变幅，分别对各因素的敏感性分析如下：

由表1可见，（1）不同磨蚀角组合的情况下，普通图解法求解塌岸宽度为50～1090m，考虑土体胶结的图解法求解的塌岸宽度均远小于普通图解法，更为贴合实际情况；（2）由于顺直岸坡坡面无平缓台阶，中线离塌岸边缘的宽度S2受天然休止角与水下磨蚀角的影响较大，塌岸宽度与自然坡度和天然休止角的差值呈幂指数关系增加。

天然休止角与距中线塌岸宽度、中线塌岸深度的相关曲线相关关系见图7、8。

水下磨蚀角与距中线塌岸宽度、中线塌岸深度相关关系见图9、10。

表1 不同 β-α 组合预测情况（θ =35°，β-α =13°）Table 1 Prediction of differentβ-α group（θ =35°，β-α =13°）

图7 天然休止角－距中线塌岸宽度（α=26°）Fig.7 The relationship betweenβand S2

由图7～图10可见：距中线塌岸宽度S2与天然休止角和水下磨蚀角密切相关，当天然休止角与坡角接近（26°）时，天然休止角增加1°，可使塌岸宽度减小约172m，而天然休止角与自然坡角的差值越大，塌岸宽度受天然休止角的影响逐渐减小；塌岸宽度与水下磨蚀角呈近线性关系，水下磨蚀角每提高1°，塌岸宽度减小约30m，当水下磨蚀角为30°时，塌岸最终范围将在路基外侧；中线塌岸深度h受天然休止角的影响极小，本例中中线处于水下塌岸线范围，所以天然休止角无论取何值，塌岸深度均保持不变；塌岸深度主要受水下磨蚀角控制，水下磨蚀角每提高1°，塌岸深度减小约2m。因此，加固措施中，提高水位变幅带内土体的内摩擦角，是一种可以尝试的治理思路。

图8 天然休止角－中线塌岸深度（α=26°）Fig.8 The relationship betweenβ and h

图9 水下磨蚀角－距中线塌岸宽度（φ=39°）Fig.9 The relationship betweenα and S2

图10 水下磨蚀角－中线塌岸深度（φ=39°）Fig.10 The relationship betweenαand h

水位变幅与距中线塌岸宽度、中线塌岸深度相关关系见图11、12。可以看出，塌岸宽度随水位变幅的减小线性减小，本例中，水位若水位变幅＜20m时，最终塌岸范围在路基外侧，将不影响道路安全。通过合理的库水运行调度，可以一定程度减小路基塌岸的范围。

图11 水位变幅－距中线塌岸宽度（φ =39°，α =26°）Fig.11 The relationship betw een A and S2

图12 水位变幅－中线塌岸深度（φ =39°，α =26°）Fig.12 The relationship between A and h

本实例中，中线地面高程和最高运行水位高差，与距中线塌岸宽度、中线塌岸深度相关关系见图13、14。可以看出，塌岸宽度受中线塌岸深度与中线地面高程和最高运行水位高差影响不大，亦即，在一定范围内抬高公路线位，对于控制路基塌岸的效果并不明显。

4 结论

山区顺直陡峻岸坡塌岸采用考虑土体内聚力的图解法较普通图解法的塌岸预测宽度大大减小，有效避免解算难以收敛的问题，更为符合塌岸的真实形态。通过预测实例的分析发现：天然休止角的提高可大幅减小塌岸范围；通过灌浆等办法对岸坡进行处理使水下磨蚀角提高，则可有效减小塌岸深度；合理调节运行水位变幅，对控制塌岸范围和深度较为理想；而通过小范围抬高公路线位来控制塌岸的效果并不明显。对于陡峻岸坡路基塌岸的治理应在认真分析塌岸影响因素后，灵活而有针对性地采取最为经济有效的措施。

图13 中线处地面高程与最高水位高差－距中线塌岸宽度（φ=39°，α =26°）Fig.13 The relationship between a and S2

图14 中线处地面高程与最高水位高差－中线塌岸深度（φ =39°，α =26°）Fig.14 The relationship betweenαand h

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