三峡库区铁水沟库岸塌岸预测及防护措施分析

王金波，杨俭波，何钰铭，廖伟杰，陈 雪

(湖北省水文地质工程地质勘察院，湖北宜昌 443002)

三峡库区铁水沟库岸［1］位于长江三峡水利枢纽工程库首的长江左岸太平溪镇，紧邻移民居民点、居民渡船码头及三峡物流中心太平溪新港。塌岸对该地区人民生命财产和港口、公共设施将造成严重危害，影响太平溪港和长江航运的正常运营。

1 地质环境

1．1 气象水文

太平溪集镇地处中亚热带季风气候区，四季分明，雨量适中。年平均降雨量1 192．70 mm，多集中于5—9月，占全年降雨总量的70%。

1．2 地形地貌

铁水沟库岸位于黄陵背斜核部南端侵蚀剥蚀低山区，长江为本区最低侵蚀基准面。区内沟谷纵横交错，主要河流为靖江溪及其支沟铁水沟，沟谷切割深度20～100 m。沟谷及山脊岸坡自然坡角一般为10°～20°，冲沟沟头处20°～30°，局部可达40°。人工填土边坡坡高一般20～40 m、坡角为35°～40°。

1．3 地层岩性

出露地层为前震旦系变质岩和第四系松散堆积物。变质岩主要为黑云母石英闪长岩岩基、后期酸性、基性岩脉侵入体，为花岗岩脉及辉绿岩脉。第四系松散堆积物主要为人工填土、冲积及残坡积碎石土。

1．4 地质构造

区内未见大的断裂通过，由于基底受到多期构造变动的影响，各种方向的裂隙发育，主要发育6组裂隙:①N60°～70°E/SE∠60°～84°;②N41°～60°E/NW∠67°～86°;③N7°～ 12°W/NE∠23°～ 64°;④N46°～ 50°W/NE∠50°～62°;⑤N2°E/SE∠62°;⑥N82°W/NE∠84°。

2 库岸基本特征

2．1 形态特征

铁水沟库岸总体呈指状地貌，由多条近于平行、指向长江和靖江溪的山脊和冲沟相间而成，铁水沟库岸总长1 100 m(以175 m水位线为准)。共分为岩质岸坡和土质岸坡两种类型，岩质岸坡主要分布于山脊部位(2、4区，6、7区局部)，由全、强风化黑云母石英闪长岩构成，土质岸坡主要分布于原沟谷(1、3、5区，6、7区局部)，由人工填土构成(库岸分区图见图1)。

图1 铁水沟库岸分区示意图Fig．1 Schematic diagram of partition of Tieshuigou reservoir bank

2．2 变形特征

铁水沟岸坡变形破坏类型主要为:人工填土岸坡变形以下沉、拉裂、坍滑及流砂为主;全、强风化岩质岸坡以块体滑移、崩塌为主。

2．3 影响库岸稳定性的主要因素

影响库岸稳定性的因素可分为内在条件和外部因素。内在条件主要包括库岸类型、坡面形态、物质组成及结构;外部因素主要包括降雨与地表水入渗、流水冲蚀、库水位波动、浪蚀、新构造运动及地震、人类工程活动、加载等，其中外部因素为塌岸的诱发因素。

3 岸坡稳定性分析与评价

3．1 岸坡稳定性定性评价

人工填土岸坡，上部坡度较陡，多在35°～40°间，由于库水的浸泡及浪蚀作用，整段库岸发生多处明显下座、崩塌现象，现处于不稳定状态。岩质岸坡整体稳定性较好，仅坡体表层在侵蚀、剥蚀作用下产生小规模块体滑移、崩塌。

3．2 岸坡稳定性定量评价

计算模型采用工程地质纵剖面图为原型，本次计算取库岸岩土分界面坡度最大剖面(3-3'剖面)进行坡体整体稳定性计算(见图2)，并取填土厚度最大剖面(5A-5A')搜索最危险滑面(见图3)。稳定性计算结果表明，库岸在水库水位175 m、175 m回落至145 m期间、145 m 三种工况下，稳定系数为 1．177 ～1．704，均处于稳定状态。但库岸表层填土在库水的浸泡及浪蚀作用下，稳定系数为0．916～1．031，有下座、崩塌变形的可能。

图2 3-3'稳定性计算模型Fig．2 Calculation model of stability 3-3'profile

图3 5A-5A'剖面前缘稳定性计算模型(搜索最危险滑面)Fig．3 Calculation model of stability 5A-5A'profile

4 塌岸预测评价

4．1 预测方法

目前预测水库库岸再造规模的方法很多，本次铁水沟库岸再造预测采用较为简便而通用的佐洛塔廖夫法和计算法［2］。

4．1．1 佐洛塔廖夫法

佐洛塔廖夫法的基本原理是选取不同类型岩土的枯水位—洪水位作用区间(包括其上下一定坡段)，做出实测或图切地形地质剖面，确定相应岩土层河岸作用带的稳定坡角，以此坡角预测不同库水位条件下(主要是水位变幅带及其上下一定范围的坡段)不同岩土层新的稳定坡角和坡形，进而获得库岸再造的最终宽度与高程。佐洛塔廖夫法预测塌岸图解见图4。

图4 佐洛塔廖夫法预测塌岸图解Fig．4 Diagram of Zolotaleov method

佐洛塔廖夫法预测的具体步骤如下:

(1)绘制出预测地点的地形地质剖面。

(2)标出水库正常高水位线与水库最低水位线。

(3)由正常高水位向上标出波浪爬高线，爬升高度hB可取一个波高。

(4)由最低水位向下，标出波浪影响深度线。影响深度hp取1/3～1/4波长，粘性土应大一些，砂土小些。

(5)在波浪影响深度线上选取a点，该点位于堆积浅滩带与浅滩外缘陡坡带之转折点处，该点的选取应使堆积系数Ka之值与图中所列数值相符。

(6)由a点向下，根据浅滩堆积物的岩性绘出外缘陡坡，使之与原斜坡线相交，其稳定坡度α1:粉细砂土和粘性土为＜8°～12°，卵石层和粗砂土为 ＜18°～12°。由a点向上绘出堆积浅滩的坡面线，与原斜坡线相交于 b点，其稳定坡度 α2:细粒砂土为1°～1．5°，粗砂小砾石为3°～5°。

(7)由b点作冲蚀浅滩的坡面线，与正常高水位线相交于c点，其稳定坡度α3:视b、c间岸坡岩性而定。

(8)由c点作波浪爬升带的坡面线，与波浪爬升高度水位线相交于d点，其稳定坡度α4按图1法采取。

(9)绘制水上岸坡坡面线de;α5据自然坡角确定。

(10)检验堆积系数与经验数据是否相符，如不符则向左或向右移动a点并按上述重新做图，直至适合为止。

4．1．2 计算法

计算法基本原理是:在系统、准确地分析岸坡特征(岩土体构成、物质特性、形态参数、库水位变动幅度等)的前提下，结合实测剖面，查找相关参数表，然后将其代入符合该类库岸特性的塌岸最终宽度计算公式中，求得最终塌岸宽度数值。

最终塌岸宽度的公式为(计算时按均质库岸考虑，见图5、图6):

式中:St为塌岸带最终宽度(m);A为库水位变化幅度(m);N为与土的颗粒大小有关的系数;hp为波浪冲刷深度(m);hB为浪击高度或浪爬高(m);H为正常蓄水位以上岸坡高度(m);α为浅滩冲刷后水下稳定坡角(°);β为岸坡水上稳定坡角(°);γ为原始岸坡坡角(°)。

图5 均质陡岸的塌岸宽度预测图Fig．5 Forecast map of width of bank collapse about homogeneous steep bank 1．正常高水位;2．消落水位。

图6 波高与各种土的浅滩坡角α的关系Fig．6 Relation of wave height and slope angle of shoal

4．2 预测参数的选定

4．2．1 风速的确定

所需风速采用《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)中基本风压推算求得。

风浪计算所需的风速U即求得的平均最大风速。

4．2．2 “有效吹程”的确定

在有限水域中，由于风区宽度所起的限制作用，在决定吹程时，应采用“有效吹程”进行计算。

式中:F有效为有效吹程;ri为计算点至对岸线的距离;αi为射线与风向的夹角;xi为每条射线ri在风向上的分量。

4．2．3 波高、波长及波周期的确定

根据上述所确定的风速及有效吹程，波高、波长及波周期按官厅水库公式确定如下:

4．2．4 风浪爬高的确定

爬高计算公式采用蒲田试验站公式:

式中:KΔ为斜坡的糙率渗透性系数;KW为经验系数。

上述浪高值尚未考虑行船产生的波浪因素，鉴于本库岸位于三峡水库永久船闸引航道及太平溪新港岸坡，过往船只频繁，故需将行船产生的波浪与风浪叠加。

4．2．5 各类坡角的确定

本次勘查采用地质调查、室内试验与图解相结合的方法，对水库运行期死水位(145 m)、调节水位(即水位变动带)、正常高水位(175 m)时岸坡区岩土体水下稳定坡角和水上稳定坡角进行了统计，结合佐洛塔廖夫推荐的经验数据，确定了用于预测岩土体稳定的坡角。

4．3 塌岸预测结果

根据上述预测方法，在正常蓄水条件下，铁水沟库岸各库岸段塌岸预测范围及规模见表5。塌岸预测典型剖面见图7。

预测成果表明，在库区水位长期145～175～145 m间往复运行时，岸坡最终塌岸宽度为11．07～133．80 m，其中库岸5区塌岸最为强烈，宽度达133．80 m。人工填土库岸塌岸进程快，岩质库岸塌岸主要在全、强风化带中，其进程较慢。

表5 正常蓄水(145～175 m)塌岸预测Table 5 Bank collapse prediction of normal storage(145～175 m)

图7 塌岸预测典型剖面图Fig．7 Typical profile of bank collapse prediction

5 防护措施

根据铁水沟库岸现场调查及塌岸预测结果，土质岸坡塌岸约占塌岸总方量的93．86%，岩质岸坡影响较小。铁水沟库岸防护工程仅针对土质岸坡进行，岩质岸坡不采取防护措施。防护措施为:坡面整形+干砌石护坡+格宾石笼压脚+浆砌石排水沟+马道+监测工程［3］。

首先对土质岸坡进行坡面整形，每15 m高设一级马道，坡面采用干砌石护坡，坡脚设格宾石笼压脚，坡肩及坡面两侧分别设置横纵排水沟［4］。

6 主要结论

铁水沟库岸紧临三峡大坝，根据库岸稳定性分析，库岸在水库水位175 m、175 m回落至145 m期间、145 m三种工况下，均处于稳定状态。但库岸表层填土在库水的浸泡及浪蚀作用下，有下座、崩塌变形的可能。

塌岸预测成果表明，正常蓄水条件下，土质岸坡塌岸方量较大，塌岸物质一旦汇入邻近太平溪港及永久船闸上游航道，将对航道形成堵塞;岩质岸坡影响较小。

库岸防护工程主要针对填土岸坡进行，库岸防护将会防止库岸再造，维护坡面设计形态，有效消除或减少影响库岸坡体稳定性的不利因素，有利于当地的规划建设发展及当地经济建设，有利于该地区居民安居乐业和社会和谐稳定。

［1］ 郭峰，王金波，雷深涵，等．湖北省三峡库区后续地质灾害防治夷陵区铁水沟库岸勘查报告［R］．宜昌:湖北省水文地质工程地质勘察院，2012．

［2］ 三峡库区地质灾害防治工作指挥部．三峡库区地质灾害防治工程地质勘查技术要求［M］．武汉:中国地质大学出版社，2014．

［3］ 郭峰，王金波，雷深涵，等．湖北省三峡库区后续地质灾害防治夷陵区铁水沟库岸防护工程施工图设计［R］．宜昌:湖北省水文地质工程地质勘察院，2012．

［4］ 三峡库区地质灾害防治工作指挥部．三峡库区地质灾害防治工程设计技术要求［M］．武汉:中国地质大学出版社，2014．