丹江口库区某库岸工程稳定性分析及治理措施

2016-03-15孟照蔚孟兆凯程心意张石虎长江岩土工程总公司武汉湖北武汉43000黄岛区灵山卫街道办山东青岛6647

水利水电快报 2016年12期

孟照蔚孟兆凯程心意高健张石虎(.长江岩土工程总公司(武汉)，湖北武汉 43000； .黄岛区灵山卫街道办，山东青岛 6647)

地质与勘测

孟照蔚1孟兆凯2程心意1高健1张石虎1
(1.长江岩土工程总公司(武汉)，湖北武汉 430010； 2.黄岛区灵山卫街道办，山东青岛 266427)

为了保证库区人民正常生产生活，有必要对受蓄水影响的基础设施及库岸进行防护。介绍了丹江口库区某库岸工程地质条件、岸坡特征，对其典型剖面进行稳定性计算。通过采用回填压脚、顶部削坡减载、混凝土预制块护坡等综合治理措施，使库岸整体稳定性得到提高，为库区地灾治理提供了一种思路。

库岸；稳定；稳定性分析；治理措施；丹江口水利枢纽

丹江口库区地形较破碎，环境容量有限，库区内安置居民点在场平过程中不可避免存在大挖大填问题，虽然住房多位于较为稳定的岩土体上，但受场地限制，一些基础设施难免位于距离库岸较近的填土之上。水库正常运行后，水位抬升达13 m，涨落频度加大，使库岸工程地质和水文地质条件发生改变，导致整体稳定性降低。

该库岸工程位于丹江口市牛河林区居民点西侧，岸坡长约300 m，最大坡高41 m，坡度30°～40°，原岸坡主要为岩质岸坡，局部岸坡表层分布有厚度小于2 m的残坡积层。现岸坡在居民点建设过程中形成，岸坡物质来源主要为居民点场平弃渣，原岩主要为强～弱风化片岩，其次为残坡积土。场平弃渣随机回填于地形相对低洼地带，从而形成现在的土质岸坡与土岩复合岸坡相间的新型岸坡。人工堆积层最大厚度约12 m，上面建有居民点对外交通道路。

目前，库岸整体基本稳定，水库蓄水后，最大淹没深度约22 m。由于库水浸泡，将造成人工堆积层强度降低，可能产生滑移变形；同时在库水冲刷下，岸坡将坍岸后退，危及居民点临水侧道路及民房安全，影响居民点生产生活。由于该段库岸淹没深度较大，蓄水后治理难度增加，因此，有必要在蓄水前对其进行工程治理。

1 基本地质条件

工程区在大地构造上位于秦岭褶皱系东南缘，跨北大巴山加里东冒地槽褶皱带及南秦岭印支冒地槽褶皱带，东部紧邻南阳—襄阳坳陷。工程区总体处于相对稳定的地块上。区内出露岩体总体呈单斜构造，岩层总体倾北东，倾角一般49°～75°。工程区未见断层发育。现场调查表明，工程坡区内裂隙不发育且规模不大。

工程区内地貌类型主要为丘陵。原始地形总体为两丘一沟，冲沟总体呈南北走向，沟长约300 m，沟底宽30～45 m，横断面上均呈宽缓“U”形。居民点位于东侧丘陵之上，场平后地形平坦。

工程区内出露及勘探揭露地层由中元古界(Pt2)石英片岩和第四系(Q)松散堆积物组成。

2 岸坡特征

库岸地质结构主要为土岩复合岸坡以及土质岸坡。岸坡物质来源主要为居民点场平弃渣，粒径大于5 mm的碎石含量在70%左右，原岩主要为强～弱风化片岩，其次为残坡积土。根据地质结构将库岸分为5段，自南向北分别为：土质岸坡(第①段)、土岩复合岸坡(第②段)、土质岸坡(第③段)、土岩复合岸坡(第④段)、土质岸坡(第⑤段)。各段岸坡特征分述如下。

(1) 第①段。该段岸坡长130 m，为土质岸坡，最大坡高约30 m，平均坡度约37°。该段岸坡坡面均为人工堆积层(Qml)：坡眉表面有少量杂填土，由建筑垃圾或生活垃圾等形成，厚度小于1 m；下部由碎石土、碎块石等素填土组成，厚2～12 m，多为建筑场平填土。覆盖层下伏中元古界石英片岩(Pt2)。

(2) 第②段。该段岸坡长60 m，为土岩复合岸坡，最大坡高约35 m，平均坡度约35°。该段岸坡坡面上部为人工堆积层(Qml)，由碎石土、碎块石等素填土组成，厚1 m左右，最厚约3 m，多为建筑场平填土；坡面中下部基岩出露，为中元古界石英片岩(Pt2)。

(3) 第③段。该段岸坡长30 m，为土质岸坡，最大坡高约40 m，平均坡度约29°，坡上部较陡，最大达46°。该段岸坡坡面均为人工堆积层(Qml)：坡眉表面有少量为杂填土，由建筑垃圾或生活垃圾等形成，厚度小于1 m；下部由碎石土、碎块石等素填土组成，厚1～7.8 m，为建筑场平填土。覆盖层下伏中元古界石英片岩(Pt2)。

(4) 第④段。该段岸坡长23 m，为土岩复合岸坡，最大坡高约40 m，平均坡度约32°。该段岸坡坡面上部为人工堆积层(Qml)：由碎石土、碎块石等素填土组成，厚1 m左右，最厚约4 m，为建筑场平填土；坡面中下部基岩出露，为中元古界石英片岩(Pt2)。

(5) 第⑤段。该段岸坡长54 m，为土质岸坡，最大坡高约35 m，平均坡度约40°。该段岸坡坡面上部为人工堆积层(Qml)：由碎石土、碎块石等素填土组成，厚1.2～10.0 m，为建筑场平填土；覆盖层下伏基岩为中元古界石英片岩(Pt2)。

3 稳定性分析与评价

3.1 库岸变形影响因素

(1) 滑移变形。水库蓄水后填土的强度降低，库岸稳定性亦随之降低，可能导致库岸失稳。失稳一般首先从坡脚开始，进而影响到整个岸坡，因此，预测其失稳形式为牵引式土体滑移变形。此外，土质岸坡坡表土体受到雨水浸泡时，土体强度迅速降低，加之岸坡地形较陡，亦可能导致局部土质岸坡垮塌。

(2) 库岸再造。水库运行过程中，由于水位升降变化，加之风浪的共同作用，水上岸坡及水下浅滩反复不断地演变和再造，直到形成相对稳定的岸坡。

库岸再造预测中，坡角地质类比法是应用最广的一种方法[1]，其基本思路为：在系统分析库岸地质环境及地质条件的基础上，根据工程地质条件相近的邻近河谷岸坡形态参数(包括水下、水上、水位变幅带的侵蚀、堆积稳定坡角统计值等)类推水库蓄水后相应水位作用带的最终稳定坡角。然后以库岸不同高程的稳定坡角为基础，用图解法求取蓄水运行后的最终坍岸宽度。

根据库岸物质组成，回填土库岸再造水上取25°，水下取15°，当基岩与覆盖层接触面分别大于25°或15°时则取基岩面。库岸再造宽度最大43 m。库岸再造最大影响范围涉及到居民点西侧的道路。

3.2 稳定性计算

根据《水利水电工程边坡设计规范》(SL386—2007)[2]、《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2000)[3]，确定建筑物级别为三级，危害程度为较严重，岸坡的级别为四级，确定岸坡稳定性计算工况及对应的安全系数设计值如表1所示。

表1 库岸计算工况及相应的安全系数

3.2.1 计算方法

根据库岸的岩土物理力学特性，采用圆弧滑动法进行稳定性计算。计算软件采用北京理正《边坡稳定分析程序》(以下简称理正岩土)，计算方法采用简化Bishop条分法进行稳定性计算，计算简图见图1，计算公式：

(1)

(2)

表2 岸坡土体力学性质指标

图1 圆弧滑动计算示意

式中，Wi为垂直荷载，包括土条自重和其上部的建筑荷载。其中，自重可将其分为两部分，地下水位以上用湿容重计算，设为Wi1；地下水位以下用饱和容重计算，设为Wi2。其他垂直荷载，设为Pi。假设自重的作用线通过条块宽度的中心线。ui为剪切面上的孔隙水压力的合力，与剪切面正交。c′,φ′为剪切面抗剪强度(有效应力指标)。αi为土条地面倾角。

3.2.2 计算参数

据试验成果并结合地区工程经验，库岸土体力学性质指标见表2。

3.2.3 计算结果

选取库岸典型剖面进行计算，2-2′、 7-7′剖面分别位于第①段、第⑤土质岸坡，其安全系数计算结果见表3。

表3 库岸典型剖面安全系数计算结果

3.3 稳定性评价

据稳定性计算分析，对于第①、③、⑤三段土质岸坡，天然状态下基本处于极限平衡状态。当水库蓄水至170 m(吴淞高程)，岸坡坡脚在库水侵蚀下，处于不稳定状态，可能产生滑移破坏，影响居民正常生产生活，因此需对现土质岸坡进行治理。

对于第②段和第④段土岩复合岸坡，库水淹没线以下主要为基岩。水库蓄水后，预测岸坡总体稳定，强风化岩在库水作用下，浅表层将产生侵蚀，剥蚀型轻微库岸再造。

4 防护措施

水库蓄水后填土的强度降低，库岸稳定性随之降低，可能导致产生滑移变形。由于坡顶有居民房屋和公路等对象，且距库岸坡眉较近，不具备大规模削方放坡的条件，因此治理措施考虑回填压脚、坡顶局部削坡减载及坡面防护的综合方案。治理的范围主要是3条冲沟所在区域(即第①、③、⑤段)，对于基岩出露库岸不进行防护。该方案施工方便，工期可得到保证。通过治理后，不仅可以有效控制岸坡土体滑移变形，也可防止库岸再造。

坡顶至178.50 m坡比为1∶1.75，以削坡为主；高程178.50～171.00 m坡比为1∶2.0，以回填为主，局部削坡；高程171.00～154.00 m回填坡比为1∶2.25；高程154.00m至坡脚，回填坡比为1∶2.5。在高程178.50，171.00 m和162.00 m各设置3 m宽马道，在154.00 m处设置4 m宽马道。

根据计算成果，4-4′剖面至7-7′剖面段土体圆弧容易从坡脚第四系坡洪积层剪出，所以在坡脚回填之前，对局部坡洪积层进行开挖换填。坡脚换填开挖坡比为1∶2.0，开挖换填至143.00 m，同时为增加坡脚抗滑力，整体回填至147.00～149.00 m左右。

考虑库水位对岸坡再造的影响，高程171.00 m以下坡面采用混凝土预制块护坡，混凝土预制块护坡采用C20混凝土预制块干砌。高程171.00 m以上坡面为生态护坡，采用六边形镂空混凝土预制块护面，并回填沃土。

典型剖面设计见图2，3。治理后典型剖面安全系数见表4。