鲁地拉水库涛源金沙江大桥段库岸稳定性评价

罗红星，徐伟然,2

(1.云南省交通投资建设集团有限公司，昆明 650200；2.云南大永高速公路有限公司，云南 大理 671000)

0 前 言

库岸稳定问题是水利水电工程安全与环境研究领域具有悠久历史的基础科学问题之一，是人类对于水资源兴利除弊方面的重要挑战，众多工程技术人员与学者长久以来想弄清楚并量化科学评估，努力做到避免其在时间作用下威胁到工程建构筑物。因此，库岸稳定性评价是涉水工程亟需解决的工程基础问题。

当前对于库岸破坏机制和稳定性计算与评价的研究主要集中在以下几个方面：①利用历史长观资料，研究库岸侵蚀机理和塌岸速度及宽度[1-6]；②利用室内和现场模型试验，揭示塌岸机理和预测塌岸宽度[7-12]；③利用数值模型和理论计算方法，预测塌岸范围和变形破坏机理[13-17]。总体而言，对于重要工程，还需要借助水力学模型试验，对其进行评价；目前尚未有统一的计算理论和方法，多数为地区经验公式。本文以涛源金沙江大桥跨越鲁地拉水库地段库岸为研究对象，利用历史库岸调查、塌岸宽度预测经验公式和slide极限平衡法等定性和定量相结合的方法，评价库岸稳定性，探讨库岸稳定和工程结构的相互影响机制，建议最优选址方案，并给出兼顾整体和局部稳定、当前与长期稳定的工程建议措施。

1 工程概况及计算方案设计

1.1 涛源金沙江桥桥址工程地质条件简介

涛源金沙江大桥位于华丽高速公路K76+307处，为跨越金沙江所设，是整条路线的控制性工程之一。桥址区有省道(S220)及通村公路通达，交通条件便利。桥位处地势起伏较大，为典型的“V”形河谷地段，河谷内为鲁地拉电站蓄水库淹没区，江面宽度约400 m，永胜岸为陡坡接隧道，大理岸地势较缓，接路基。桥梁跨径布置为(70+150+550+150+70) m，桥梁全长1 001 m(含两岸桥台)。涛源金沙江大桥轴线为南北向，南岸为大理岸，位于涛源镇永德医院东侧上方的缓坡阶地上，起点里程K75+732；北岸为永胜岸，位于寨子村东上侧的金沙江大转弯凸出山嘴上，止点里程K76+668，桥址及剖面位置平面图见图1。

图1 桥址及剖面位置平面图Fig.1 Plan of the Taoyuan bridge site and profile

拟建桥址区高程介于1 180～1 280 m之间，属构造侵蚀堆积地形地貌区；小里程大理岸地表为坡地，大里程岸永胜岸地表为裸露突兀小山脊。

拟建桥址区范围内地层岩性十分复杂，自上而下分别如下：①第四系全新统崩坡积层(Qcol+dlh)，粉质黏土、红黏土(单元层代号为①-1)，角砾土(单元层代号为①-2)，碎石土夹块石(单元层代号为①-3)，块石(单元层代号为①-4)。②第四系更新统冲洪积层(Qal+plp)，粉质黏土(单元层代号为②-1)，粉细砂土(单元层代号为②-2)，粉土(单元层代号为②-3)。泥盆系(D2)，灰岩夹泥质灰岩(单元层代号为②-3)，未钻穿。桥轴线、索塔和历史主滑斜剖面工程地质纵断面揭示的地层空间关系见图2。

图2 典型工程地质纵断面图Fig.2 Typical engineering geologic profiles

根据勘察土工试验成果、原位测试(标准贯入试验及动力触探试验等)、数值反分析并结合工程类比，综合确定各岩土层的主要物理力学指标见表1。

本项目地处扬子亚板块之盐源～丽江陆缘拗褶带。地表构造线以南北走向为主，北西向与北东向次之。在边界断裂或板内差异活动明显的程海断裂上常发生6级以上强烈地震，形成小江、通海～石屏、中甸～大理和南华～楚雄等强震带。据历史记录，区内曾发生过5.0级以上地震30余次、6度以上地震近20次、7级大地震2次。公元1550年永胜地震达7.25级、1915年永胜地震烈度达10度，为滇西地区之冠，1925年3月16日大理7.1级地震(波及凤仪、弥渡、祁云、宾川、蒙化、邓川等7县，纵100余km，横40余km)，1996年2月3日丽江7级大地震。

表1 主要岩土层计算参数建议值Tab.1 Computing parameters for main strata

根据《中国地震动参数区划图》GB18306-2015，测区地震动峰值加速度为0.30 g，地震动反应谱特征周期期0.45 s，与之对应的地震基本烈度为Ⅷ度。

拟建桥址区主要地表水为鲁地拉水库，地下水为上部土层的松散孔隙水，以及下部灰岩岩层中的基岩裂隙水或岩溶水。

1.2 鲁地拉水库运行情况简介

鲁地拉水电站位于云南省大理州宾川县与丽江地区永胜县交界的金沙江中游河段上。电站正常蓄水位1 223 m，总库容17.18 亿m3，电站总装机容量2 160 MW，装设6台单机容量360 MW的混流式水轮发电机组，属一等大(1)型工程。

K76+000～+600段以涛源金沙江大桥跨越金沙江河谷及鲁地拉水电站水库淹没区，该涛源金沙江大桥距离下游鲁地拉水电站坝址约21 km。库水位年变化幅度在10 m以内。

1.3 计算工况设计

库岸稳定性的计算与评价共包括两部分：①水库塌岸预测；②库岸边坡稳定性评价。现将该部分研究涉及的计算方法、计算理论和评价标准，论述如下。

1.3.1 水库塌岸预测

库岸再造是一个十分复杂的地质历史过程,受诸多因素的控制和影响,塌岸预测难度很大，经验方法众多，本文选择王跃敏提出的适用于我国南方山区的峡谷型水库的两段法进行塌岸宽度预测，其原理见图3。

图3 两段法预测塌岸宽度图解Fig.3 Diagram of Two-segment method for bank slump width prediction

以原河道多年最高洪水位与岸坡交点A为起点, 以α为倾角绘出水下稳定岸坡线, 该线延伸至设计洪水位加毛细水上升高度的高程点B, 再以B点为起点, 以β角为倾角绘出水上稳定岸坡线, 该线与原岸坡的交点C即为水上稳定岸坡的终点。水上稳定岸坡线的起点B的高程所对应的原岸坡点D与该线终点C之间的水平距离, 即为“两段法”预测的坍岸宽度Sk,使用“两段法”首先要解决以下问题:

(1)从水库的洪、枯水面线图及回水曲线图中, 准确地计算出各库岸段的设计洪水位, 确定沿库岸的最高淹没边界；

(2)对岸坡地层取多组试样试验, 以得出较准确的c、φ、γ、γs、H′试验结果, 确保β、α计算准确；

(3)对条件相似的水库资料, 应现场调查、收集多组β、α数据, 再与计算出的数据比较选用。

通过综合计算法计算水上稳定坡角，用增大内摩擦角的方法来考虑凝聚力c的影响，用式(1)计算φ0。

φ0=arctan[tanφ+c/(γH)]

(1)

经过王跃敏的研究，其推荐的不同土性和岩性的物理力学性质下的水下稳定坡角统计列于表2。

表2 水下稳定坡角调查结果统计表Tab.2 Statistical table of underwater stable slope angle

1.3.2 再造库岸边坡稳定性计算

库岸边坡等级参考公路路基设计规范(JTG D30-2015)以及相关的滑坡防治工程技术要求，并考虑其可能造成的危害及对涛源金沙江大桥基础的影响，边坡防治等级拟定为1级边坡。

计算采用《公路路基设计规范》JTG D30-2015推荐的极限平衡法，对于圆弧滑面，采用简化Bishop法；对于非圆弧滑面，采用严格满足力和力矩平衡的Morgenstern-Price法。

边坡安全控制标准，参考《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)中高速公路、一级公路的路堑边坡相关要求以及相关滑坡防治工程技术要求，并考虑其可能造成的危害大小，拟定为1级边(滑)坡，其安全系数控制标准为1.20～1.30。参考水利行业标准《水利水电工程边坡设计规范》(SL386-2007)，按一级边坡考虑，库水骤降条件下边坡安全系数为1.20～1.25。对于地震荷载下边坡安全系数控制，《公路工程抗震规范》(JTG B02 2013)规定，高速公路路基边坡高度大于20 m的，边坡抗震稳定安全系数不应小于1.15；边坡高度小于等于20 m的，边坡抗震稳定安全系数不应小于1.1。

计算工况分为3类，①自然条件：考虑包括岩土体自重、孔隙水压力和作用在边坡表面的外荷载。②库水骤降：考虑库水由正常蓄水位降低5 m和10 m两种情况。③地震作用：依据场区地震评价结果，地震工况下水平地震加速度取0.3 g。地震荷载依据公路工程抗震设计规范处理方法如下：

Ens=CiC2KnGs

(2)

式中：Ens为水平地震荷载；Ci为重要性修正参数，取Ci=1.3；C2为综合影响系数，C2=0.25；Kn为水平地震系数；Gs为重力。

2 基于历史调查的库岸稳定性评价

2.1 历史调查资料揭示的库岸稳定性

根据历史资料的搜集和整理，发现该区库岸经历过多期次规模不一的改造，整体上随着时间的推移，库岸趋稳。

经调查，历史上该区库岸经历过多期不同地质作用的大规模改造，其中改变最大的是活动断裂造成的长达数百米的错动变形，地形上形成该区河道出现明显弯道；同时造成大规模崩塌滑移，形成堰塞湖；后来又经历多次规模不一的崩塌滑移，随着时间的推移，后期的库岸再造从规模和稳定角度来看越来越小(图4)。

图4 活断层作用、历史多次滑塌及堰塞证据Fig.4 Historical evidences of multiple faults, landslides and dammed lakes

根据调查获取的已爆破拆除老桥和鲁地拉水库未建设及蓄水淹没时期的工程区照片，见图5。

对于糖尿病患者而言，胰岛β细胞功能障碍和胰岛素抵抗是其发病的关键因素，因此在防治糖尿病的过程中，关键在于延缓细胞功能衰退、减轻胰岛素抵抗以及积极控制并发症等。目前临床常用的降糖药物为二甲双胍，其可减少肝糖生成率，增加外周组织摄取和利用糖的能力，可增加胰岛素受体亲和力和数量，可减轻体重以及胰岛素抵抗]。本文的研究中，治疗前，两组血糖指标比较无显著差异，差异无统计学意义（P＞0.05）；治疗后，观察组血糖指标较对照组显著改善，差异有统计学意义（P＜0.05）。两组治疗期间均为出现严重不良反应，差异无统计学意义（P＞0.05）。因此可见，糖尿病采用二甲双胍与吡格列酮联合治疗具有积极作用和价值。

图5 老路运行时期初始库岸照片Fig.5 Historical evidences of initial reservoir banks in old road running period

可以看出，涛源金沙江大桥桥址区在老桥运行时期，鲁地拉水库尚未修建，库岸地形坡度较缓，河流下切侵蚀作用下，已经处于稳定状态，库岸基本稳定。居民临水而居可以佐证。老桥基座位置的基岩说明该期岸坡底座稳定，没有大规模库岸问题。

2.2 现状调查揭示的库岸稳定性

2.2.1 河流侵蚀崩塌

在拟定公路旁钻孔中出现(高程在1 200 m以下)约10 m厚的湖相松散砂沉积，该沉积物可能是堰塞湖下侵沉积的松散砂层，后有崩塌堆积覆盖在松散砂土层之上，也有可能是原有出现在标高1 230 m附近普遍存在的原湖相沉积层在河流下切时产生崩塌的残留体(图6)。总之，下边坡在堰塞湖下切时产生崩塌。

图6 钻孔揭露的砂层Fig.6 Sand stratum presented by borehole

从剖面图可以看到，水稳性相对较差的粉砂层没有和库水直接接触，而且埋藏在水库运行水位之下，这些都是有利于减缓河流侵蚀造成的库岸崩塌作用。而且水库的运行，有利于形成静水沉积，原河床底部容易堆积砂卵石层，形成水下坡脚的反压，这些都是有利于库岸稳定的因素。总体而言，粉砂层对于库岸稳定性的影响相对有限。后期有条件时，还是要加强该层位的安全监控。

粉细砂及粉土层水平层状明显，并多以泥质弱胶结、近半成岩状为主，该粉细砂及粉土层在平面上分布较广，层位整体较稳定，故粉细砂及粉土层整体稳定性较好，对岸坡稳定较有利。

2.2.2 库岸再造现象

鲁地拉水库相对松散库岸，特别是在金沙江特大桥附近库岸已有部分崩岸现象，见图7。

图7 典型塌岸Fig.7 Historical evidences of typical bank slump

崩塌主要发生在松散碎石土和湖相沉积地层位置，这些地层本身水稳定较差，在库水位变化范围内容易形成冲刷、掏蚀破坏，整体规模有限。

2.3 未来一段时期库岸稳定判据

图8 坡面岩体稳定判据Fig.8 Stable proof of rock mass on slope surface

雨痕揭示该岩体竖向表面基本保持长期稳定，说明较长时间内坡面没有明显变形，证明陡崖上该岩体至少有几十年、上百年是相对稳定的。

但也要注意到,在暴雨、地震等极端情况下，陡崖坡面局部孤立的块石或者危岩也存在移动或掉落的可能，即现状暂时稳定的危岩，对下方通过的路桥安全也存在潜在安全隐患，所以建议对危岩和威胁性较大的孤石进行清除或加固，确保公路后期运营安全。

3 基于塌岸预测和再造库岸边坡稳定性评价的库岸稳定性评价

以索塔剖面为例，说明塌岸预测方法和再造库岸稳定性计算过程。

(1)基于两段法的索塔剖面水库塌岸预测(图9)。如果考虑填土的水下稳定坡角，填土的水下稳定坡角(填土)18°；水上填土的稳定坡角19°。由于目前库水位以下坡形的角度小于18°，因此取水下坡形的最缓角度14°，得到库岸再造范围为51 m。

如果假设库水位以下的填土全部被库水冲蚀走，那么考虑碎石土的水下和水上稳定坡角，分别为28°和31°，填土的水上稳定坡角为19°，那么得到库岸再造范围为82 m。

图9 索塔剖面塌岸预测计算图(单位：m)Fig.9 Bank slump computing map for cable bent tower profile

(2)考虑再造库岸的索塔剖面稳定性计算(图10)。考虑到水库运行出现的不确定因素，结合活动断裂影响带的影响，这些不利因素的组合，可能造成再造库岸边坡的稳定性出现问题，所以后续再计算分析了再造库岸边坡的稳定性评价，计算考虑了自然、水位骤降、地震作用等3类工况，计算过程和结果如下所示。

库岸边坡稳定性综合评价及其对工程选址的影响评估，在塌岸宽度加再造库岸边坡潜在滑移范围的基础上进行，结果统计列于表3和表4。

桥梁、道路及其附属结构的选址，必须在此距离之外。此处距离特指当前水位坡脚到结构物中心或者边线的水平距离。由表3可知，不同工况下，塌岸预测宽度不同，基于此的再造库岸边坡的稳定性也存在失稳的可能，滑移规模不同。表4可知，涛源金沙江大桥两岸库水影响可控，不需要采取特殊的加固措施。

4 综合评价结论与建议

4.1 结 论

(1)基于历史和现状稳定性调查的库岸稳定性评价研究表明：该区库岸在历史上经历过多起断裂活动影响、多次崩滑堆积地形改造、古堰塞湖沉积地形改造和长期蠕变滑移变形，近期趋于稳定。

图10 索塔剖面库岸再造边坡稳定性计算图(单位：m)Fig.10 Stability computing map of slope changed by bank slump for cable bent tower profile

剖面塌岸宽度自然地震水位骤降5m水位骤降10m大理索塔51m1．901．251．861．8182m1．571．201．531．48大理轴线0m1．321．151．241．16大理斜剖面0m2．201．381．681．6089m1．160．901．081．00大理锚碇0m1．551．051．331．16永胜轴线0m1．451．191．391．35

表4 库岸稳定性评价结果统计表Tab.4 Statistical table of bank stability estimation results

(2)坡面稳定性调查中的近于垂直发育的雨痕、孤石基座盐痕、变形现象、不同时期库岸坡面地形等证据均支持未来一段时期内库岸边坡整体稳定，不会发生大规模滑移破坏。

(3)塌岸预测结果和库岸再造边坡在最不利组合工况下的潜在滑动范围和安全系数计算结果看，该区桥梁及其附属结构的选址是可行的。

(4)当前库岸坡脚均堆积有不同规模的历史填土，其存在具有一定的反压坡脚作用，未来建设和水库运行过程中，严禁在该部位改变现状地形和对其进行开挖清除作业。

(5)粉砂层水稳性较差，从目前地质剖面看，其埋深相对较大，水上和水下坡面也没有出露，未来建设和水库运行过程中，邻水侧严禁切穿揭露该层；如必须切穿，则应评估其不利影响，并对其及时采取封闭和加固措施。

4.2 建 议

应该注意到工程区临近程海断裂带，应该对构造活动和侧后方高陡边坡的活动性进行长期安全监控或者定期巡查，以确保安全预警和防灾减灾。

施工运营期间，定期巡查，严禁在现状库岸和斜坡陡峻部位坡脚进行开挖和采掏活动。

安全监控应采取施工安全监测和长期稳定性监控有机结合的原则，以检验工程措施的合理性，积累区域构造活动对工程安全影响的基础数据，为今后类似工程积累经验，同时为公路的安全运行管理提供指导。

□

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