水库蓄水塌岸～库岸再造剖析

郭雅丽

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000）

1 工程概况

AKX水库工程位于新疆和田地区瑙阿巴提塔吉克乡境内，坝址位于AKX河与康阿孜河汇合口上游约3km，距塔吉克乡政府2km，距县城81km。水库区正常蓄水位线大部分位于Ⅱ～Ⅳ级阶地上，阶地地形平缓，Ⅳ级阶地后缘岸坡坡度25°～36°，局部陡立。阶地及Ⅳ级阶地后缘坡脚，地表堆积厚层的风积黄土，仅局部为基岩。

水库建成蓄水后，黄土段库岸自然条件将会发生急剧变化，库水位变化范围内的土体因浸湿而处于饱和状态，抗剪强度将大幅下降，加之周期性的水位抬升、消落及波浪作用，岸坡被掏刷、磨蚀、搬运而产生变形，形成坍岸，从而引起水库的库岸轮廓线发生变化，形成库岸再造。因此，查明库区各级阶地面、阶地后缘广泛分布厚层风积黄土层[1]主要存在物理力学性质、地震液化和渗透变形等工程特性，评价其对工程的影响势在必行。

2 黄土层的工程特性[2-3]

2.1 物理力学特征

结合库区迴水淹没区黄土层分布广泛，厚度大、土质均一，结构中密的特性，现场进行了系统的年代样品的采集与分析工作：黄土层天然状态下含水率3.56%，干密度1.28g/cm3，黏聚力C＝16.1kPa，φ＝25.5°，饱和状态下黏聚力C＝10.0kPa，φ＝23°，饱和压缩模量6.2MPa，压缩系数0.35MPa-1，属中压缩性土，渗透系数为5.2×10-4cm/s，属中等透水层，湿陷性系数0.016～0.041，具轻微或中等湿陷性。

可知，库区黄土层具有密度低、中压缩性、轻微或中等湿陷性、强度低等物理力学特征。

2.2 地震液化的判别

2.2.1 土层剪切波速地震液化判别

依据GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》，计算上限剪切波速：

式中 Vst为上限剪切波速度（m/s）；KH为地震加速度系数；取0.15；Z为土层深度（m）；rd为深度折减系数。

表1 库区黄土钻孔剪切波速及液化判定

2.2.2 利用标准贯入击数法复判

当标贯试验贯入点的深度和地下水位不同于工程正常运用时，实测的标准贯入锤击数应按式（2）进行校正，并以校正后的标准贯入锤击数N63.5作为复判依据。计算公式：

式中 N′63.5为实测标准贯入锤击数；ds为工程正常运用时，标准贯入点在当时地面以下的深度（m）；d′s为标准贯入试验时，标准贯入点在地面下深度（m）；dw为工程正常运用时，地下水位在当时地面以下的深度（m），当地面淹没于水面以下时，取0；d′w为标准贯入试验时，地下水位在当时地面以下的深度（m），若当时地面淹没于水面以下时，取0。

库区黄土孔标准贯入法判定场基土地震液化结果如表2。

表2 库区黄土钻孔标准贯入法复判场基土地震液化

根据表2判定结果，可知两岸黄土实际标贯击数均小于临界锤击数，复判为液化土。综合分析，库区黄土为液化土。

2.3 渗透变形、允许比降J允的判定

根据GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》，土体中表部土体为风积黄土，黏粒含量6.93%，不均匀系数Cu=4.44（小于5），颗分曲线无平缓段属级配连续土，其渗透变形型式为流土。流土型允许水力比降计算如下：

式中GS为土的比重；n为土的孔隙率。

根据试验资料，黄土比重2.72，孔隙率48.3%，根据公式计算允许比降为0.88；安全系数2，允许比降J允取0.44。结合周边工程类比及经验建议允许水力比降为0.35。

2.4 接触冲刷判定

对双层结构地基，当两层土的不均匀系数均等于或小于10，且符合≤10时，不会发生接触冲刷。D10，d10分别为较粗和较细一层土的颗粒粒径（mm），小于该粒径的土重占总土重的10%。

根据资料可知d10，D10分别为 0.0055，0.15，则=27，计算结果大于10表明会发生接触冲刷。

3 黄土塌岸分析

通过本地区及相邻地区试验成果，粉土黏粒含量极少，约3%～9%，滑动面为平面，根据相关规范进行库岸坍塌预报[4-5]分析计算，标准计算剖面如图1。

图1 标准计算剖面

通过试验成果及本地区已有边坡稳定值比较，确定水下稳定坡角α取12°，水上稳定坡角β取33°。求出剖面面积（即阴影部分面积），两剖面间坍塌土体体积计算如式（4）：

式中 S1，S2分别为两剖面的面积（m2）；l为两剖面间的距离（m）。

水库库岸坍塌量汇总如表3。库岸再造主要有5段，坍岸宽度30～120m，坍岸总方量138万m3，总体对水库影响小。

由于TA1和TA4距离坝址较近，根据《建筑物的抗滑稳定和滑坡分析》中的滑坡涌浪估算方法，采用下列公式：

表3 水库库岸坍塌量汇总

式中 h0为滑坡点击起的初始浪高（m）；n为常数：1，3，5……；Σ为级数之和；k为波的反射系数（为0.9～1，取0.9）；B为库水面宽度（m），取645m；x0为滑坡体与计算点间距离（m），TA1取90m，TA4取230m；L为滑坡体顺河向平均长度（m），TA1取180m，TA4取100m。

最不利工况TA1和TA4整体下滑，可分别求得初始最大浪高h0、波浪的特性和大坝处的最大涌浪高度h，其计算结果如表4。

表4 TA1，TA4塌岸体涌浪计算 单位：m

水库正常蓄水位2452m，水库大坝坝顶高程2455.5m，防浪浪墙顶高程2456.7m，防浪墙顶高出正常蓄水位4.7m。通过分析计算，即使坍岸整体滑塌，产生坝前涌浪TA1为1.07m，TA4为1.43m，没有超过防浪墙顶高程，且根据岸坡坡度、黄土岸坡特性分析，坍岸为逐渐坍塌，一次坍岸方量不大；坍岸范围内无人员居住，也无建筑物等分布；其余黄土段落在水位变动区，坍塌滑落的方量淤积至库盘，对水库的蓄水能力影响较小。综合分析塌岸[6]对水库影响较小，局部黄土段落需要进行阻挡、卸荷等工程措施。由于TA1紧临大坝，建议对该坍岸段采用弃渣压脚等工程处理，以减少水库塌岸。

4 黄土场地的冻胀性及腐蚀性

该区属高寒地区，冬季气温较低，室内试验颗粒分析可知，黄土、低液限黏土、颗粒粒径＜0.075mm含量为97.5%～99%，均大于10%，属冻胀性土，存在冻胀问题。对各地貌单元的黄土（低液限黏土）进行冻胀试验[7]，黄土具有轻微冻胀。

在库区左、右岸和坝址区分别布置探坑（竖井）进行原状样取样，岩性为风积黄土。根据库、坝址区不同地段、不同深度土层取样进行土简分析：

黄土含盐量主要集中分布在表层1.5m以上。其中1.5m以上土的易溶盐含量为0.39%～1.46%，1.5m以下土的易溶盐含量小于0.6%。工程区海拔高度2420m，属干旱区。地表3m以上粉土硫酸盐含量881～5649mg/kg，3m以下粉土中硫酸盐含量758～2322mg/kg，根据SL654—2014《水利水电工程使用年限及耐久性设计规范》规定，黄土层地表3m以上硫酸盐腐蚀程度为中度或严重，3m以下黄土的硫酸盐腐蚀程度为中度。

综合上述，库区黄土层主要存在轻微或中等湿陷性、地震液化和渗透变形、有硫酸盐腐蚀等问题，工程性状不良。对黄土进行稳固、阻滑等工程建筑物需进行相对应的防腐措施。

5 结语

（1）详细了解库区黄土物理力学性质、地震液化等特点，是分析黄土的特性的前提条件。

（2）库区断续分布为黄土层，由于水库蓄水后，在正常蓄水位波动区，浸润后的黄土进行沉陷，以致整体失稳。处理不及时或不到位，对库区进行侵占、枢纽建筑物影响巨大。因此，综合考虑黄土层工程地质条件，应进行坍塌土体预算和提前设计预防。

（3）近坝区黄土层除进行坍塌土体预算外，还需要进行最不利工况下的最高涌浪计算，进而提前预防，提高整个枢纽的安全富余度。

（4）针对库区黄土分布广、不连续的特点，局部因地制宜采取“卸荷护脚”之外，还需要对其进行稳固、阻滑等工程建筑物进行相对应的防腐措施。