水库库岸稳定与塌岸预测研究

石永磊

(新疆水利水电项目管理有限公司，乌鲁木齐 830000)

1 库区概况

库区位于萨尔布拉克河中游段黄土丘陵区，两岸山体海拔高度>100m，河道较为顺直，河谷宽阔，大约150-300m。河床宽20-60m，深度大约0.5-1.2m。两岸山坡为第四系堆积物，顶部为风积黄土厚度大约 20-50m，其中左岸砾岩出露较为明显，胶结程度也较为发育，长度约1-3km。河床两岸冲沟发育，且延伸较长。战备沟位于萨尔布拉克河右岸，坝址上游约170m，延伸长度> 10km。沟口段平面展布为喇叭形，沟谷宽阔，呈“U”型，谷宽一般800-1400m，纵坡降 3-8%，在沟口中部有一凸出山梁，将战备沟一分为二(上游分沟、下游分沟)，该山梁顺沟长约1400m，垂直沟宽约300-700m，高出沟床约 40-60m，组成物质为坡洪积、风积黄土，在下游分沟入河口处坡脚见有第四系中更新统含漂石砂卵砾石出露，出露高度 2-6m。

2 库岸边坡稳定性分析

库区两岸多为第四系风积黄土夹卵砾石，天然土质边坡稳定性较差，因此库岸边坡的稳定性问题成为主要的工程地质问题。当水库建成之后，边坡会受到各种不利因素影响，如水库蓄水，各种强降雨，人类活动以及地震作用，接着出现失稳滑塌，严重可能危及人类的正常生活。考虑到已有资料有限的情况，目前只考虑水库正常蓄水的因素，利用Geo-slope软件，针对库区两岸的土质边坡进行库岸的边坡稳定性分析[1]。

通过现场的勘察以及对库区两岸岸坡进行实地的地质剖面测绘，并结合钻孔资料绘制出地质剖面图。由于该地区地层变化不大，因此选取一个代表性剖面作为库区典型地质剖面，来考虑整个库区的边坡稳定性情况。图2为库区典型地质剖面图。

图1 库区位置概况图

图2 库区典型地质剖面图

从典型地质剖面图可以看出，地层从上到下分别为第四系上更新统黄土状粉质壤土，中更新统含漂石砂卵砾石，底部为下更新统砾岩，坡脚为第四系冲洪积含漂石砂卵砾石层。结合现场取样观测以及室内物理力学实验结果，得出库岸边坡的物理力学参数，大致见表1。

表1 库岸边坡的物理力学参数

根据上述的物理力学参数并结合现场的实际情况，利用有限元数值分析方法对该典型边坡进行稳定性分析计算。本次数值模拟计算采用Geostudio中的slope模块[2]。天然状态和蓄水状态下的可能滑动面以及最小安全系数如图3-4所示。

图3 天然状态下边坡最小安全系数

由软件模拟计算结果可以看出来，典型边坡在天然状态下最小安全系数为1.042，在忽略极端天气条件的影响下基本处于一个天然稳定的状态，这与现场所观察到的情况也基本类似：第四系黄土状粉质壤土(简称黄土)在不受到洪水暴雨的冲刷作用下基本处于稳定状态，具有良好的抗剪强度，压缩性较好。

在水库正常蓄水过程中，水流会对岸坡坡脚岩土体缓慢浸泡、软化，首先坡脚处就会发生滑移，然后牵引上部岩土体向库内滑移发生库岸一次塌岸。当水库正常开始运转工作时，由于水库蓄水的过程中，会受到浪击作用以及水位的不断变化。在这种情况下，库岸土质边坡会出现干湿交替现象。当水流不断作用与稳定性较差的部位，土体就会软化瓦解，从而出现自上而下的二次坍塌。短期内岸坡土体变形快，边岸再造作用强烈，就会发生大量的塌岸。所以必须预测塌岸的范围以及对可能存在严重塌岸的库段进行必要的治理，同时对近坝坡面进行必要的砌石护坡，防止表面冲刷。图4 计算结果可以看出，蓄水状态下边坡的最小安全系数为0.851，阴影部分为可能发生滑坡的滑坡体。

图4 蓄水状态下边坡最小安全系数

3 库岸坍塌预测

水库正常蓄水会引发一些其他工程地质问题，水库塌岸是其中一种。水库塌岸是指在水库正常蓄水后，由于水位的不断变化，如抬升消落等，长时间造成两岸边坡不同程度的破坏。并且岸坡长期处于流水的浸泡冲刷作用下，抗滑强度大大降低，从而导致库岸失稳，坍塌现象。如果塌岸问题不处理，时间越来越长，库岸坍塌不断破坏，坍塌方量也在不断增加，会出现水库淤积严重会出现溃坝。因此研究库岸坍塌，预测坍塌量大小是十分有必要的。

3.1 库岸坍塌预测的方法

水库坍塌会受到各种因素制约，如地层岩性，地形地貌等等，并且同一区域内不同位置的坍塌也不尽相同。因此很难总结出一套考虑到所有因素且科学合理的计算公式[3]。现阶段只能基于一些前人的科学理论，通过一些理想条件下，建立基本接近实际条件的计算方法，从而达到库岸坍塌预测的目的。

常用塌岸预测方法有塌岸预测类比法、塌岸预测动力法 、卡丘金法、佐洛塔廖夫图解法、平衡剖面法等。

1)预测类比法：通过与相似边坡的进行对比，从而进行预测的方法。

2)塌岸预测动力法：根据岩土体的抗冲刷强度的关系，从而求得出坍塌体力与动能的平衡方程：

Q=E·kp·tb

(1)

式中：Q为滑移面坍塌体的体积，m3/m；E为单位时间内流水的冲刷强度，t·m；kp为岩土体的抗冲刷系数，m3/t；t为水库运营年限；b为经验常数，根据不同工程大小取值不同。

塌岸预测动力法是根据数学物理角度来考虑的，具有一定合理性，但是在实际工程上很难运用上。另外于要通过一定量的观测来能预测出来，实用性较差。

3)塌岸预测统计法：该方法类似塌岸预测类比法，也就是利用相似工程上的监测数据，通过大量的数据进行对比分析，从而给出最终的预测范围值。该方法针只能适用于一般精确性不高的项目上，对于特定工程并不能作为参考依据。

4)塌岸预测经验法：目前，主要的预测方法包括：卡丘金法、佐洛塔廖夫法、平衡剖面法三种。

方法原理如图5所示：

图5 佐洛塔廖夫法预测坍塌方法图

具体预测步骤如下：

1)绘制预测地点的地形、地质剖面。

2)确定出水位正常蓄水时的高水位与低水位线。

3)通过正常高水位处往上，根据浪高确定爬升高度线。

4)从水库最低水位线处往下，根据影响深度确定影响深度线。

5)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达到预定值。

6)在a点位置处，利用浅滩堆积物的稳定坡角画出延伸至和岸坡相交，稳定坡角为β1。

7)在b点位置处，画出冲蚀浅滩延长线，和水位线相交，相交点为c。根据不同岩性从而确定其稳定坡度取β3。

8)在c点位置处，画出冲蚀上升带延长线，和浪击高度水位线相交，相交点为d。根据不同岩性从而确定其稳定坡度取 β4。

9)连接d，e两点即确定出岸坡的剖面线，根据天然坡脚确定出β5。

不断检查堆积系数是否与之前的预定值是否相同。如果相同的话就不断改变a点，再重复上述步骤，直到合适为止。

另外当遇到一些抗滑强度不高的岩质边坡，或者使一些松散堆积物，一般堆积率为零。并且点a应该位于初始岸坡位置处。

3.2 库区坍塌预测

上述所介绍的几种方法适用不同地区不同坍塌的预测，由于参数的选择不同， 其最终结果也是不尽相同。根据当地的工程经验以及已有的参数最终选择平 行断面法(卡丘金法)进行断面预测。

水库岸坡塌岸宽度预测计算公式：

St=N[(A+hp+hb)cotα+(H-hb)cotβ-(A+hp)cotγ]

(2)

式中：St为最终塌岸宽度，m；A为水位涨落幅度，m；N为与土颗粒有关的系数，取0.4；hp为波浪冲刷深度，取1.0；hb为浪击高度，m，取 0.8；H为正常蓄水位以上岸高，m；α为水下浅滩稳定坡角，°；β为预测岸坡水上稳定坡，°；γ为原始岸坡坡角，°。

其中第四系上更新统风积黄土水上稳定坡角β 取34°，水下稳定坡角α 取16°；

中更新统冰水堆积物水上坡角β取35°，水下稳定坡角α取26°；下更新统冰水堆积物水上稳定坡角β取63°，水下稳定坡脚α取53°。参数的选取是结合《水利水电工程地质手册》以及当地积累的工程经验。通过库岸边坡稳定性分析出整个库区可能发生崩塌的边坡，最终确定出27条边坡，再针对每一条边坡进行水库岸坡塌岸宽度预测，然后绘制库区内上游典型塌岸位置横剖面，量画出各剖面发生塌滑的面积。图6和图7为部分库区塌岸预测图。

图6 部分库区塌岸预测图(剖面 7-7’)

图7 部分库区塌岸预测图(13-13’)

3.3 库区坍塌预测结果分析

根据之前的边坡稳定性分析所确定出来可能发生坍塌的27条剖面，针对每一条剖面进行计算确定出坍塌范围，计算出的结果见表2。

表2 部分下坝址库区坍岸剖面状况一览表

经计算预测滑坡宽度得出预测库区塌岸总量约807.6万m3，其中水上体积为598.6万m3，水下体积209.0万m3。由计算结果可以看出滑坡宽度范围为4.5m-184.6m，总体塌方量水上部分要大于水下部分，坍塌总量较大。塌岸方式主要有剥蚀、坍塌、崩塌和局部近坝库岸较大面积的滑移。由于当地地层多为第四系风积黄土，在天然状态下具有较高的稳定性，但在水库蓄水之后，黄土的强度降低，库岸不稳定，需要在蓄水之前对上述塌岸宽度较大的地段进行削坡或者加固处理，对高陡的近坝库岸进行削坡，放缓岸坡，同时对坡面进行砌石护坡， 防止表面冲刷。

4 结 论

主要是选取库区典型剖面，根据地质剖面资料以及现场试验资料，对典型边坡进行库岸稳定性分析。利用有限元软件Geo-slope 求解出该库区典型边坡在天然状态下与蓄水状态下最小安全系数为1.042和0.851。

当水库正常蓄水，岸坡长期处于流水浸泡冲刷，抗滑强度大大降低，从而导致库岸失稳，出现坍塌现象。接着通过平行断面法的经验公式预测出库区坍塌的位置，再求得出预测滑坡宽度得出预测库区塌岸总量约807.6万m3，其中水上体积为598.6万m3，水下体积209.0万m3。