基于卡丘金法和两段法对金沙江上游某拟建大桥塌岸预测分析

王 龙

(四川省交通勘察设计研究院有限公司 岩土勘察设计分院，四川 成都 610017)

0 引 言

位于研究区的金沙江河段穿行于川滇交界的横断山脉之间，整体宏观地形具有山高谷深、岸陡坡险、弯急河窄的特点，河水本身对江岸的淘蚀、侵蚀、冲刷作用就极为强烈，加之拟建大桥桥位区位于某电站上游超过200 km的库尾回水区，该电站为金沙江一系列大型、巨型电站的“龙头”，总装机容量为420万kW，总库容371亿m3，设计高水位为2 010 m，死水位为1 939 m，目前正在建设中.待电站蓄水运营后，金沙江沿岸将经历长达数十年的库岸再造才能达到相对稳定，在此过程中，岸坡第四系冲洪积堆积物将极可能发生变形甚至塌岸.

1 桥位工程地质条件

拟建桥梁跨越金沙江，位于下游电站库尾，属于典型的高山峡谷和河流侵蚀堆积复合地貌，临河区为阶地，向外逐渐为山区，宏观地形为下陡上缓，近河谷呈深切割的“V”字型，具体地貌如图1所示.

图1 研究区的岸坡地貌

本研究预测的桥台塌岸区域位于直接临水的金沙江右岸一级阶地，阶面平整，水上天然阶坡坡

度约30°～40°，岸坡地表堆积物主要为第四系全新统冲洪积(Qal+pl 4)的卵砾石夹砂、黏性土，局部见漂石，根据钻探揭示厚度超过40 m.岸坡地质断面和现场岩芯情况如图2、图3所示.

图2 岸坡工程地质断面图

图3 岸坡堆积物岩芯

目前，岸坡表层阶地面局部可见小型裂缝和倾斜下错，如图1所示，为2018年11月金沙江上游白玉县段白格堰塞湖泄流引发的极端洪水所致[1].当下游电站建成蓄水后，受库水冲刷浸泡、波浪拍击磨蚀、干湿交替作用及动水压力变化等因素综合影响，堆积物风化程度加剧，抗剪指标降低，且研究区地震基本烈度为8度，新构造运动强烈，全新世的震动作用较为频繁，在内外营力耦合作用下库岸将来很有可能发生更大范围的变形、塌岸.

2 塌岸模式

修建在高海拔山区的水库塌岸模式一般可分为冲磨蚀型、坍塌型、滑移型和流土型[2-3].冲磨蚀型岸坡改造缓慢而持久，规模一般较小，类似于被水流搬运带走.坍塌型是指岸坡堆积体在库水或江水的长期淘蚀、冲刷作用下，坡脚物质被裹挟、蚕食、掏空，导致岸坡上部土体失去支撑而引起的岸坡下坐、坍塌现象，其启动时间短、发生速度快，规模一般较大，是土质岸坡最主要、最常见的塌岸类型.滑移型塌岸是指岸坡在库水、降雨、渗流等作用下，沿滑动面或层间软弱面发生整体滑移的库岸再造方式.流土型塌岸是指堆积物中细颗粒组分在库水涨落调节作用下吸水饱和，产生微膨胀，在自重作用下沿坡向下发生塑性流动现象.本研究区桥台岸坡堆积物以砂卵石为主，符合坍塌型模式，且属于库岸再造中的坍塌后退型亚类.

3 塌岸预测

塌岸预测的方法主要有卓洛塔廖夫图解法、岸坡结构法、动力方程法、卡丘金法和两段法等.由于岸坡地质条件的复杂多样，每种方法都有自身的局限性，预测的结果也大相径庭.卓洛塔廖夫图解法适用条件为水库中下游段、水深、水面广，波浪对岸坡破坏作用大的情况，与本研究区水文条件不符，且其预测模型把岸坡分为浅滩外缘陡坡，堆积浅滩、冲蚀浅滩、爬升带斜坡及水上岸坡五段，在实际研究进程中很难精准区分.岸坡结构法适用条件为强调多层堆积物、多个堆积坡角的非均质岸坡结构，与本研究区地质条件不符.动力方程法需大量观察、搜集水库运营年限内库岸被冲刷岩土体的体积，而本研究区涉及的电站还正在建设，因此不适用.卡丘金法适用均质岸坡塌岸宽度的长期预报，本研究区仅一种堆积物—卵石土，根据《水利水电工程地质手册》，一种土体可视为均质岸坡，符合该方法前提条件.两段法适用于山区峡谷型水库，库面或河道较窄，风浪作用小，该方法亦符合本研究区自然、水文条件.因此，采用卡丘金法和两段法对本研究区塌岸宽度进行对比预测.

3.1 卡丘金法[2,4-5]

预测塌岸线由水下稳定坡线岸和水上稳定岸坡线的连线组成，水下稳定岸坡线由设计低水位线、波浪影响深度及水下稳定坡角确定，水上稳定岸坡线由库区设计高水位线、波浪爬升高度及水上稳定坡角确定.图4为适当修正的卡丘金法塌岸预测示意图.

图4 卡丘金法塌岸预测示意图

模型构建过程为：以低水位线与天然岸坡线的交点为起点，α为倾角绘制水下稳定岸坡线，再以该线延伸至库区设计高水位线的交点为起点、β为倾角绘制水上稳定岸坡线，延伸至与天然岸坡线相交，该交点与设计高水位线同天然岸坡线的交点之间的水平距离，即为预测的塌岸宽度.

岸坡最终塌岸宽度计算公式为,

S=N〔(A+hp+hb)ctgα+(hs-hb)ctgβ-(A+hp)ctgi〕

(1)

式中,S为塌岸最终宽度，/m；A为库水位变化幅度，取设计高、低水位之差值，由于库区设计低水位已在河床底板高程以下，因此低水位采用河流枯水位；N为与土体颗粒大小有关的堆积系数；hp为波浪影响深度，/m，相当于1～2倍波高；hb为波浪爬升高度，/m，约0.1～0.8倍波高，也可按公式求得，

hb=3.2k·h·tanα

(2)

式中，k为被冲蚀的岸坡表面粗糙度系数，卵砾石质岸坡k=0.85～0.90；h为波浪高度，/m，根据该段金沙江实际情况，浪高一般小于0.5 m；hs为设计高水位以上岸坡高度，/m；α为浅滩冲刷后水下稳定坡度，/°；β为水上岸坡稳定坡角，/°；i为原始岸坡坡角，/°.α、β为根据现场地质调查结果，类比三峡库区塌岸预测研究一系列成果及《水利水电工程地质手册》综合选取[6].

与原卡丘金方法相比，本研究修正的地方有：①由于库区设计低水位已低于河床底板，取真实设计低水位线已无意义，因此为完整体现一个周期的水位变化幅度，采用河流枯水位取代设计低水位.②关于N值的选取，原模型中卵砾石仅为0.4，但从现场岩芯揭露情况看(可见图2)，卵砾石间隙充填砂、黏性土等，级配较好，密实度较高，现场动力触探击数高，取芯时局部可完整地裹挟成柱状，实际上岸坡卵石土中空隙偏少，堆积系数较高，原值明显偏低，因此N值取的0.7.

3.2 两段法

以铁二院贾建红等[7-8]提出的“两段法”及部分学者提出的“修正两段法”为基础，结合本库区地质、电站实际情况做适当调整后进行预测.建模原理与卡丘金法类似，预测塌岸线仍由水下稳定坡岸线和水上稳定岸坡线的连线组成，水下稳定岸坡线由河流枯水位线、波浪影响深度(hp)及水下稳定坡角确定，水上稳定岸坡线由库区设计高水位线、波浪爬升高度(hb)及水上稳定坡角确定.图5所示为适当修正的“两段法”塌岸预测示意图.

图5 两段法塌岸预测示意图

具体图解过程为：以河道枯水位减去浪击深度后的高程线与岸坡交点A为起点，以α为倾角绘出水下稳定岸坡线，该线延伸至库区设计高水位加浪爬高度后的高程线交点B；再以B点为起点，以β为倾角绘出水上稳定岸坡线，与天然岸坡的交点为C；B点高程所对应的天然岸坡点D与该线终点C之间的水平距离，即为塌岸宽度S.

与原两段法相比，本次研究修正的地方有：①、为完整体现水库建成运行后一个周期的水位变化幅度，用水库设计高水位代替原模型中的桥梁设计洪水位，用河流枯水位减去浪击深度(hp)代替原模型中的河道多年洪水位.②、因卵石层中毛细水上升高度过小，因此用波浪爬升高度(hb)代替，即不考虑毛细水，而考虑浪爬高度和浪击深度.

表1为两种预测方法的部分参数及最终塌岸宽度一览表.

表1 部分特征角[8]和预测成果

4 结 论

本研究基于修改的卡丘金法和两段法对金沙江上游某电站库尾的拟建桥台岸坡进行了塌岸预测，得到以下几条结论：

1)卡丘金法和两段法构建预测模型的步骤异曲同工，主要区别在于卡丘金法倾向于利用参数导入公式计算取得预测结果，而两段法则利用图解取得结果.

2)由于电站设计运行低水位、死水位均低于河床底板，与上述两种办法的原始模型均不完全吻合，结合研究区岸坡的客观地质条件，对模型的搭建以及部分参数的选取进行了适当修改，得到了预测塌岸宽度.

3)从预测成果来看，上述两种方法数据比较接近，两种方法之间可相互对比、印证，卡丘金法预测宽度较两段法小，偏于安全，预测的最终塌岸宽度均在30～40 m之间，与白格堰塞湖泄流时所引起坡表的坍塌范围基本相符，这次突发洪水相当于对今后常态化的库水调节进行了一次快速模拟，一定程度上验证了两种预测方法的合理性，鉴于坍塌后退型的塌岸模式具有快速性和突发性的特点，推荐采用预测成果更保守的两段法预测.在后续研究中也将加强监测，对塌岸预测结果予以进一步验证.

4)在2018年底，研究区上游白格堰塞湖溃坝时，洪水位甚至超过桥梁设计洪水位，一度漫过一级阶地，雨季时这种极端情况引发的强破坏力的洪水在金沙江沿岸时有发生，对岸坡的改造是非常剧烈的，也是加剧塌岸的重要因素.应对设有构筑物的沿岸采取护堤措施，如采用格构、点砌石、浆砌石等加固.