浮山县臣南河水库岸坡稳定性分析

刘 钊

（山西省临汾市悦海水利勘测设计有限公司,山西 临汾 041000）

1 概述

臣南河水库位于浮山县城北5.0 km 处的丞相河村东,涝河上游段的南河干流上,总库容538.56 万m3,坝顶高程716.5 m,最大坝高30.0 m,坝长286.0 m,坝顶宽6.0 m。大坝为均质碾压土坝,设计正常高水位712.5 m,水库枢纽工程主要建筑物由大坝、泄洪洞、溢洪道组成。是一座以调蓄浮山供水工程和流域内地表水,为农业灌溉、城镇生活和工业供水,兼有防洪等综合利用的小（1）型水库。工程等别为Ⅳ等,主要建筑物为4 级,次要建筑物为5 级,设计洪水标准为30 年一遇,校核洪水标准为300 年一遇。

据1/1000 库区地形图,在迴水范围内,库区岸坡以较陡的土质边坡为主,顺河长度800 m～1700 m,顺坡宽度32 m～196 m,左岸自然坡度18°～58°,右岸自然坡度26°～75°。水库两岸岸坡地层岩性为：第四系中更新统（Q2）、低液限粘土、粘土、低液限粉土,砂、砂卵砾石。由于库岸岸坡较陡,水库蓄水后,土质岸坡遇水后,受浪蚀冲刷,可能产生不同程度坍岸。因此,本文对库岸陡岸坡进行分析评价其稳定性以及对大坝安全运行的影响程度。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

库区位于临汾断陷盆地东部,太岳丘陵区与盆地交界的洪积扇上。属黄土丘陵沟壑区及山前倾斜平原地貌单元,库区河段基本上呈对称的箱型河谷,由两条支沟汇集而成,两条支沟中间为单薄岭,海拔高程左岸802 m～772 m,右岸798 m～782 m,单薄岭931 m～791 m。河床最低高程为685 m～689 m,沟岸与谷底相对高差90 m～120 m。主河道纵坡14.6‰,两支河汇流后河底宽约127 m～160 m。主河道呈NNW 向发育,河道较为平直。

2.2 地层岩性

库区地层岩性为：

上第三系上新统（N2）：深红、棕褐色低液限粘土、砂质粘土、卵砾石混合土,桔黄色低液限粘土夹钙质胶结层。分布于中更新统下部。未见层底。

第四系中更新统（Q2）：棕红色低液限粉土,棕红色古土壤（低液限粘土）,灰黄色细砂,粉砂土夹薄层粘土,卵砾石混合土层,局部半胶结。厚17 m～30 m,分布于两岸。

第四系上更新统（Q3）：低液限粘土、低液限粉土,厚3 m～8 m,主要分布于两岸顶部。

第四系全新统（Q4）：低液限粉土、含砾细砂,粉砂土,砂砾石层；厚13.8 m～9.6 m,分布于河谷底部及较大冲沟内。

2.3 地质构造

库区内构造简单,黄土覆盖较厚,没有断裂和褶皱构造分布,也没有贯穿库区的大断层。区内地震活动较频繁,强度较高,历史上曾发生6 级以上地震8 次。工程区距临汾新裂陷区约50 km,发生6 级以上地震3 次。

区内地震动峰值加速度0.20 g,动反应谱特征周期0.40 s,地震烈度Ⅷ度。

2.4 物理地质现象

库区主要物理地质现象为崩塌现象,库区两岸岸坡较陡,为土质岸坡,水库蓄水后,在水的浸泡下陡岸岸坡有崩塌现象,其范围不大。

2.5 水文地质

库区地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙潜水,主要赋存于河漫滩和两岸卵砾石混合土,砂层、粉砂土中。地下水直接接受大气降水的补给,地下水向下游沟谷迳流排泄。主河床地下水位685.7 m～687.13 m,左岸地下水位700.63 m～687.13 m,右岸地下水位700.53 m～695.93 m。两岸地下水补给河水。地下水化学类型以重碳酸钙钠型为主。地表水（河水）化学类型为重碳酸钙钾钠型,不存在对混凝土的分解和结晶侵蚀作用。

3 岸坡稳定性分析评价

3.1 库区土质岸坡稳定性分析

3.1.1 地质条件

库区岸坡在迴水范围内,以较陡的土质边坡为主,顺河长度800m～1700m,顺坡宽度32m～196m,左岸自然坡度18°～58°,右岸自然坡度26°～75°。岸坡为中更新统洪积物（Q2pl）、低液限粘土、粘土、低液限粉土,卵砾石混合土。当水库蓄水后,土层遇水后,由于浪蚀冲刷,可能产生不同程度的坍岸。

3.1.2 库区长期预测最终坍岸带宽度计算

坍岸宽度进行预测,在库区两岸岸坡布置了12 条坍岸预测剖面进行预测计算。

根据影响坍岸的主要因素分析,库区的土质岸坡坡度大于45°的地段为坍岸相对较严重的地段。岸坡坡度小于45°的地段为不会发生坍岸或轻微坍岸的地段。库区内各岸坡按均质岸坡考虑。当水库达到正常高水位712.5m 时,预测库区最终坍岸宽度,采用《水利水电工程地质手册》中,均质库岸长期预报最终坍岸带宽度计算公式计算：

式中：S 为坍岸带最终宽度,m；N 为与土的颗粒大小有关的系数；A 为库水位变化幅度,m；hp为波浪冲刷深度,m；hB为波浪爬高,m；H 为正常蓄水位以上岸坡高度,m；为浅滩冲刷后水下稳定坡脚,（°）；β为岸坡水上稳定坡脚,（°）；γ为原始岸坡坡脚,（°）。

1）参数选取：N 为与土的颗粒成分有关的系数,对低液限粘土,低液限粉土,N 取0.8。取12°和15°,β取45°,波高取1.0 m,hp一般相当于1～2 倍波高,hp取2.0 m,hB大体为0.1～0.8 倍波高,hB取0.8 m。

2）计算结果

各剖面中引用公式计算参数取值及计算结果见表1。库岸长期预测最终坍岸方量估算见表2。

表1 坍岸最终宽度计算参数取值及计算结果汇总表

续表1

表2 库岸长期预测最终坍岸方量估算结果汇总表

经计算库区最终坍岸方量为30.75 万m3～40.19 万m3。土质岸坡最终坍岸带宽度当=12°时,为22.3 m～40.4 m 之间,库区长期坍岸总方量为40.19 万m3,其中：水上坍岸方量为30.76 万m3,水下坍岸方量为9.43 万m3。当=15°时,为17.7 m～33.7 m之间,库区长期坍岸总方量为30.75 万m3,其中：水上坍岸方量为23.16 万m3,水下坍岸方量为7.59 万m3。

岸坡坍岸方量为岸坡正常蓄水位以上,按最终坍岸带宽度范围内估算,坍岸带宽度及坍塌方量是水库多年运行后可能产生的数值。库区岸坡为低液限粘土、粘土,粘粒含量在18.0%～44.0%,平均28.6%,粘粒含量较高,抗冲刷能力相对较强,坍岸速度相对较慢,故坍岸持续时间较长。

3.2 近坝库岸岸坡稳定分析

3.2.1 工程地质条件

坝轴线位于南河中下游,单薄岭下游380 m,河床地面高程688.63 m～688.94 m,河谷宽174 m。左岸地面高程701.1 m～737.3 m,右岸地面高程707.94 m～755.99 m。左岸岸坡较缓,右岸岸坡较陡。近坝左、右岸分布有中更新统（Q2）低液限粘土,低液限粉土,细砂,卵砾石混合土,下部上新统（N2）粘土,卵砾石混合土透镜体。

3.2.2 左、右岸近坝库岸岸坡稳定分析

坝轴线左、右岸岸坡为土质岸坡,左岸位于污水处理厂的下游,岸坡顶高程727.57 m,坡高35.9 m,坡角23°～55°。右岸岸坡顶高程738 m,坡高48.7 m,坡角7.3°～69.2°。

岸坡稳定计算,采用简化毕肖普法进行边坡稳定计算,公式如下：

式中：FS为边坡稳定安全系数；i 为土条编号；为土条底部倾角,（°）；c 为土条底部粘聚力,kPa；φ为土条底部内摩擦角,（°）；W 为土条重,kN。

岸坡稳定计算参数取值：土的密度1.41 g/cm3,饱和密度1.79 g/cm3,凝聚力25.5 kPa,摩擦角15.5°；卵砾石混合土的密度1.8 g/cm3,饱和密度2.05 g/cm3,凝聚力4 kPa,摩擦角35°。地震烈度Ⅷ度。

计算时在天然状态时、考虑地震、地下水影响,不考虑暴雨及洪水冲刷的情况下,其稳定系数计算结果见表3。

表3 近坝库岸岸坡稳定系数计算结果汇总表

4 稳定性评价

评价库岸稳定性要考虑岸坡稳定安全系数ks,根据《水利水电工程边坡设计规范》,边坡安全级别2 级,边坡稳定安全系数Kst取1.10～1.05。当Ks＞Kst时,岸坡处于稳定状态,当Ks＜Kst时,岸坡处于不稳定状态,当k=ks时,处于临界稳定状态。岸坡稳定安全系数根据岸坡现状,研究程度及参数的选取情况,结合工程实际情况,将边坡安全系数取1.05。

5 结语

本文对浮山县臣南河水库工程近坝库岸岸坡进行了稳定性计算分析,根据边坡稳定性计算结果,左岸岸坡处于稳定状态,右岸岸坡又高又陡,处于不稳定状态,蓄水后岸坡易产生坍塌。经对库岸坍岸计算,在正常蓄水位以上坍岸宽度,左岸为22.3 m,右岸为31.0 m。建议对岸坡进行削坡、排水等综合性整治措施。