淺析土質(zhì)水庫(kù)岸塌岸預(yù)測(cè)方法及問題

劉 猛,陳福江,施春華

(1.四川眾望安全環(huán)保技術(shù)咨詢有限公司,四川 成都 610000;2.西南交通大學(xué),四川 成都 610031)

1 水庫(kù)塌岸的主要危害

水庫(kù)蓄水常常引起一些工程地質(zhì)問題,塌岸是其中之一。庫(kù)岸在自然營(yíng)力作用下總是在不斷改變著,波浪和岸流一方面沖擊或磨蝕著邊岸,另一方面又將沖蝕下來的物質(zhì)或其它來源的泥沙搬運(yùn)至某些岸坡堆積起來,這兩方面的作用可引起庫(kù)岸的進(jìn)退,改變著水下岸坡的坡度和深淺[1]。水庫(kù)蓄水后,由于水位抬高,破壞了原有的平衡狀態(tài),庫(kù)岸周邊的坡地,受到水的浸濕及風(fēng)浪、水流的沖蝕作用,發(fā)生坍塌,這就是水庫(kù)塌岸。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),庫(kù)岸不斷的坍塌破壞,庫(kù)岸線也逐漸后退,直到達(dá)到新的平衡狀態(tài)為止。這一過程稱為水庫(kù)的庫(kù)岸再造[2]。

水庫(kù)塌岸所造成的危害主要表現(xiàn)為:(1)坍塌后,大量巖土體滑進(jìn)庫(kù)內(nèi),產(chǎn)生附加淤積,減少了有效庫(kù)容,對(duì)庫(kù)容較小的水庫(kù)影響較明顯;(2)進(jìn)壩的大體積滑坍塌體急速跌入水中,產(chǎn)生巨大的涌浪,對(duì)大壩造成沖擊荷載,漫壩水體將威脅下游建筑物的穩(wěn)定;(3)坍塌使庫(kù)邊大片的農(nóng)田、村鎮(zhèn)、工礦企業(yè)、道路、鐵路破壞,大量灘地坍失;(4)坍塌體可堵塞引水建筑物進(jìn)水口,支流的大規(guī)模崩滑體可堵塞河道,造成斷流斷航;(5)坍塌也可引起河勢(shì)的改變[3],特別是對(duì)于庫(kù)區(qū)上游段蜿蜒型河段,坍塌常引起主流易位,使港口航道不能正常運(yùn)用,容易造成海事;(6)庫(kù)岸坍塌破壞了原始岸坡的自然平衡,常常誘發(fā)大面積庫(kù)岸滑坡、崩塌;(7)坍塌還可對(duì)壩下游河道的淤積產(chǎn)生不利影響[4]。庫(kù)岸坍塌造成的危害極為嚴(yán)重,如何有效及時(shí)的防治庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生尤為重要。

2 水庫(kù)塌岸預(yù)測(cè)方法

2.1 傳統(tǒng)塌岸預(yù)測(cè)方法

水庫(kù)塌岸預(yù)測(cè)理論最早來源于前蘇聯(lián),在二十世紀(jì)四五十年代,前蘇聯(lián)薩瓦連斯基、卡丘金、佐洛塔寥夫等研究了蘇聯(lián)的水庫(kù)塌岸問題,提出的塌岸范圍預(yù)測(cè)的基本計(jì)算方法和圖解法。近年來,有關(guān)水庫(kù)塌岸預(yù)測(cè)方法的研究仍在進(jìn)行;現(xiàn)階段,預(yù)測(cè)庫(kù)岸塌岸的方法可分為定性分析方法和定量分析方法。

2.1.1 定性分析法

(1)模糊綜合評(píng)判法[5]。岸坡穩(wěn)定性模糊評(píng)價(jià)是指在建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上,根據(jù)各指標(biāo)對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響程度給定一定的權(quán)重值,并應(yīng)用不確定數(shù)學(xué)方法,按照某種數(shù)學(xué)關(guān)系準(zhǔn)則(如最大隸屬度原則),對(duì)岸坡穩(wěn)定性等級(jí)給出綜合性判斷及預(yù)測(cè)結(jié)論(如穩(wěn)定、不穩(wěn)定等)。

(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是國(guó)際上前沿研究領(lǐng)域的新興交叉學(xué)科,已在模式識(shí)別、自動(dòng)控制等應(yīng)用研究領(lǐng)域取得很好的效果。庫(kù)岸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是綜合條件共同作用的結(jié)果,其影響因素復(fù)雜。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法基本原理是可以通過簡(jiǎn)單線性函數(shù)的復(fù)合來達(dá)到處理復(fù)雜非線性函數(shù)的目的,且可以實(shí)現(xiàn)多對(duì)象輸入到多目標(biāo)輸出的數(shù)學(xué)處理能力。因此,將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)應(yīng)用于庫(kù)岸塌岸預(yù)測(cè)問題的研究具有堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

(3)工程類比法[7]、[8]。利用現(xiàn)階段不同巖土體水下穩(wěn)定坡角、水位變幅帶坡角和水上穩(wěn)定坡角,與將來水庫(kù)蓄水后不同庫(kù)水條件下的岸坡坡形類比,從而進(jìn)行塌岸預(yù)測(cè)。圖解中根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪與勘探資料,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)不同巖土體在天然河道的平均枯水位以下、庫(kù)水漲幅帶以及平均洪水位以上三帶內(nèi)巖土體的穩(wěn)定坡角,然后根據(jù)各巖土層自然岸坡坡度統(tǒng)計(jì)值與前述類比原則,得出各巖土層在不同庫(kù)水位狀態(tài)下的穩(wěn)定坡角建議值,最后采用圖解法確定塌岸范圍。

(4)佐洛塔寥夫法[7]～[11]。此方法為前蘇聯(lián)學(xué)者佐洛塔寥夫于 1955年提出,著重強(qiáng)調(diào)庫(kù)水波浪作用,通過圖解法確定最終塌岸寬度。

對(duì)于在大型水庫(kù)的中、下游地段,松散物質(zhì)堆積岸坡(如殘坡積、崩坡積、滑坡堆積以及人工棄渣岸坡等),一般采用佐洛塔寥夫提出的圖解法。該法認(rèn)為:水庫(kù)中下游地段,水面較廣,波高增加,對(duì)庫(kù)岸的破壞,波浪作用是主要的。

佐洛塔寥夫圖解法考慮了水下堆積淺灘的影響,將下部起點(diǎn)設(shè)在堆積淺灘臺(tái)坎前緣,并且假設(shè)以該點(diǎn)的深度在正常高水位以下浪高h(yuǎn)處作為預(yù)測(cè) 10年期間的坍岸剖面,以該點(diǎn)深度位于保證率 5%枯水位以下 3 h(黏土類邊岸)或 2 h(砂土邊岸)深處作為確定最終坍岸剖面的起點(diǎn)。其作圖方法與卡丘金方法基本相同,且還分別考慮了下游寬闊部位和上游狹窄部位兩種情況。在實(shí)踐中須查明有多少比例的沖蝕土可組成堆積淺灘,其實(shí)際運(yùn)用較為復(fù)雜。

(5)平衡剖面法[7]～[12]。在水庫(kù)風(fēng)(波)浪和船行波的長(zhǎng)期作用下,岸坡斷面將逐漸調(diào)整至平衡位置,形成平衡斷面。因此可以根據(jù)水庫(kù)運(yùn)行特征、形成波浪規(guī)模及其作用規(guī)律,結(jié)合岸坡巖土體工程地質(zhì)特征,運(yùn)用水力學(xué)、泥沙運(yùn)動(dòng)學(xué)等理論以及實(shí)際觀察數(shù)據(jù),建立基于經(jīng)驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型,預(yù)測(cè)平衡斷面位置,從而獲得水庫(kù)塌岸范圍。該方法要求較高,實(shí)用性較差。

(6)兩段法[11]～[13]。王躍敏等人經(jīng)過近 10年數(shù)十處水庫(kù)塌岸的調(diào)查、研究,提出用“兩段法”的塌岸預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)。其原理為:預(yù)測(cè)塌岸線由水下穩(wěn)定岸坡線和水上穩(wěn)定岸坡線的連線組成時(shí),水下穩(wěn)定岸坡線由原河道多年最高洪水位及水下穩(wěn)定坡角確定,水上穩(wěn)定岸坡線由設(shè)計(jì)洪水位和毛細(xì)水上升高度及水上穩(wěn)定坡角確定。

該法適用于我國(guó)南方山區(qū)的峽谷型水庫(kù),庫(kù)面較窄,風(fēng)浪作用較小,岸坡地層為松散物質(zhì)堆積岸坡,并有較完整的水文氣象資料等。但在使用“兩段法”預(yù)測(cè)塌岸寬度的同時(shí),還需與其他方法進(jìn)行比較,全面驗(yàn)證其合理性,科學(xué)地取舍。

(7)岸坡結(jié)構(gòu)法[14]。許強(qiáng)等人在近 3年對(duì)三峽庫(kù)區(qū)數(shù)百段典型庫(kù)岸的塌岸地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和預(yù)測(cè)分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合三峽庫(kù)區(qū)和類比水庫(kù)塌岸模式、塌岸參數(shù)以及實(shí)際塌岸范圍的分析研究,提出了岸坡結(jié)構(gòu)法。

岸坡結(jié)構(gòu)法的主要原理就是根據(jù)岸坡上各種不同物質(zhì)的水下堆積坡角、沖磨蝕角、水上穩(wěn)定坡角和水庫(kù)的設(shè)計(jì)低水位、設(shè)計(jì)高水位來進(jìn)行預(yù)測(cè),其理論類似圖解法和類比法。該法適用于三峽庫(kù)區(qū)這種山區(qū)河谷型、結(jié)構(gòu)型水庫(kù)的沖(磨)蝕型和坍(崩)塌型庫(kù)岸,岸坡地層為黏性土、砂性土及巖石的全風(fēng)化地層。

2.1.2 定量分析法

(1)卡丘金公式法[7]～[12]。E· F·卡丘金于 1949年提出岸坡最終塌岸預(yù)測(cè)計(jì)算公式,其實(shí)質(zhì)是依據(jù)實(shí)測(cè)的洪枯水位變幅帶各類巖性岸坡長(zhǎng)期穩(wěn)定坡角,根據(jù)幾何關(guān)系用圖解法求解岸坡最終塌岸預(yù)測(cè)寬度,其精度取決于計(jì)算參數(shù)的選定。

類似卡丘金法的計(jì)算公式很多,其本質(zhì)是相同的,僅在考慮到計(jì)算參數(shù)時(shí)較多選自經(jīng)驗(yàn)值,因此在實(shí)際預(yù)測(cè)時(shí)必須對(duì)類似水動(dòng)力條件和類似巖土條件下的已有岸坡塌岸進(jìn)行觀測(cè),以獲得相應(yīng)的較為可靠的計(jì)算參數(shù)。有時(shí),參考水庫(kù)蓄水前洪、枯水位變幅帶岸坡形態(tài)數(shù)據(jù),也具有較好的預(yù)測(cè)效果。此法適用于自然岸坡較陡,且由松軟均質(zhì)土體如黃土、砂土、砂質(zhì)黏土以及黏土等組成的庫(kù)岸的塌岸預(yù)測(cè)。目前,在水庫(kù)塌岸預(yù)測(cè)中,多采用這種方法。

(2)動(dòng)力法[7]-[10]。動(dòng)力法是根據(jù)塌岸量與波能和巖石抗沖刷強(qiáng)度之間的關(guān)系建立預(yù)測(cè)公式:

式中:Q為庫(kù)岸單寬內(nèi)被沖刷的巖土體體積(m3/m);E為波浪作用于單寬庫(kù)岸的動(dòng)能(kN·m);KP為巖土體的抗沖刷系數(shù)(m3/t);t為水庫(kù)運(yùn)營(yíng)年限;b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),取決于濱岸淺灘中堆積部分的寬度,變化于 0.45～0.95之間。該法依據(jù)物理原理,結(jié)合一定量的觀測(cè)樣本建立預(yù)測(cè)公式。在海洋工程科學(xué)領(lǐng)域,借助于室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M,以及某些海岸工程的實(shí)地觀測(cè),建立了相應(yīng)的動(dòng)力法預(yù)測(cè)方程,預(yù)測(cè)海岸線范圍,供海岸工程加固設(shè)計(jì)使用。而在水庫(kù)塌岸預(yù)測(cè)中應(yīng)用較少。

(3)巖質(zhì)庫(kù)岸塌岸寬度預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)法[15]。維尼諾沃日洛夫曾經(jīng)介紹過關(guān)于巖質(zhì)庫(kù)岸塌岸預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)方法,采用一定的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式來預(yù)測(cè)塌岸的寬度。這種塌岸預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)法可用于軟巖或者強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)庫(kù)岸的塌岸寬度預(yù)測(cè)。

(4)數(shù)值模擬法。數(shù)值模擬是在建立地質(zhì)體工程地質(zhì)模型及力學(xué)性態(tài)本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,采用數(shù)值分析方法,求解地質(zhì)體(隨時(shí)間的)變形(位移)、應(yīng)力及破裂狀態(tài)的變化過程,從而達(dá)到對(duì)地質(zhì)體變形破壞,乃至運(yùn)動(dòng)進(jìn)行全過程描述的目的。

魏玉虎運(yùn)用快速拉格朗日分析法(FLAC)[16]、劉禮領(lǐng)(2003年)[17]運(yùn)用離散單元法等對(duì)庫(kù)岸進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。其中,FLAC法采用離散元的動(dòng)態(tài)松馳法,不需要求解大型聯(lián)立方程組(剛度矩陣),另一方面,同以往的差分分析方法相比,它不但能處理變形問題(包括大變形),而且能模擬巖體沿某一軟弱面產(chǎn)生的滑動(dòng)變形。同時(shí),FLAC還能針對(duì)不同材料特性,使用相應(yīng)的本構(gòu)方程來比較真實(shí)地反映實(shí)際材料的動(dòng)力行為。數(shù)值模擬方法較準(zhǔn)確地反映庫(kù)岸受力變化,應(yīng)用前景廣闊。

(5)土力學(xué)法。對(duì)于滑移型岸坡的穩(wěn)定性計(jì)算主要采用土力學(xué)方法,在進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算之前,應(yīng)根據(jù)岸坡水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)特征以及已經(jīng)出現(xiàn)的變形破壞跡象,對(duì)岸坡的可能破壞形式和穩(wěn)定性狀態(tài)做出定量判斷,確定破壞的邊界范圍、破壞的地質(zhì)模型,對(duì)破壞趨勢(shì)做出判斷。

岸坡穩(wěn)定性計(jì)算方法,根據(jù)岸坡類型和可能的破壞形式,可按下列原則確定:土質(zhì)滑坡和較大規(guī)模的碎裂結(jié)構(gòu)巖質(zhì)岸坡宜采用圓弧滑動(dòng)法計(jì)算;對(duì)可能產(chǎn)生平面滑動(dòng)的岸坡宜采用平面滑動(dòng)法進(jìn)行計(jì)算;對(duì)可能產(chǎn)生折線滑動(dòng)的岸坡宜采用折線滑動(dòng)法進(jìn)行計(jì)算。

2.1.3 其它方法

除了上述目前較常使用的方法外,如胡曉猛[4]、徐芳(2005年)[1]、李彥軍(2006年)[20]、劉天翔 (2006年)等學(xué)者也在水動(dòng)力學(xué)、可靠性分析等方面做出了有益探索。

2.2 傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法存在的問題

目前,常用的塌岸預(yù)測(cè)方法主要有卡丘金法、佐洛塔廖夫法、土力學(xué)法等。這些方法多屬于經(jīng)驗(yàn)性或半經(jīng)驗(yàn)性的[21],其原理多采用定性或半定量的模式,運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)圖解法確定塌岸范圍,而沒有反映出水流對(duì)庫(kù)岸的動(dòng)力作用。合理確定庫(kù)水位變動(dòng)作用下庫(kù)岸水流作用動(dòng)力場(chǎng)是庫(kù)岸岸坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵[22]。水庫(kù)岸坡穩(wěn)定性受庫(kù)水位變動(dòng)的影響很大,水位變動(dòng)對(duì)庫(kù)岸斜坡穩(wěn)定性的影響是通過改變庫(kù)岸坡體內(nèi)地下水動(dòng)力條件而實(shí)現(xiàn)的,因而,研究庫(kù)岸斜坡的水文地質(zhì)概念模型是很必要的。目前在對(duì)水庫(kù)斜坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)主要存在以下幾個(gè)方面的問題。

(1)塌岸預(yù)測(cè)方法需進(jìn)一步完善。傳統(tǒng)塌岸預(yù)測(cè)方法多采用經(jīng)驗(yàn)法,即用巖土的穩(wěn)定坡角圖解塌岸范圍,而這些方法沒有反映出庫(kù)岸塌岸發(fā)生的實(shí)時(shí)變化。由于庫(kù)岸地質(zhì)條件的復(fù)雜多變,加之庫(kù)水位的不斷變化,在以往直接應(yīng)用以上各種塌岸預(yù)測(cè)方法進(jìn)行水庫(kù)塌岸預(yù)測(cè)時(shí),造成其結(jié)果之間往往差別很大。

(2)對(duì)庫(kù)區(qū)岸坡受河流沖刷下切、橫向展寬的研究不夠深入。塌岸是水流淘刷庫(kù)岸、岸坡崩塌交替作用反復(fù)循環(huán)的一個(gè)過程。導(dǎo)致塌岸的原因主要有兩方面因素:岸坡土質(zhì)方面和河流動(dòng)力方面。目前,工程上主要考慮土質(zhì)因素,對(duì)河流動(dòng)力因素考慮較少,缺乏在考慮河流動(dòng)力條件下,分析庫(kù)岸穩(wěn)定性的方法與研究。因此,進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)塌岸機(jī)理的研究,探索其形成原因和規(guī)律,對(duì)防洪減災(zāi)和江河治理具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

2.3 新塌岸預(yù)測(cè)方法

針對(duì)以上的討論可知,傳統(tǒng)的塌岸預(yù)測(cè)方法多為經(jīng)驗(yàn)性的或僅考慮土力學(xué)原理,而未考慮河流對(duì)庫(kù)岸的沖刷下切和橫向變形作用的影響。近年來,一種建立在力學(xué)機(jī)理分析基礎(chǔ)上的水動(dòng)力學(xué)、土力學(xué)方法正逐漸發(fā)展起來。這種方法主要采用水動(dòng)力學(xué)原理計(jì)算河床沖淤變形,然后用土力學(xué)原理分析庫(kù)岸的穩(wěn)定性,并計(jì)算庫(kù)岸的崩塌量,適用于非黏性土岸坡和黏性土岸坡。

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