淺析土質水庫岸塌岸預測方法及問題

劉 猛,陳福江,施春華

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

1 水庫塌岸的主要危害

水庫蓄水常常引起一些工程地質問題,塌岸是其中之一。庫岸在自然營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或其它來源的泥沙搬運至某些岸坡堆積起來,這兩方面的作用可引起庫岸的進退,改變著水下岸坡的坡度和深淺[1]。水庫蓄水后,由于水位抬高,破壞了原有的平衡狀態,庫岸周邊的坡地,受到水的浸濕及風浪、水流的沖蝕作用,發生坍塌,這就是水庫塌岸。隨著時間的延長,庫岸不斷的坍塌破壞,庫岸線也逐漸后退,直到達到新的平衡狀態為止。這一過程稱為水庫的庫岸再造[2]。

水庫塌岸所造成的危害主要表現為:(1)坍塌后,大量巖土體滑進庫內,產生附加淤積,減少了有效庫容,對庫容較小的水庫影響較明顯;(2)進壩的大體積滑坍塌體急速跌入水中,產生巨大的涌浪,對大壩造成沖擊荷載,漫壩水體將威脅下游建筑物的穩定;(3)坍塌使庫邊大片的農田、村鎮、工礦企業、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水口,支流的大規模崩滑體可堵塞河道,造成斷流斷航;(5)坍塌也可引起河勢的改變[3],特別是對于庫區上游段蜿蜒型河段,坍塌常引起主流易位,使港口航道不能正常運用,容易造成海事;(6)庫岸坍塌破壞了原始岸坡的自然平衡,常常誘發大面積庫岸滑坡、崩塌;(7)坍塌還可對壩下游河道的淤積產生不利影響[4]。庫岸坍塌造成的危害極為嚴重,如何有效及時的防治庫區地質災害的發生尤為重要。

2 水庫塌岸預測方法

2.1 傳統塌岸預測方法

水庫塌岸預測理論最早來源于前蘇聯,在二十世紀四五十年代,前蘇聯薩瓦連斯基、卡丘金、佐洛塔寥夫等研究了蘇聯的水庫塌岸問題,提出的塌岸范圍預測的基本計算方法和圖解法。近年來,有關水庫塌岸預測方法的研究仍在進行;現階段,預測庫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)模糊綜合評判法[5]。岸坡穩定性模糊評價是指在建立評價指標體系的基礎上,根據各指標對岸坡穩定性的影響程度給定一定的權重值,并應用不確定數學方法,按照某種數學關系準則(如最大隸屬度原則),對岸坡穩定性等級給出綜合性判斷及預測結論(如穩定、不穩定等)。

(2)神經網絡法[6]。神經網絡模型是國際上前沿研究領域的新興交叉學科,已在模式識別、自動控制等應用研究領域取得很好的效果。庫岸穩定性評價是綜合條件共同作用的結果,其影響因素復雜。而神經網絡法基本原理是可以通過簡單線性函數的復合來達到處理復雜非線性函數的目的,且可以實現多對象輸入到多目標輸出的數學處理能力。因此,將神經網絡模擬技術應用于庫岸塌岸預測問題的研究具有堅實的技術基礎。

(3)工程類比法[7]、[8]。利用現階段不同巖土體水下穩定坡角、水位變幅帶坡角和水上穩定坡角,與將來水庫蓄水后不同庫水條件下的岸坡坡形類比,從而進行塌岸預測。圖解中根據地質測繪與勘探資料,現場調查統計不同巖土體在天然河道的平均枯水位以下、庫水漲幅帶以及平均洪水位以上三帶內巖土體的穩定坡角,然后根據各巖土層自然岸坡坡度統計值與前述類比原則,得出各巖土層在不同庫水位狀態下的穩定坡角建議值,最后采用圖解法確定塌岸范圍。

(4)佐洛塔寥夫法[7]～[11]。此方法為前蘇聯學者佐洛塔寥夫于 1955年提出,著重強調庫水波浪作用,通過圖解法確定最終塌岸寬度。

對于在大型水庫的中、下游地段,松散物質堆積岸坡(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。該法認為:水庫中下游地段,水面較廣,波高增加,對庫岸的破壞,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,將下部起點設在堆積淺灘臺坎前緣,并且假設以該點的深度在正常高水位以下浪高h處作為預測 10年期間的坍岸剖面,以該點深度位于保證率 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。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。在實踐中須查明有多少比例的沖蝕土可組成堆積淺灘,其實際運用較為復雜。

(5)平衡剖面法[7]～[12]。在水庫風(波)浪和船行波的長期作用下,岸坡斷面將逐漸調整至平衡位置,形成平衡斷面。因此可以根據水庫運行特征、形成波浪規模及其作用規律,結合岸坡巖土體工程地質特征,運用水力學、泥沙運動學等理論以及實際觀察數據,建立基于經驗的數學模型,預測平衡斷面位置,從而獲得水庫塌岸范圍。該方法要求較高,實用性較差。

(6)兩段法[11]～[13]。王躍敏等人經過近 10年數十處水庫塌岸的調查、研究,提出用“兩段法”的塌岸預測設計。其原理為:預測塌岸線由水下穩定岸坡線和水上穩定岸坡線的連線組成時,水下穩定岸坡線由原河道多年最高洪水位及水下穩定坡角確定,水上穩定岸坡線由設計洪水位和毛細水上升高度及水上穩定坡角確定。

該法適用于我國南方山區的峽谷型水庫,庫面較窄,風浪作用較小,岸坡地層為松散物質堆積岸坡,并有較完整的水文氣象資料等。但在使用“兩段法”預測塌岸寬度的同時,還需與其他方法進行比較,全面驗證其合理性,科學地取舍。

(7)岸坡結構法[14]。許強等人在近 3年對三峽庫區數百段典型庫岸的塌岸地質現場調查和預測分析的基礎上,結合三峽庫區和類比水庫塌岸模式、塌岸參數以及實際塌岸范圍的分析研究,提出了岸坡結構法。

岸坡結構法的主要原理就是根據岸坡上各種不同物質的水下堆積坡角、沖磨蝕角、水上穩定坡角和水庫的設計低水位、設計高水位來進行預測,其理論類似圖解法和類比法。該法適用于三峽庫區這種山區河谷型、結構型水庫的沖(磨)蝕型和坍(崩)塌型庫岸,岸坡地層為黏性土、砂性土及巖石的全風化地層。

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測計算公式,其實質是依據實測的洪枯水位變幅帶各類巖性岸坡長期穩定坡角,根據幾何關系用圖解法求解岸坡最終塌岸預測寬度,其精度取決于計算參數的選定。

類似卡丘金法的計算公式很多,其本質是相同的,僅在考慮到計算參數時較多選自經驗值,因此在實際預測時必須對類似水動力條件和類似巖土條件下的已有岸坡塌岸進行觀測,以獲得相應的較為可靠的計算參數。有時,參考水庫蓄水前洪、枯水位變幅帶岸坡形態數據,也具有較好的預測效果。此法適用于自然岸坡較陡,且由松軟均質土體如黃土、砂土、砂質黏土以及黏土等組成的庫岸的塌岸預測。目前,在水庫塌岸預測中,多采用這種方法。

(2)動力法[7]-[10]。動力法是根據塌岸量與波能和巖石抗沖刷強度之間的關系建立預測公式:

式中:Q為庫岸單寬內被沖刷的巖土體體積(m3/m);E為波浪作用于單寬庫岸的動能(kN·m);KP為巖土體的抗沖刷系數(m3/t);t為水庫運營年限;b為經驗常數,取決于濱岸淺灘中堆積部分的寬度,變化于 0.45～0.95之間。該法依據物理原理,結合一定量的觀測樣本建立預測公式。在海洋工程科學領域,借助于室內試驗模擬,以及某些海岸工程的實地觀測,建立了相應的動力法預測方程,預測海岸線范圍,供海岸工程加固設計使用。而在水庫塌岸預測中應用較少。

(3)巖質庫岸塌岸寬度預測的經驗法[15]。維尼諾沃日洛夫曾經介紹過關于巖質庫岸塌岸預測的經驗方法,采用一定的經驗計算公式來預測塌岸的寬度。這種塌岸預測經驗法可用于軟巖或者強風化巖質庫岸的塌岸寬度預測。

(4)數值模擬法。數值模擬是在建立地質體工程地質模型及力學性態本構模型的基礎上,采用數值分析方法,求解地質體(隨時間的)變形(位移)、應力及破裂狀態的變化過程,從而達到對地質體變形破壞,乃至運動進行全過程描述的目的。

魏玉虎運用快速拉格朗日分析法(FLAC)[16]、劉禮領(2003年)[17]運用離散單元法等對庫岸進行了穩定性分析。其中,FLAC法采用離散元的動態松馳法,不需要求解大型聯立方程組(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生的滑動變形。同時,FLAC還能針對不同材料特性,使用相應的本構方程來比較真實地反映實際材料的動力行為。數值模擬方法較準確地反映庫岸受力變化,應用前景廣闊。

(5)土力學法。對于滑移型岸坡的穩定性計算主要采用土力學方法,在進行穩定性計算之前,應根據岸坡水文地質、工程地質、巖體結構特征以及已經出現的變形破壞跡象,對岸坡的可能破壞形式和穩定性狀態做出定量判斷,確定破壞的邊界范圍、破壞的地質模型,對破壞趨勢做出判斷。

岸坡穩定性計算方法,根據岸坡類型和可能的破壞形式,可按下列原則確定:土質滑坡和較大規模的碎裂結構巖質岸坡宜采用圓弧滑動法計算;對可能產生平面滑動的岸坡宜采用平面滑動法進行計算;對可能產生折線滑動的岸坡宜采用折線滑動法進行計算。

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)等學者也在水動力學、可靠性分析等方面做出了有益探索。

2.2 傳統預測方法存在的問題

目前,常用的塌岸預測方法主要有卡丘金法、佐洛塔廖夫法、土力學法等。這些方法多屬于經驗性或半經驗性的[21],其原理多采用定性或半定量的模式,運用經驗參數圖解法確定塌岸范圍,而沒有反映出水流對庫岸的動力作用。合理確定庫水位變動作用下庫岸水流作用動力場是庫岸岸坡穩定性評價的關鍵[22]。水庫岸坡穩定性受庫水位變動的影響很大,水位變動對庫岸斜坡穩定性的影響是通過改變庫岸坡體內地下水動力條件而實現的,因而,研究庫岸斜坡的水文地質概念模型是很必要的。目前在對水庫斜坡的穩定性進行評價時主要存在以下幾個方面的問題。

(1)塌岸預測方法需進一步完善。傳統塌岸預測方法多采用經驗法,即用巖土的穩定坡角圖解塌岸范圍,而這些方法沒有反映出庫岸塌岸發生的實時變化。由于庫岸地質條件的復雜多變,加之庫水位的不斷變化,在以往直接應用以上各種塌岸預測方法進行水庫塌岸預測時,造成其結果之間往往差別很大。

(2)對庫區岸坡受河流沖刷下切、橫向展寬的研究不夠深入。塌岸是水流淘刷庫岸、岸坡崩塌交替作用反復循環的一個過程。導致塌岸的原因主要有兩方面因素:岸坡土質方面和河流動力方面。目前,工程上主要考慮土質因素,對河流動力因素考慮較少,缺乏在考慮河流動力條件下,分析庫岸穩定性的方法與研究。因此,進一步加強對塌岸機理的研究,探索其形成原因和規律,對防洪減災和江河治理具有重大的現實意義。

2.3 新塌岸預測方法

針對以上的討論可知,傳統的塌岸預測方法多為經驗性的或僅考慮土力學原理,而未考慮河流對庫岸的沖刷下切和橫向變形作用的影響。近年來,一種建立在力學機理分析基礎上的水動力學、土力學方法正逐漸發展起來。這種方法主要采用水動力學原理計算河床沖淤變形,然后用土力學原理分析庫岸的穩定性,并計算庫岸的崩塌量,適用于非黏性土岸坡和黏性土岸坡。

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