丹江口庫區某庫岸工程穩定性分析及治理措施

孟照蔚 孟兆凱 程心意 高 健 張石虎(.長江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 43000； .黃島區靈山衛街道辦，山東 青島 6647)

地質與勘測

丹江口庫區某庫岸工程穩定性分析及治理措施

孟照蔚1孟兆凱2程心意1高 健1張石虎1
(1.長江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010； 2.黃島區靈山衛街道辦，山東 青島 266427)

為了保證庫區人民正常生產生活，有必要對受蓄水影響的基礎設施及庫岸進行防護。介紹了丹江口庫區某庫岸工程地質條件、岸坡特征，對其典型剖面進行穩定性計算。通過采用回填壓腳、頂部削坡減載、混凝土預制塊護坡等綜合治理措施，使庫岸整體穩定性得到提高，為庫區地災治理提供了一種思路。

庫岸；穩定；穩定性分析；治理措施；丹江口水利樞紐

丹江口庫區地形較破碎，環境容量有限，庫區內安置居民點在場平過程中不可避免存在大挖大填問題，雖然住房多位于較為穩定的巖土體上，但受場地限制，一些基礎設施難免位于距離庫岸較近的填土之上。水庫正常運行后，水位抬升達13 m，漲落頻度加大，使庫岸工程地質和水文地質條件發生改變，導致整體穩定性降低。

該庫岸工程位于丹江口市牛河林區居民點西側，岸坡長約300 m，最大坡高41 m，坡度30°～40°，原岸坡主要為巖質岸坡，局部岸坡表層分布有厚度小于2 m的殘坡積層?，F岸坡在居民點建設過程中形成，岸坡物質來源主要為居民點場平棄渣，原巖主要為強～弱風化片巖，其次為殘坡積土。場平棄渣隨機回填于地形相對低洼地帶，從而形成現在的土質岸坡與土巖復合岸坡相間的新型岸坡。人工堆積層最大厚度約12 m，上面建有居民點對外交通道路。

目前，庫岸整體基本穩定，水庫蓄水后，最大淹沒深度約22 m。由于庫水浸泡，將造成人工堆積層強度降低，可能產生滑移變形；同時在庫水沖刷下，岸坡將坍岸后退，危及居民點臨水側道路及民房安全，影響居民點生產生活。由于該段庫岸淹沒深度較大，蓄水后治理難度增加，因此，有必要在蓄水前對其進行工程治理。

1 基本地質條件

工程區在大地構造上位于秦嶺褶皺系東南緣，跨北大巴山加里東冒地槽褶皺帶及南秦嶺印支冒地槽褶皺帶，東部緊鄰南陽—襄陽坳陷。工程區總體處于相對穩定的地塊上。區內出露巖體總體呈單斜構造，巖層總體傾北東，傾角一般49°～75°。工程區未見斷層發育?，F場調查表明，工程坡區內裂隙不發育且規模不大。

工程區內地貌類型主要為丘陵。原始地形總體為兩丘一溝，沖溝總體呈南北走向，溝長約300 m，溝底寬30～45 m，橫斷面上均呈寬緩“U”形。居民點位于東側丘陵之上，場平后地形平坦。

工程區內出露及勘探揭露地層由中元古界(Pt2)石英片巖和第四系(Q)松散堆積物組成。

2 岸坡特征

庫岸地質結構主要為土巖復合岸坡以及土質岸坡。岸坡物質來源主要為居民點場平棄渣，粒徑大于5 mm的碎石含量在70%左右，原巖主要為強～弱風化片巖，其次為殘坡積土。根據地質結構將庫岸分為5段，自南向北分別為：土質岸坡(第①段)、土巖復合岸坡(第②段)、土質岸坡(第③段)、土巖復合岸坡(第④段)、土質岸坡(第⑤段)。各段岸坡特征分述如下。

(1) 第①段。該段岸坡長130 m，為土質岸坡，最大坡高約30 m，平均坡度約37°。該段岸坡坡面均為人工堆積層(Qml)：坡眉表面有少量雜填土，由建筑垃圾或生活垃圾等形成，厚度小于1 m；下部由碎石土、碎塊石等素填土組成，厚2～12 m，多為建筑場平填土。覆蓋層下伏中元古界石英片巖(Pt2)。

(2) 第②段。該段岸坡長60 m，為土巖復合岸坡，最大坡高約35 m，平均坡度約35°。該段岸坡坡面上部為人工堆積層(Qml)，由碎石土、碎塊石等素填土組成，厚1 m左右，最厚約3 m，多為建筑場平填土；坡面中下部基巖出露，為中元古界石英片巖(Pt2)。

(3) 第③段。該段岸坡長30 m，為土質岸坡，最大坡高約40 m，平均坡度約29°，坡上部較陡，最大達46°。該段岸坡坡面均為人工堆積層(Qml)：坡眉表面有少量為雜填土，由建筑垃圾或生活垃圾等形成，厚度小于1 m；下部由碎石土、碎塊石等素填土組成，厚1～7.8 m，為建筑場平填土。覆蓋層下伏中元古界石英片巖(Pt2)。

(4) 第④段。該段岸坡長23 m，為土巖復合岸坡，最大坡高約40 m，平均坡度約32°。該段岸坡坡面上部為人工堆積層(Qml)：由碎石土、碎塊石等素填土組成，厚1 m左右，最厚約4 m，為建筑場平填土；坡面中下部基巖出露，為中元古界石英片巖(Pt2)。

(5) 第⑤段。該段岸坡長54 m，為土質岸坡，最大坡高約35 m，平均坡度約40°。該段岸坡坡面上部為人工堆積層(Qml)：由碎石土、碎塊石等素填土組成，厚1.2～10.0 m，為建筑場平填土；覆蓋層下伏基巖為中元古界石英片巖(Pt2)。

3 穩定性分析與評價

3.1 庫岸變形影響因素

(1) 滑移變形。水庫蓄水后填土的強度降低，庫岸穩定性亦隨之降低，可能導致庫岸失穩。失穩一般首先從坡腳開始，進而影響到整個岸坡，因此，預測其失穩形式為牽引式土體滑移變形。此外，土質岸坡坡表土體受到雨水浸泡時，土體強度迅速降低，加之岸坡地形較陡，亦可能導致局部土質岸坡垮塌。

(2) 庫岸再造。水庫運行過程中，由于水位升降變化，加之風浪的共同作用，水上岸坡及水下淺灘反復不斷地演變和再造，直到形成相對穩定的岸坡。

庫岸再造預測中，坡角地質類比法是應用最廣的一種方法[1]，其基本思路為：在系統分析庫岸地質環境及地質條件的基礎上，根據工程地質條件相近的鄰近河谷岸坡形態參數(包括水下、水上、水位變幅帶的侵蝕、堆積穩定坡角統計值等)類推水庫蓄水后相應水位作用帶的最終穩定坡角。然后以庫岸不同高程的穩定坡角為基礎，用圖解法求取蓄水運行后的最終坍岸寬度。

根據庫岸物質組成，回填土庫岸再造水上取25°，水下取15°，當基巖與覆蓋層接觸面分別大于25°或15°時則取基巖面。庫岸再造寬度最大43 m。庫岸再造最大影響范圍涉及到居民點西側的道路。

3.2 穩定性計算

根據《水利水電工程邊坡設計規范》(SL386—2007)[2]、《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252—2000)[3]，確定建筑物級別為三級，危害程度為較嚴重，岸坡的級別為四級，確定岸坡穩定性計算工況及對應的安全系數設計值如表1所示。

表1 庫岸計算工況及相應的安全系數

3.2.1 計算方法

根據庫岸的巖土物理力學特性，采用圓弧滑動法進行穩定性計算。計算軟件采用北京理正《邊坡穩定分析程序》(以下簡稱理正巖土)，計算方法采用簡化Bishop條分法進行穩定性計算，計算簡圖見圖1，計算公式：

(1)

(2)

表2 岸坡土體力學性質指標

圖1 圓弧滑動計算示意

式中，Wi為垂直荷載，包括土條自重和其上部的建筑荷載。其中，自重可將其分為兩部分，地下水位以上用濕容重計算，設為Wi1；地下水位以下用飽和容重計算，設為Wi2。其他垂直荷載，設為Pi。假設自重的作用線通過條塊寬度的中心線。ui為剪切面上的孔隙水壓力的合力，與剪切面正交。c′,φ′為剪切面抗剪強度(有效應力指標)。αi為土條地面傾角。

3.2.2 計算參數

據試驗成果并結合地區工程經驗，庫岸土體力學性質指標見表2。

3.2.3 計算結果

選取庫岸典型剖面進行計算，2-2′、 7-7′剖面分別位于第①段、第⑤土質岸坡，其安全系數計算結果見表3。

表3 庫岸典型剖面安全系數計算結果

3.3 穩定性評價

據穩定性計算分析，對于第①、③、⑤三段土質岸坡，天然狀態下基本處于極限平衡狀態。當水庫蓄水至170 m(吳淞高程)，岸坡坡腳在庫水侵蝕下，處于不穩定狀態，可能產生滑移破壞，影響居民正常生產生活，因此需對現土質岸坡進行治理 。

對于第②段和第④段土巖復合岸坡，庫水淹沒線以下主要為基巖。水庫蓄水后，預測岸坡總體穩定，強風化巖在庫水作用下，淺表層將產生侵蝕，剝蝕型輕微庫岸再造。

4 防護措施

水庫蓄水后填土的強度降低，庫岸穩定性隨之降低，可能導致產生滑移變形。由于坡頂有居民房屋和公路等對象，且距庫岸坡眉較近，不具備大規模削方放坡的條件，因此治理措施考慮回填壓腳、坡頂局部削坡減載及坡面防護的綜合方案。治理的范圍主要是3條沖溝所在區域(即第①、③、⑤段)，對于基巖出露庫岸不進行防護。該方案施工方便，工期可得到保證。通過治理后，不僅可以有效控制岸坡土體滑移變形，也可防止庫岸再造。

坡頂至178.50 m坡比為1∶1.75，以削坡為主；高程178.50～171.00 m坡比為1∶2.0，以回填為主，局部削坡；高程171.00～154.00 m回填坡比為1∶2.25；高程154.00m至坡腳，回填坡比為1∶2.5。在高程178.50，171.00 m和162.00 m各設置3 m寬馬道，在154.00 m處設置4 m寬馬道。

根據計算成果，4-4′剖面至7-7′剖面段土體圓弧容易從坡腳第四系坡洪積層剪出，所以在坡腳回填之前，對局部坡洪積層進行開挖換填。坡腳換填開挖坡比為1∶2.0，開挖換填至143.00 m，同時為增加坡腳抗滑力，整體回填至147.00～149.00 m左右。

考慮庫水位對岸坡再造的影響，高程171.00 m以下坡面采用混凝土預制塊護坡，混凝土預制塊護坡采用C20混凝土預制塊干砌。高程171.00 m以上坡面為生態護坡，采用六邊形鏤空混凝土預制塊護面，并回填沃土。

典型剖面設計見圖2，3。治理后典型剖面安全系數見表4。

圖2 庫岸治理措施典型剖面示意(2-2′)

工況條件設計安全系數K2-2′7-7′工況11．1861．361正常條件工況21．151．1761．171工況31．2651．248非常條件工況41．051．1681．100

圖3 庫岸治理措施典型剖面示意(7-7′)

5 結 論

(1) 通過對庫岸基本地質條件、岸坡特征的研究，確定了庫岸失穩破壞模式，并選取典型剖面進行相應的穩定性計算。

(2) 針對土質岸坡，采用回填壓腳、頂部削坡減載、混凝土預制塊護坡等綜合措施進行治理，節約工期，為庫區地災治理提供了一種思路。

[1] 范云沖，張友誼，胡卸文.庫岸再造預測方法及其評價[J] .四川水力發電，2002，21(4):69-71.

[2] SL386-2007水利水電工程邊坡設計規范[S].

[3] SL252-2000水利水電工程等級劃分及洪水標準[S].

(編輯：李 慧)

2016-10-20

孟照蔚，男，長江巖土工程總公司(武漢)，工程師.

1006-0081(2016)12-0035-04

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