蓋孜河塔什米力克引水工程邊坡穩定分析

蘇 陽

(新疆喀什噶爾河流域管理局，新疆 喀什 844000)

1 引言

邊坡穩定性問題經常出現在水利工程建設中，邊坡的穩定性將直接關系到水利工程的正常使用。周創兵[1]認為水電邊坡較為高陡、規模巨大且需要長期的安全運行。因此，以高陡邊坡生命周期為研究對象，分析復雜工況下，邊坡的變形演化過程和穩定性情況。張社榮等[2]對國內典型的滑坡進行總結分析，概化出數值模擬模型，對邊坡穩定性系數進行分析，結果表明：強降雨會造成邊坡應力變化，在臨空位置易產生破壞，長期降雨造成邊坡巖土體孔隙中孔壓增大，較容易產生深層滑動破壞。王小東等[3]以高精度的DEM數據和GIS 為基礎數據，采用瑞典條分法對成層非均質庫岸邊坡進行穩定性分析計算，使穩定性計算呈現出可視化效果。張文杰等[4]認為庫水位的周期性變化便會引起岸坡穩定性產生變化，以滲流理論為基礎，研究水位變化對岸坡安全系數的影響，結果表明：巖土體的滲透性是水位升降時影響岸坡穩定性的主要因素。余神光等以高樁碼頭岸坡為研究對象，分析三種方法（條分法、強度折減法、Spencer 法）下，岸坡穩定性差異，結果表明：條分法與強度折減法之間的誤差小于10%。鄭洪春等[6]以理論計算為基礎提出了一種新的岸坡穩定性的計算方法。結果表明：在考慮承壓水的影響作用下，水位變化對岸坡穩定性產生較大的影響。以蓋孜河塔什米力克引水工程邊坡為例研究水位變化對河道岸坡穩定性的影響。

2 工程背景

喀什噶爾灌區地處新疆西南地區，位于塔里木盆地西部邊緣，南接昆侖山，北靠西天山，西邊緊鄰帕米爾高原，東側連接塔克拉瑪干大沙漠。喀什噶爾灌區主要分為三個部分：克孜河子灌區、庫山河子灌區、蓋孜河子灌區。蓋孜河東岸輸水干渠處于疏附縣塔什米里克鄉西部，源頭起于蓋孜河塔什米里克渠首，往東北方向延伸至蓋孜河三道橋渠首上游25 km處，整個引水通道長約24 km。經過現場調查該段巖土體類型主要為卵石土，表層為填土，密實度較好，滲透性較差。

3 岸坡安全系數分析

3.1 計算方法

目前常用的河岸岸坡穩定性計算方法有3 種。（1）水平層法，主要為楔形塌岸計算模式，將成n 層的岸坡進行n-1 次迭代計算，獲取安全系數；（2）垂直切片法；（3）拉伸剪切法，以方法（1）為基礎，假設塌岸角度為90°以此來計算安全系數，計算方法如式（1）所示。

式中：L 為總層數；i 為層數；c,φ 為內聚力和內摩擦角；P 為塌岸長度；O 為外界水壓力；W 為巖土體自重。

利用岸坡穩定性型和河流斷面形式結合岸坡巖土體強度參數計算岸坡的安全系數判斷其穩定性情況。研究表明：Fs＞1.3 時岸坡處于穩定狀態；1≤Fs≤1.3 時岸坡處于條件穩定狀態；Fs＜1 時岸坡處于不穩定狀態。

圖2 不同退水速率下岸坡安全系數

3.2 穩定性計算條件

穩定性計算需要考慮岸坡的內外影響因素。內因主要為：巖土體組成類型、強度等。外因主要包括：水壓力、護岸工程、人工擾動、植被覆蓋等。具體計算條件如下：（1）枯水期。該條件下河流水位較低，岸坡破壞土體部分位于水面以上，部分位于水面以下。假設水面以上巖土體不受水的影響。位于水面以下的巖土體，其容重使用飽和容重來計算。（2）洪水期。該條件下，河流水位處于一個相對較高的水平，可假設巖土體均位于水面以下。此時全部土體均需要考慮水作用的影響。（3）漲退水期。水位上升或下降過程中，巖土體含水率將會發生改變，其力學性質也將隨之改變。若水位變化速率較快，則巖土體力學強度變化較小，反之，巖土體強度變化較大。該過程岸坡穩定性計算參數的選取可通過強度參數的改變幅度來反應水位變化的速率。

4 不同工況下邊坡穩定性計算

4.1 枯水期、洪水期穩定性

根據式（1）計算不同水位時，岸坡的安全系數。計算結果見圖1。由圖1 可知，該地區岸坡安全系數隨著水位升高逐漸降低。當水位高于20 m 時，將淹沒整個岸坡，安全系數小于1，邊坡極易產生破壞。當水位較低時，安全系數大于1.3，此時岸坡穩定性較好。水位較低時，巖土體基本全部位于水位線以上，且新疆地區相對較為干燥，處于空氣中的巖土體含水率較低，巖土體c,φ 值較大，因此，在岸坡破壞面上的抗破壞能力較強。隨著水位上升，土體不斷被洪水淹沒直至整個岸坡被洪水淹沒，被淹沒部分巖土體自身強度降低，且容重增大，岸坡破壞面上的抗破壞能力減弱，同時，水位上升產生水流方向的側向水壓力，這將對邊坡破壞產生一定的抵抗作用；水位上升時的安全系數是同時考慮巖土體強度和側向水壓力兩者相互作用的結果。

圖1 不同水位下岸坡安全系數

4.2 退水期穩定性計算

根據式（1）計算不同退水速率時，岸坡的安全系數。計算結果見圖2。由圖2 可知，退水速率較慢的情況下，該岸坡安全系數較大，退水速率越快，安全系數越低。且在相同水位時，不同的退水速率會產生不同的安全系數。在水位變化較快時，該岸坡易產生破壞，這是由于退水速率較快時，不能保證巖土體中地下水完全的排出，此時，巖土體內部含水率最大，強度最低，破壞面下滑力增強，且失去了水流通過時的側壓力，因此，這種情況下，岸坡極易產生破壞。

4.3 漲水期穩定性計算

根據式（1）計算不同漲水速率時，岸坡的安全系數。計算結果見圖3。由圖3 可知不同漲水速率下安全系數變化不同。漲水速率越快，安全系數變化較小，因為在水位變化時，表層覆蓋的填土滲透性較差，水位快速上漲，但洪水并未完全滲透進入岸坡巖土體中，此時，坡體內部巖土體含水率處于一個相對較低的水平且強度變化較小，同時較高的水位會產生相對較大的側向水壓力，這對岸坡穩定性起到正相關作用。

圖3 不同漲水速率下岸坡安全系數

5 結論

（1）河道岸坡的穩定性與河水水位、水位變化速率、河岸岸坡巖土體類型組成密切相關。其穩定性是自身巖土體強度和河流水位綜合作用的結果。

（2）退水速率越快，該類型河流岸坡安全系數較大。退水初期，河岸安全系數變化較慢，當坡體內部地下水完全排出時，安全系數會恢復至一個相對較高的水平。

（3）漲水速率越快，該類型邊坡安全系數降低速度較慢。洪水位的快速上漲，使得坡體內部并未形成飽和狀態，巖土體強度變化幅度較小，且受到水流側壓力的作用，岸坡穩定性相對較好。