基于多種庫岸再造預測方法的分析及應用

馬利偉，李涌泉

（四川省林業和草原調查規劃院，四川 成都 610081）

1 引言

庫區蓄水后，水位上升、水深加大、水面加寬。水位上升，庫區水直接作用于岸壁 ，影響庫岸邊坡的穩定性。水深加大、水面加寬，在同樣風速條件下，波浪對庫岸的沖擊淘蝕等破壞作用加強。在庫區水位下降時，尤其是庫水位的突然大幅消落時，庫岸坡土體內產生很大的滲透壓力，使土體產生滲透破壞，加速庫岸坡體破壞。并且庫區塌岸往往突發性強，時間短，對庫區沿岸建筑物危害大。因此，在復建庫區公路工程前，對庫區蓄水后庫岸邊坡的穩定性及影響范圍的評價預測十分必要［1］。

本文以溪古水電站庫區復建公路工程K245+380～K246+100段為實例，分析計算蓄水后庫岸邊坡的穩定性，預測塌岸范圍。

2 工程概況

溪古水電站正常蓄水位高程為2857m，死水位高程為2805m，水位變幅52m，總庫容9776.6萬m3，調節庫容6996萬m3。該庫區公路復建工程起于九龍縣城外S215線K242+907.16處，在K254+412.62接上S215線,路線全長10.22km。全線按照三級公路技術標準進行復建，設計速度30km/h，路基寬度7.5m，瀝青混凝土路面，橋梁寬度9.0m，涵洞與路基同寬，橋涵設計荷載為公路-Ⅰ級，設計洪水頻率1/100，隧道建筑界限為8.5m×4.5m，地震烈度為Ⅶ度。

K245+380～K246+100段邊坡陡，距離蓄水位線較近，且主要為第四系下中更新統碎石土（Q1-2fgl）覆蓋層，覆蓋層厚度較大，有粘性土，碎石主要成分為板巖、砂巖，其余為砂質、泥質、粉土充填。該類巖土體在水作用下，物理力學特性變化顯著，嚴重影響庫岸邊坡的穩定性。因此，預測分析蓄水后庫岸邊坡的預測塌岸范圍，直接關系到復建公路工程的設計修建，對工程的設計建設都具有很強的指導意義。

3 場地的地質概況

3.1 地形地貌

工程區地處橫斷山北段，屬青藏高原與四川盆地的過渡帶，地勢西北高、東南低，沿河兩岸山巒重疊，山勢巍峨，一般山脈海拔4000～5000m，東北面貢嘎山主峰高達7556m，拔河高1000～3000m。庫區兩岸山體雄厚，分水嶺高程多在4600～4800m之間，拔河高1800～2000m，屬高山峽谷地貌。

3.2 地層巖性

場地地層巖性概況如下。

（1）礫質粉質粘土：灰白色，稍密-中密，稍濕。該層主要分布于坡體表層，一般厚度為0.6～1.5m。

（2）碎石土：青灰色，碎石主要成分為板巖、砂巖，碎石呈棱角狀～次棱角狀，塊碎石含量25%～60%，粒徑2～9cm，其余為砂質、泥質、粉土充填，稍濕，稍密～中密，厚度1.5～60.0m。

（3）基巖：基巖出露，三疊系的變質砂巖、板巖，黃灰色，強風化～中風化，強風化帶厚度0.5～1.5m。

3.3 地震

根據四川省地震局工程地震研究院提供的《四川省九龍縣沙坪電站、一道橋電站、偏橋電站、五一橋電站、溪古電站、踏卡電站和斜卡電站工程場地地震安全性評價報告》，工程區場地地面50年超越概率10%的水平峰值加速度123cm/s2，基巖50年超越概率10%水平峰值加速度97cm/s2，地震動反應譜特征周期為0.45s，相應的地震基本烈度為Ⅶ度。

4 庫岸再造預測

4.1 庫岸再造預測方法

庫岸再造預測中準確的塌岸不是一次可以完成的，是一個長期的過程，必須對水庫運行期間的塌岸剖面進行跟蹤式水準測量，用以檢驗、修正和再預測先期的長期預測結果［2］。

目前，預測方法主要分為計算法和圖解法兩類：計算法以Е·Г·卡丘金法及北京理正軟件邊坡穩定性評價方法最為普遍；圖解法以Г·С·佐洛塔寥夫法及王躍敏等提出的兩段法最為普遍［3，7］。本文以溪古水電站庫區復建公路工程K245+380～K246+100段為實例，分別采用計算法Е·Г·卡丘金法及圖解法Г·С·佐洛塔寥夫法對其庫岸再造影響進行分析比較。

4.2 Е·Г·卡丘金法預測

Е·Г·卡丘金法預測塌岸最終寬度公式計算時，碎石土顆粒粗，坡腳處易形成堆積，修正系數N取值要進行調整；水位變幅采用對塌岸實際產生影響的變幅；坡腳處為平緩臺地時，考慮到為堆積區，不會產生波浪沖刷，故波浪沖刷深度hp取值為0［4］。

復建公路沿線位于斜卡水電站庫區地段，受庫區水位影響較大，特別是地表為松散土體地段，塌岸變形直接影響路基邊坡的穩定［5，8］。根據現場調查情況針對不同土質情況選有代表性地段作斷面，按公式 ：St=N［A+hp+hB］Ctgα+（H-hB）Ctgβ-（A+hp）Ctgγ

進行計算，其中水庫蓄水和消落水位為2857～2805m，變幅為52m計。

式中：St為塌岸最終寬度（m）； A為庫水位變化幅度（m），取52m；N為與岸坡物質組成有關的經驗系數；hp為波浪沖刷深度（m）；hB為浪擊高度或浪爬高度（m）；H為正常蓄水位以上岸坡高度（m）； α為淺灘沖刷后水下穩定坡角（度）；β為岸坡水上穩定坡角（度）； γ為原始岸坡坡角（度）。

詳見圖1 覆蓋層塌岸預測寬度計算示意圖。

利用Е·Г·卡丘金法預測塌岸最終寬度公式計算。該路段距離蓄水位線水平距離2～70m，垂直距離5～25m，以K245+680典型斷面計算，參數選取與其地質條件最為接近的的K245+380～起點填方段的希望小學工程工程點的勘察實驗數據及現場實際經驗綜合取值計算。綜合取值表如表1所示。

圖1 覆蓋層塌岸預測寬度計算示意圖

表1 穩定坡腳取值表

現利用Е·Г·卡丘金法預測塌岸最終寬度公式計算，計算結果如表2所示。

表2 K245+380～ K246+100左庫岸段邊坡塌岸計算成果表

經上述計算可得，剖面1-1最終塌岸寬度52.7m，剖面2-2最終塌岸寬度60.49m，剖面3-3最終塌岸寬度68.28m。塌岸最大最終寬度為68.28m，而該區蓄水位線距離設計線路的水平距離為2～70m。塌岸問題對設計線路有很大影響。

4.3 Г·С·佐洛塔寥夫法預測

Г·С·佐洛塔寥夫法具體的預測步驟如下。

（1）繪制出預測地點的地形地質剖面。

（2） 標出水庫正常高水位線與水庫最低水位線。

（3）由正常高水位向上標出波浪爬高線，爬升高度 可取一個波高。

（4）由最低水位向下，標出波浪影響深度線。影響深度 取（1/3～1/4）波長，粘性土應大一些，砂土小些。

（5）在波浪影響深度線上選取a點，該點位于堆積淺灘帶與淺灘外緣陡坡帶之轉折點處，該點的選取應使堆積系數 之值與圖中所列數值相符。

（6）由a點向下，根據淺灘堆積物的巖性繪出外緣陡坡，使之與原斜坡線相交；其穩定坡度 ；粉細砂土和粘性土為＜8°～12°，卵石層和粗砂土為＜18°～20°。由 點向上繪出堆積淺灘的坡面線，與原斜坡線相交于b點：其穩定坡度 ：細粒砂土為l°～1.5°，粗砂小礫石為3°～5°。

（7）由b點作沖蝕淺灘的坡面線，與正常高水位線相交c點：其穩定坡度 視b、c間岸坡巖性而定。

（8）由c點作波浪爬升帶的坡面線，與波浪爬升高度水位線相交于d點，其穩定坡度 按圖2.8-3法采取。

（9） 繪制水上岸坡坡面線de； 據自然坡角確定。

（10）檢驗堆積系數與經驗數據是否相符，如不符則向左或向右移動a點并按上述重新作圖，直至適合為止［6］。

Г·С·佐洛塔寥夫法預測塌岸范圍圖解示意圖如圖2所示。

圖2 Г·С·佐洛塔寥夫法預測塌岸范圍示意圖解

利用Г·С·佐洛塔寥夫法，通過工程地質類比及結合野外調查資料分析。該段因死水位線低于河道溝底高程，因此暫不考慮淺灘臺坎及堆積部分的影響。依此按照Г·С·佐洛塔寥夫法預測塌岸線可得如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 Г·С·佐洛塔寥夫法剖面1-1預測塌岸線

圖4 Г·С·佐洛塔寥夫法剖面2-2預測塌岸線

圖5 Г·С·佐洛塔寥夫法剖面3-3預測塌岸線

如上圖所示，通過Г·С·佐洛塔寥夫法預測的蓄水后，剖面1-1最終塌岸寬度（正常蓄水位線以上）63.28m，剖面2-2最終塌岸寬度78.80m，剖面3-3最終塌岸寬度82.02m。塌岸最大最終寬度為82.02m，而該區蓄水位線距離設計線路的水平距離為2～70m。塌岸問題對設計線路有很大影響。

4.4 兩種方法的比較分析

計算法Е·Г·卡丘金法及圖解法Г·С·佐洛塔寥夫法預測結果如表3所示。

表3 兩種方法預測結果分析表

依據上述兩種方法預測結果表分析：兩種預測方法對設計線路是否受影響的評價結果是一致的，塌岸問題對設計線路有很大影響；計算法Е·Г·卡丘金法比圖解法Г·С·佐洛塔寥夫法的預測結果偏于保守樂觀。

5 結語

本文以溪古水電站庫區復建公路工程K245+380～K246+100段為實例，通過現有普遍的預測方法分析，分別采用計算法Е·Г·卡丘金法及圖解法Г·С·佐洛塔寥夫法對其1-1、2-2、3-3等三個斷面的庫岸再造影響進行分析比較。主要獲得以下幾方面認識：

（1）Е·Г·卡丘金法及Г·С·佐洛塔寥夫法兩種預測方法對設計線路是否受影響的評價結果是一致的，塌岸問題對設計線路有很大影響。

（2）該地區計算法Е·Г·卡丘金法比圖解法Г·С·佐洛塔寥夫法的預測結果偏于保守樂觀。