某庫岸邊坡穩定性分析及治理研究

張千發

(山東省調水工程運行維護中心 膠州管理站，山東 青島 266300)

0 引 言

庫岸邊坡穩定性問題是當前水庫施工及蓄水后被關注的焦點，邊坡破壞是極為復雜的失穩過程，受邊坡巖土體結構[1]、礦化成分[2]、地震[3]、降雨[4]、水位升降[5]等內外因素耦合作用。目前，較多的研究認為降雨和水位波動更易于觸發庫岸邊坡發生滑塌或失穩[6-8]，主要針對三峽庫區各類邊坡穩定性開展了理論分析[9]、數值模擬[10]和室內試驗[11]等工作，取得了一些成果。庫岸邊坡滑塌后的變形破壞特征是獲得此類滑坡變形破壞機制、災后防護治理的有效而重要的信息之一，庫岸挖方邊坡的坡形設計和穩定性分析一直是巖土工程的一個重要內容。安全合理的坡形設計、計算參數的選取、邊界條件和安全系數的確定直接影響邊坡穩定性評價結果的準確性。

本文以某庫岸塌岸邊坡為研究對象，針對塌岸邊坡所處的場地條件展開地質條件調查，采用Zolotalov法和Kachugin法對該邊坡塌方發生的可能性進行預測，并提出針對庫岸塌方邊坡的支擋防護措施。

1 工程概況

某庫岸邊坡位于湖北省境內，按總平面設計規劃，需開挖山體形成90 m左右的挖方邊坡，地形坡度約為22°～26°，局部陡峭處坡度可達60°。庫岸邊坡西側、中部均發育有 V字形沖溝，長、寬、深分別為70、5、25 m和15、5、25 m。東部地勢平緩，坡度一般低于15°。研究區主要以西側沖溝段岸坡為例進行相關分析和探討。該段沖溝岸坡走向70°～100°、流向145°，坡面坡度在16°～26°之間，場地地層主要為第四系粉質黏土，局部夾粒徑4～20 cm的碎石，碎塊石母巖為次棱角狀中風化泥質砂巖，粒徑均為4 cm，最大可達20 cm，覆蓋層厚度在5～14 m之間，局部可達25 m;其下為泥質砂巖和頁巖互層。巖土體物理力學參數見表1、表2。場地典型工程地質橫剖面圖見圖1、圖2。

表1 地基土主要物理力學性質指標

表2 地基巖層主要物理力學性質指標

圖1 場地典型工程地質橫剖面圖

圖2 岸坡坡腳工程地質橫剖面圖

庫水位高程為139 m。萬年洪水位162.4 m，千年洪水位160.2 m，汛限水位153.1 m。

2 岸坡沖溝段塌岸預測

本文采用Zolotalov法和Kachugin法對該塌岸邊坡進行預測。

2.1 Zolotalov預測法

2.1.1 基本原理

Zolotalov認為庫岸邊坡在水位升降造岸侵蝕的作用下,形成圖3所示的最終岸坡形態。從坡低至坡頂可分為5段：oa段為淺灘邊緣區、ab段為堆積區、bc段為沖蝕區、cd段為爬升區、de段為水上區。

圖3 佐洛塔廖夫圖解法庫岸再造預測剖面

具體預測步驟如下：①工程地質測繪；②確定岸坡水位枯水/洪峰及正常水位；③以常水位為起點順坡向上確定水位坡高高度；④以枯水位為起點向坡腳方向確定水位浸潤影響深度；⑤以淺灘邊緣區和堆積區的轉折點確定為a點，該點的確定與邊坡侵蝕堆積系數有關；⑥從a點起始以一定角度繪制直線交于岸坡坡面線為b點，繪制角度與土性有關，一般而言黏性土取值在10°，非黏性土土取為20°；⑦從b點起始以一定角度繪制直線交于洪峰水位線為c點，繪制角度與基巖巖性有關；⑧從c點起始以一定角度繪制直線交于水位爬升高度線為d點；⑨以邊坡穩定性自然坡腳為基礎，從d點起繪制直線交于邊坡坡面線于e點；⑩檢驗驗證。

2.1.2 參數的確定

1)穩定岸坡角的確定。穩定岸坡角度分為水上和水下兩部分。在邊坡沒入水下部分是指在庫水位多次升降循環過程中能夠使其保持最終穩定狀態的邊坡角度；水上部分是在邊坡自然重力或自然侵蝕作用下能始終穩定的邊坡坡度。以葛洲壩水位為例，其蓄水后正常水位為175 m，枯水位145 m。根據工程地質分析原理，可將庫岸穩定坡角取值范圍按水位波動進行分類，分類區間及取值建議見表3。

表3 庫岸穩定坡角取值表

2)爬升高度與影響深度的確定。Andrejanov認為，水位爬升高度h與庫水位波動長度L、邊坡坡腳水深最大值H、區域平均風速w、庫水水面寬度D有關，并根據相關區域資料整理提出了經驗計算公式：

(1)

式(1)的提出是基于一定區域的既有資料整理而獲得，其適用性有待考究。已有研究認為，其主要適用于風平浪靜的場地、常年庫水位波動在10%以內且水面寬闊、邊坡坡度較緩的場地。根據有關資料，研究區常年主導風向為東南風，平均風速1.0 m/s，最大瞬時風速20 m/s，吹程按0.5 km計算。因此，平均浪高h=1.7 m。根據佐洛塔廖夫預測法，波浪爬升高度(hb)取一個波高，影響深度(hp)取波長的l/3～l/4，本研究岸坡段取3.5 m。

3)堆積系數的確定。堆積系數Ka用下式確定：Ka=F1/F2×100%。式中F1為未受侵蝕的堆積體體積；F2為被侵蝕沖刷走的物質體積。

本研究區邊坡塌岸發生高度為187 m，塌方塌落高度、寬度分別為12和50 m，坡體以松散碎塊石堆積為主，堆積系數Ka可按最小值20%或最大值25%取值。佐洛塔廖夫法預測圖見圖4，按照《三峽庫區三期地質災害防治工程地質勘查技術要求》[12]中塌岸強烈程度分級的標準，本庫段塌岸強烈程度為A級。

圖4 香溪汽渡北岸庫岸A段佐洛塔廖夫法塌岸預測圖

2.2 Kachugin預測法

Kachugin預測法計算公式為：

(2)

其中hb=3.2K×h×tanα

式中：S為預測的庫岸邊坡塌岸的最終塌落寬度，m；N為土性修正系數；A為庫水位波動水位差，m；h、hp、hb分別為與庫水浪涌相關的系數，分別為浪高、爬坡高度及常水位高度，m；α、β分別為水上下岸坡穩定性坡腳，(°)；γ為邊坡穩定性坡腳，(°)；K為岸坡粗糙系數，取0.6。

式(2)的精確計算完全依賴于與計算過程中相關參數的取值，本方法的原理圖見圖5。

圖5 卡丘金圖解法庫岸再造預測剖面

卡丘金法預測圖見圖6。

圖6 香溪汽渡北岸庫岸A段卡丘金法塌岸預測圖

結果表明，本庫段塌岸高度12.2 m，塌岸影響高程187.2 m，塌岸寬度約49.1 m。按照《三峽庫區三期地質災害防治工程地質勘查技術要求》中塌岸強烈程度分級的標準，本庫段塌岸強烈程度為A級。

從預測結果來看，佐洛塔廖夫和卡丘金法結果較為一致，本庫段塌岸高度在12～13 m之間，塌岸影響高程在187～188 m之間，塌岸寬度在48～50 m之間。

3 治理措施

工程防治目標為：根據庫岸再造預測，在穩定性分析的基礎上進行塌岸的支擋防護，在三峽水庫蓄水過程中及正常運行后，保證岸坡在設計年限的正常運行和安全，并切實保障受塌岸影響的城鎮功能與配套設施正常發揮作用。具體支擋防護措施如下：采用坡腳抗浮樁分段治理的防治理念，既可以保證邊坡上段既有公路的穩定運行，又可以保證邊坡下段碼頭渡口的穩定性。同時，搭配坡面漿砌片石+坡面排水溝，提高邊坡整體穩定性的同時增加坡體排水能力。

4 結 論

本文以三峽大壩庫區某庫岸塌岸邊坡為研究對象，針對塌岸邊坡所處的場地條件展開詳細的地質條件調查，采用Zolotalov法和Kachugin法對邊坡塌岸穩定性進行分析。研究結果表明，需對譚家槽沖溝段岸坡進行工程治理。根據工程實際及預測結果，建議采用坡腳抗浮樁分段進行治理，既可以保證邊坡上段既有公路的穩定運行，又可以保證邊坡下段碼頭渡口的穩定性。同時，搭配坡面漿砌片石+坡面排水溝，提高邊坡整體穩定性的同時增加坡體排水能力。