浮山縣臣南河水庫岸坡穩定性分析

劉 釗

（山西省臨汾市悅海水利勘測設計有限公司,山西 臨汾 041000）

1 概述

臣南河水庫位于浮山縣城北5.0 km 處的丞相河村東,澇河上游段的南河干流上,總庫容538.56 萬m3,壩頂高程716.5 m,最大壩高30.0 m,壩長286.0 m,壩頂寬6.0 m。大壩為均質碾壓土壩,設計正常高水位712.5 m,水庫樞紐工程主要建筑物由大壩、泄洪洞、溢洪道組成。是一座以調蓄浮山供水工程和流域內地表水,為農業灌溉、城鎮生活和工業供水,兼有防洪等綜合利用的小（1）型水庫。工程等別為Ⅳ等,主要建筑物為4 級,次要建筑物為5 級,設計洪水標準為30 年一遇,校核洪水標準為300 年一遇。

據1/1000 庫區地形圖,在迴水范圍內,庫區岸坡以較陡的土質邊坡為主,順河長度800 m～1700 m,順坡寬度32 m～196 m,左岸自然坡度18°～58°,右岸自然坡度26°～75°。水庫兩岸岸坡地層巖性為：第四系中更新統（Q2）、低液限粘土、粘土、低液限粉土,砂、砂卵礫石。由于庫岸岸坡較陡,水庫蓄水后,土質岸坡遇水后,受浪蝕沖刷,可能產生不同程度坍岸。因此,本文對庫岸陡岸坡進行分析評價其穩定性以及對大壩安全運行的影響程度。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

庫區位于臨汾斷陷盆地東部,太岳丘陵區與盆地交界的洪積扇上。屬黃土丘陵溝壑區及山前傾斜平原地貌單元,庫區河段基本上呈對稱的箱型河谷,由兩條支溝匯集而成,兩條支溝中間為單薄嶺,海拔高程左岸802 m～772 m,右岸798 m～782 m,單薄嶺931 m～791 m。河床最低高程為685 m～689 m,溝岸與谷底相對高差90 m～120 m。主河道縱坡14.6‰,兩支河匯流后河底寬約127 m～160 m。主河道呈NNW 向發育,河道較為平直。

2.2 地層巖性

庫區地層巖性為：

上第三系上新統（N2）：深紅、棕褐色低液限粘土、砂質粘土、卵礫石混合土,桔黃色低液限粘土夾鈣質膠結層。分布于中更新統下部。未見層底。

第四系中更新統（Q2）：棕紅色低液限粉土,棕紅色古土壤（低液限粘土）,灰黃色細砂,粉砂土夾薄層粘土,卵礫石混合土層,局部半膠結。厚17 m～30 m,分布于兩岸。

第四系上更新統（Q3）：低液限粘土、低液限粉土,厚3 m～8 m,主要分布于兩岸頂部。

第四系全新統（Q4）：低液限粉土、含礫細砂,粉砂土,砂礫石層；厚13.8 m～9.6 m,分布于河谷底部及較大沖溝內。

2.3 地質構造

庫區內構造簡單,黃土覆蓋較厚,沒有斷裂和褶皺構造分布,也沒有貫穿庫區的大斷層。區內地震活動較頻繁,強度較高,歷史上曾發生6 級以上地震8 次。工程區距臨汾新裂陷區約50 km,發生6 級以上地震3 次。

區內地震動峰值加速度0.20 g,動反應譜特征周期0.40 s,地震烈度Ⅷ度。

2.4 物理地質現象

庫區主要物理地質現象為崩塌現象,庫區兩岸岸坡較陡,為土質岸坡,水庫蓄水后,在水的浸泡下陡岸岸坡有崩塌現象,其范圍不大。

2.5 水文地質

庫區地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙潛水,主要賦存于河漫灘和兩岸卵礫石混合土,砂層、粉砂土中。地下水直接接受大氣降水的補給,地下水向下游溝谷逕流排泄。主河床地下水位685.7 m～687.13 m,左岸地下水位700.63 m～687.13 m,右岸地下水位700.53 m～695.93 m。兩岸地下水補給河水。地下水化學類型以重碳酸鈣鈉型為主。地表水（河水）化學類型為重碳酸鈣鉀鈉型,不存在對混凝土的分解和結晶侵蝕作用。

3 岸坡穩定性分析評價

3.1 庫區土質岸坡穩定性分析

3.1.1 地質條件

庫區岸坡在迴水范圍內,以較陡的土質邊坡為主,順河長度800m～1700m,順坡寬度32m～196m,左岸自然坡度18°～58°,右岸自然坡度26°～75°。岸坡為中更新統洪積物（Q2pl）、低液限粘土、粘土、低液限粉土,卵礫石混合土。當水庫蓄水后,土層遇水后,由于浪蝕沖刷,可能產生不同程度的坍岸。

3.1.2 庫區長期預測最終坍岸帶寬度計算

坍岸寬度進行預測,在庫區兩岸岸坡布置了12 條坍岸預測剖面進行預測計算。

根據影響坍岸的主要因素分析,庫區的土質岸坡坡度大于45°的地段為坍岸相對較嚴重的地段。岸坡坡度小于45°的地段為不會發生坍岸或輕微坍岸的地段。庫區內各岸坡按均質岸坡考慮。當水庫達到正常高水位712.5m 時,預測庫區最終坍岸寬度,采用《水利水電工程地質手冊》中,均質庫岸長期預報最終坍岸帶寬度計算公式計算：

式中：S 為坍岸帶最終寬度,m；N 為與土的顆粒大小有關的系數；A 為庫水位變化幅度,m；hp為波浪沖刷深度,m；hB為波浪爬高,m；H 為正常蓄水位以上岸坡高度,m；為淺灘沖刷后水下穩定坡腳,（°）；β為岸坡水上穩定坡腳,（°）；γ為原始岸坡坡腳,（°）。

1）參數選取：N 為與土的顆粒成分有關的系數,對低液限粘土,低液限粉土,N 取0.8。取12°和15°,β取45°,波高取1.0 m,hp一般相當于1～2 倍波高,hp取2.0 m,hB大體為0.1～0.8 倍波高,hB取0.8 m。

2）計算結果

各剖面中引用公式計算參數取值及計算結果見表1。庫岸長期預測最終坍岸方量估算見表2。

表1 坍岸最終寬度計算參數取值及計算結果匯總表

續表1

表2 庫岸長期預測最終坍岸方量估算結果匯總表

經計算庫區最終坍岸方量為30.75 萬m3～40.19 萬m3。土質岸坡最終坍岸帶寬度當=12°時,為22.3 m～40.4 m 之間,庫區長期坍岸總方量為40.19 萬m3,其中：水上坍岸方量為30.76 萬m3,水下坍岸方量為9.43 萬m3。當=15°時,為17.7 m～33.7 m之間,庫區長期坍岸總方量為30.75 萬m3,其中：水上坍岸方量為23.16 萬m3,水下坍岸方量為7.59 萬m3。

岸坡坍岸方量為岸坡正常蓄水位以上,按最終坍岸帶寬度范圍內估算,坍岸帶寬度及坍塌方量是水庫多年運行后可能產生的數值。庫區岸坡為低液限粘土、粘土,粘粒含量在18.0%～44.0%,平均28.6%,粘粒含量較高,抗沖刷能力相對較強,坍岸速度相對較慢,故坍岸持續時間較長。

3.2 近壩庫岸岸坡穩定分析

3.2.1 工程地質條件

壩軸線位于南河中下游,單薄嶺下游380 m,河床地面高程688.63 m～688.94 m,河谷寬174 m。左岸地面高程701.1 m～737.3 m,右岸地面高程707.94 m～755.99 m。左岸岸坡較緩,右岸岸坡較陡。近壩左、右岸分布有中更新統（Q2）低液限粘土,低液限粉土,細砂,卵礫石混合土,下部上新統（N2）粘土,卵礫石混合土透鏡體。

3.2.2 左、右岸近壩庫岸岸坡穩定分析

壩軸線左、右岸岸坡為土質岸坡,左岸位于污水處理廠的下游,岸坡頂高程727.57 m,坡高35.9 m,坡角23°～55°。右岸岸坡頂高程738 m,坡高48.7 m,坡角7.3°～69.2°。

岸坡穩定計算,采用簡化畢肖普法進行邊坡穩定計算,公式如下：

式中：FS為邊坡穩定安全系數；i 為土條編號；為土條底部傾角,（°）；c 為土條底部粘聚力,kPa；φ為土條底部內摩擦角,（°）；W 為土條重,kN。

岸坡穩定計算參數取值：土的密度1.41 g/cm3,飽和密度1.79 g/cm3,凝聚力25.5 kPa,摩擦角15.5°；卵礫石混合土的密度1.8 g/cm3,飽和密度2.05 g/cm3,凝聚力4 kPa,摩擦角35°。地震烈度Ⅷ度。

計算時在天然狀態時、考慮地震、地下水影響,不考慮暴雨及洪水沖刷的情況下,其穩定系數計算結果見表3。

表3 近壩庫岸岸坡穩定系數計算結果匯總表

4 穩定性評價

評價庫岸穩定性要考慮岸坡穩定安全系數ks,根據《水利水電工程邊坡設計規范》,邊坡安全級別2 級,邊坡穩定安全系數Kst取1.10～1.05。當Ks＞Kst時,岸坡處于穩定狀態,當Ks＜Kst時,岸坡處于不穩定狀態,當k=ks時,處于臨界穩定狀態。岸坡穩定安全系數根據岸坡現狀,研究程度及參數的選取情況,結合工程實際情況,將邊坡安全系數取1.05。

5 結語

本文對浮山縣臣南河水庫工程近壩庫岸岸坡進行了穩定性計算分析,根據邊坡穩定性計算結果,左岸岸坡處于穩定狀態,右岸岸坡又高又陡,處于不穩定狀態,蓄水后岸坡易產生坍塌。經對庫岸坍岸計算,在正常蓄水位以上坍岸寬度,左岸為22.3 m,右岸為31.0 m。建議對岸坡進行削坡、排水等綜合性整治措施。