東莊水庫黃土岸坡的塌岸預(yù)測方法研究

岳永峰，羅延婷，李 偉

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450003;2.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引言

水庫塌岸系指水庫蓄水后，松散堆積體或遇水易沖刷、崩解的半巖質(zhì)巖層，受庫水浸泡、風(fēng)浪及船行波浪沖擊、水流侵蝕以及干濕交替等的影響，導(dǎo)致庫岸巖土體風(fēng)化加劇，抗剪強度降低，以及庫水位漲落引起庫岸地下水動水壓力變化，造成庫岸侵蝕—剝蝕、崩塌、滑移等再造變形，使庫岸線不斷后移的不良地質(zhì)現(xiàn)象［1－4］。目前，水庫塌岸的長期預(yù)測仍主要采用卡丘金法、佐洛塔廖夫法、兩段法、庫岸結(jié)構(gòu)法等圖解預(yù)測方法［5］。

1 東莊水庫區(qū)基本地質(zhì)條件

東莊水庫區(qū)位于涇河下游峽谷段。正常蓄水位789 m 高程時，水庫回水至彬縣棗渠電站，回水長度約96.7 km，主要涉及陜西省淳化、禮泉、永壽和彬縣四縣。

水庫區(qū)處于陜北黃土塬區(qū)西南緣，河谷深切，沖溝眾多，河曲發(fā)育。庫區(qū)兩岸坡頂塬面較平緩，大部分被黃土覆蓋，邊緣發(fā)育有深切的溝谷。

庫區(qū)基巖為二疊系、三疊系砂頁巖及奧陶系碳酸鹽巖。天然狀態(tài)下，庫區(qū)岸坡穩(wěn)定性好，水庫蓄水后，庫水位附近黃土岸坡受庫水影響將產(chǎn)生塌岸。

2 東莊水庫黃土岸坡塌岸預(yù)測方法

2.1 卡丘金法

卡丘金法適用于塌岸范圍內(nèi)全部為松散層的塌岸預(yù)測，東莊水庫局部段為深厚的黃土岸坡，對該類岸坡選用卡丘金法進行塌岸預(yù)測是合適的?？ㄇ鸾鸱ㄒ罁?jù)庫水升降范圍內(nèi)各類巖土體水下水上穩(wěn)定坡角，根據(jù)幾何關(guān)系，用圖解法求得最終塌岸寬度，見圖1。

卡丘金法計算公式如下:

式中:St——塌岸帶最終寬度(m)，St=N×S;A——庫水位變化幅度(m);N——與土顆粒大小有關(guān)的系數(shù)，粘土取N=1.0，壤土取N=0.8，黃土取N=0.6，砂土取N=0.5，砂卵石取N=0.4;hP——波浪沖刷深度(m)，hP=0.64arsh(8.1 h)，浪高用安德烈揚諾夫經(jīng)驗公式進行計算［10］:h=0.020 8×W5/4×L1/3，式中W 為風(fēng)速(m/s)，取當?shù)刈畲箫L(fēng)16 m/s;L 為吹程(km)，取水庫蓄水達到正常洪水位時，預(yù)測庫岸段水庫寬度;當起算點M 為基巖面或河床時，取hP=0;hB——浪擊高度或浪爬高(m)，hB=3.2 Khtgα，K 為被沖蝕岸坡粗糙系數(shù)，一般取K=0.60，砂岸取K=0.55～0.75，礫石岸取K=0.85～0.90;H——正常蓄水位以上岸坡高度(m)，實際為計算剖面上塌岸后緣點P 與正常蓄水位的高差，P 點通過試算確定;α——淺灘沖刷后水下穩(wěn)定坡角，與波浪高度和組成岸邊坡的土粒物質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，根據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊》中不同波浪高度(h=0.020 8×W5/4×L1/3)下松散堆積物α 值相關(guān)曲線(圖2)，并參考三門峽、小浪底等工程，取粘土α=3°～5°，壤土α=5°～7°，砂土α=9°～12°，砂礫石層α=14°～18°;β——岸坡水上穩(wěn)定坡角，參考三門峽及官廳等實測資料(表1)，根據(jù)調(diào)查區(qū)內(nèi)土體結(jié)構(gòu)特征，粘土及壤土取β=45°～60°(當H ＞20 m 時取45°)，砂土取β=45°～65°，砂礫石取β=60°～70°;γ——原始岸坡坡角，取野外觀測及地形圖估算值，實際為計算剖面上塌岸起算點M 與O 點(波浪爬升高度線與地形線的交點)連線的傾角。

圖2 不同波高情況下幾種松散土的水下穩(wěn)定坡角αFig.2 Slope angle α of underwater stability about several loose soil in different wave height

2.2 幾何圖解法

在實際操作過程中發(fā)現(xiàn)東莊水庫區(qū)絕大多數(shù)黃土岸坡在假定的塌岸范圍(卡丘金法)內(nèi)存在基巖面，且基巖面傾角遠大于黃土水下穩(wěn)定坡角，卡丘金法不能適用，而一般圖解法需要畫出剖面，對塌岸估測效率太低。因此，結(jié)合實際地質(zhì)條件，將該類岸坡模型化(見圖3)，并根據(jù)幾何關(guān)系，將塌岸計算公式化，用于補充卡丘金法的不足，并將其命名為幾何圖解法，提高庫區(qū)塌岸預(yù)測的效率。

表1 相關(guān)水庫岸坡水上穩(wěn)定坡角β 值表 單位:(°)Table 1 Slope angle β of stability of related reservoir slope

圖3 幾何圖解法預(yù)測塌岸示意圖Fig.3 Schematic diagram of prediction of bank collapse by geometry diagram

幾何圖解法計算公式如下:

式中:St——塌岸帶最終寬度(m)，St=N×S;N——與土顆粒大小有關(guān)的系數(shù)，粘土取N=1.0，壤土取N=0.8，黃土取N=0.6，砂土取N=0.5，砂卵石取N=0.4;hB——浪擊高度或浪爬高(m)，hB=3.2Khtgα，K為被沖蝕岸坡粗糙系數(shù)，一般取K=0.60，砂岸取K=0.55～0.75，礫石岸取K=0.85～0.90;T——計算剖面上塌岸后緣點P 松散堆積層豎直厚度(m);α——淺灘沖刷后水下穩(wěn)定坡角，與波浪高度和組成岸邊坡的土粒物質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，根據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊》中不同浪高下松散堆積物α 值相關(guān)曲線(圖2)并參考三門峽、小浪底等工程，取粘土α=3°～5°，壤土α=5°～7°，砂土α=9°～12°，砂礫石層α=14°～18°;β——岸坡水上穩(wěn)定坡角，參考三門峽及官廳等實測資料(表1)，根據(jù)調(diào)查區(qū)內(nèi)土體結(jié)構(gòu)特征，粘土及壤土取β=45°～60°(當H ＞20 m 時取45°)，砂土取β=45°～65°，砂礫石取β=60°～70°;γ——原始岸坡坡角，取野外觀測及地形圖估算值，實際為計算剖面上O 點(波浪爬升高度線與地形線的交點)與P 點(計算剖面上塌岸后緣點)連線的傾角，P 點通過試算確定;δ——基巖面傾角，取野外觀測及估測值，實際為計算剖面上R 點(波浪爬升高度線與基巖面的交點)與Q 點(計算剖面上塌岸后緣點P 正下方的基巖面點)連線的傾角，P 點通過試算確定。

3 結(jié)論

卡丘金法對東莊水庫部分大范圍黃土岸坡塌岸預(yù)測是適用的。但卡丘金法有其局限性，僅適用于塌岸范圍內(nèi)全部為黃土的塌岸預(yù)測，當假定的塌岸范圍(卡丘金法)內(nèi)存在基巖面，且基巖面傾角大于黃土水下穩(wěn)定坡角，卡丘金法不能適用，地質(zhì)模型發(fā)生了改變，直接采用卡丘金法顯然不合適，這時需要結(jié)合實際的地質(zhì)條件，新建地質(zhì)模型及計算公式，這種新的方法即為幾何圖解法。

在東莊水庫黃土岸坡塌岸預(yù)測分析中，幾何圖解法彌補了卡丘金法適用性的不足。對不同地質(zhì)條件岸坡選用與其相適用的塌岸預(yù)測方法，能使塌岸預(yù)測更加高效且預(yù)測結(jié)果更接近實際，對于水庫建設(shè)具有重要意義。

［1］李智毅，楊裕云.工程地質(zhì)學(xué)概論［M］.北京:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1994.

［2］李慶中.三門峽庫區(qū)潼三段存在的問題及治理措施［J］.人民黃河，2000，22(12):7－8

［3］趙曉彥，胡厚田.萬縣長江三峽庫區(qū)塌岸的數(shù)值模擬分析［J］.水土保持學(xué)報，2003，15(5):157－ 160.

［4］蔣改山.無定河流域水庫塌岸預(yù)測方法研究［J］.人民黃河，2009(3):68－69.

［5］彭土標.水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊［M］.北京:中國水利水電出版社，2011.