應(yīng)用圖解法確定黃土區(qū)高窯水庫(kù)庫(kù)岸的穩(wěn)定坡角

楊 虎

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州743000)

蘭州新區(qū)高窯水庫(kù)選定的康家井沙溝庫(kù)址位于永登縣馬家坪鎮(zhèn)附近的康家井沙溝內(nèi)，庫(kù)址東南距新區(qū)約35 km，西北距永登縣城約33 km。水庫(kù)主要任務(wù)為蘭州新區(qū)供水，由引大東二干渠注入式供水，水源為大通河。工程區(qū)有縣鄉(xiāng)公路通過(guò)，交通較為便利。

由于高窯水庫(kù)庫(kù)岸大部分為黃土庫(kù)岸，黃土區(qū)水庫(kù)庫(kù)岸多不穩(wěn)定，水庫(kù)蓄水后會(huì)引起工程地質(zhì)條件惡化，庫(kù)水會(huì)對(duì)邊坡的側(cè)向沖刷、坡角掏蝕、浸泡且在坡度較陡處形成崩塌。為了解決這一問(wèn)題，避免繁瑣的計(jì)算，本文采用圖解法，能夠比較準(zhǔn)確的得出庫(kù)岸的穩(wěn)定坡腳，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以便在以后的工程中得到應(yīng)用。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 庫(kù)區(qū)地形地貌

工程區(qū)地處北祁連褶皺帶的南部新生代拗陷區(qū)內(nèi)，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，地形地貌、地層巖性受地質(zhì)構(gòu)造控制。區(qū)內(nèi)總體地勢(shì)北高南低，海拔高程2 000～2 500 m之間，相對(duì)高差約500 m。地貌主要呈現(xiàn)為南北向展布的構(gòu)造剝蝕基巖低中山區(qū)、薄層黃土覆蓋的剝蝕黃土低中山區(qū)、壟狀低緩殘丘與條帶狀延伸的川階地相間的地貌景觀。

1.2 水庫(kù)庫(kù)岸的地層巖性

水庫(kù)蓄水后庫(kù)岸的地層巖性主要以第四系黃土及黃土狀土為主，庫(kù)水會(huì)對(duì)庫(kù)岸進(jìn)行側(cè)向沖刷、坡角掏蝕、浸泡且在坡度較陡處形成崩塌?，F(xiàn)將地層巖性分述如下:

中更新統(tǒng)(Q2):主要由離石黃土(Q2)、沖洪積(alplQ2)粉質(zhì)壤土構(gòu)成，分布于構(gòu)造剝蝕黃土低中山的中心，剝蝕丘陵區(qū)及溝谷川階地區(qū)。

離石黃土(Q2):由低液限粉土、粘土組成，呈土黃、微紅及淺褐紅色，土質(zhì)均勻，斷面可見(jiàn)淡灰色米粒狀斑點(diǎn)，偶夾淺紅色粉砂質(zhì)粘土及黑褐色壤土條帶。結(jié)構(gòu)密實(shí)，無(wú)空隙，含鈣質(zhì)結(jié)核，具水平層理。

粉質(zhì)壤土(al－plQ2)分布于康家井沙溝、西溝槽東西兩側(cè)廣大的黃土剝蝕低中山區(qū)，構(gòu)成低中山的山體骨架。地層主要為沖洪積的離石黃土，局部段有砂碎石透鏡體、夾層存在。

上更新統(tǒng)(Q3):由洪積物(plQ31)、風(fēng)積物(eolQ3

2)構(gòu)成，分布于構(gòu)造剝蝕黃土低中山的兩肩、剝蝕丘陵區(qū)及溝谷川階地區(qū)。

洪積物(plQ31)主要分布于庫(kù)內(nèi)溝床、西溝槽及構(gòu)造剝蝕黃土(al－plQ2)低中山的兩肩，其巖性因分布地域不同而不同。庫(kù)內(nèi)溝床地層具二元結(jié)構(gòu)，上部為粘土，呈土黃色，厚5～15 m，其結(jié)構(gòu)中密～密實(shí)，含水量大，呈可塑狀態(tài)，具中低壓縮性，無(wú)濕陷性。

風(fēng)積馬蘭黃土(eolQ32)分布于康家井沙溝、西溝槽的剝蝕中低山、黃土丘陵區(qū)，覆蓋于中更新統(tǒng)(al－plQ2)離石黃土、上更新統(tǒng)洪積物(plQ31)之上，呈“戴帽子”狀，一般厚3～15 m，局部厚達(dá)25 m。土黃、淺黃色，以粉粒為主，土質(zhì)均勻，疏松，具大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，具中高壓縮性和中強(qiáng)濕陷性。

全新統(tǒng)(Q4):成因多樣，主要為溝道洪積物、坡積物、崩積物及莊浪河沖洪積物。

洪積物(plQ4):主要分布于工程區(qū)的康家井沙溝、西溝槽等現(xiàn)代沖溝中，巖性分為兩層。上部為粉土，土質(zhì)較均勻，具層理，偶夾砂碎石透鏡體，具大孔隙。

坡積物(d1Q4):主要分布于山前坡腳，巖性多為粉土(次生黃土)，土質(zhì)不均勻，以砂粒為主，結(jié)構(gòu)疏松，厚0.5～3 m。

崩積物(co1Q4):主要分布于上壩址庫(kù)區(qū)左岸高陡邊坡坡底，巖性多為粉土(次生黃土)，土質(zhì)不均勻，以粉粒為主，結(jié)構(gòu)疏松，順坡堆積，厚0.5～10 m。

沖洪積物(a1－plQ4):主要分布于莊浪河河谷，形成河漫灘、Ⅰ、Ⅱ級(jí)階地。巖性為沖洪積粉土、砂角礫，結(jié)構(gòu)疏松，厚度不一。

2 圖解法確定典型黃土庫(kù)岸穩(wěn)定坡角

2.1 薄層馬蘭黃土覆蓋的離石黃土(al－plQ2)庫(kù)岸

該類庫(kù)岸主要分布在庫(kù)內(nèi)溝床兩岸及支溝前緣兩側(cè)，岸坡坡度一般20°～50°，長(zhǎng)約8.1 km，約占67%。擋水岸坡地層巖性為薄層馬蘭黃土覆蓋的離石黃土。其中表層馬蘭黃土厚約3～10 m，結(jié)構(gòu)疏松，抗沖刷能力弱，下伏離石黃土(al－plQ2)，結(jié)構(gòu)中密～密實(shí)，抗沖刷能力相對(duì)較強(qiáng)。塌岸預(yù)測(cè)采用圖解法，選取中間數(shù)值進(jìn)行估算(如圖1)，水庫(kù)蓄水后，將從階地前緣陡坎中的A點(diǎn)開(kāi)始，按馬蘭黃土的水下坡角16°再造至其頂面B點(diǎn)，按al－plQ2離石黃土的水下坡角22°再造至C后至設(shè)計(jì)蓄水位。在水面以上，離石黃土、馬蘭黃土將按其水上坡角60°、55°再造至D、E點(diǎn)，岸坡始達(dá)新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

據(jù)此求得該類岸坡最終塌岸寬度一般在35～65 m之間，塌岸方式主要是剝落、塌滑。局部段庫(kù)岸岸坡較陡、庫(kù)水較深，在蓄水初期有較大面積庫(kù)岸再造的可能，因此需在蓄水前對(duì)高陡的近壩庫(kù)岸削坡減載，放緩岸坡，離石黃土一般水上 55°～65°，水下 20°～24°，馬蘭黃土水上 50°～60°，水下14°～18°，同時(shí)對(duì)坡面進(jìn)行砌石護(hù)坡，防止表面沖刷。

圖1 庫(kù)岸塌岸示意圖一(據(jù)康復(fù)生等)

2.2 離石黃土(al－plQ2)庫(kù)岸

該類庫(kù)岸主要分布在庫(kù)左岸因洪流淘蝕坡腳形成崩塌后的高陡庫(kù)岸，坡度50°～70°，坡高50～80 m，局部在右岸高窯村莊后緣坡腳零星分布，為村民開(kāi)挖臨時(shí)建筑物所致。該類庫(kù)岸總長(zhǎng)約1 km。

圖2 庫(kù)岸塌岸示意圖二(據(jù)康復(fù)生等)

約占7%，擋水岸坡地層巖性為離石黃土，結(jié)構(gòu)中密～密實(shí)，抗沖刷能力相對(duì)較強(qiáng)。塌岸預(yù)測(cè)采用圖解法，選取中間數(shù)值進(jìn)行估算(如圖2所示)，水庫(kù)蓄水后，將從階地前緣陡坎中的A點(diǎn)開(kāi)始，按al－plQ2離石黃土的水下坡角22°再造至B后至設(shè)計(jì)蓄水位。在水面以上，離石黃土、馬蘭黃土將按其水上坡角60°、55°再造至D、E點(diǎn)，岸坡始達(dá)新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

據(jù)此求得該類岸坡最終塌岸寬度一般在25～60 m之間，局部零星地段寬約87 m，塌岸方式主要是塌滑。在近壩庫(kù)岸有較大面積滑塌的可能，在蓄水初期有較大面積庫(kù)岸再造的可能，需在蓄水前對(duì)其進(jìn)行削坡減載，放緩岸坡，水上55°～65°，水下20°～24°，同時(shí)對(duì)坡面進(jìn)行砌石護(hù)坡，防止表面沖刷。

2.3 支溝內(nèi)洪積黃土狀土(plQ4)庫(kù)岸

主要分布于庫(kù)內(nèi)兩岸支溝后緣及溝腦，岸坡一般平緩，坡度10°～20°，自然邊坡不穩(wěn)定，會(huì)形成塌岸。塌岸預(yù)測(cè)采用圖解法，選取中間數(shù)值進(jìn)行估算(如圖3所示)，水庫(kù)蓄水后，將從階地前緣陡坎中的A點(diǎn)開(kāi)始，按plQ4黃土狀土的水下坡角15°再造至B、C點(diǎn)后至設(shè)計(jì)蓄水位。在水面以上，黃土狀土、馬蘭黃土將按其水上坡角50°、55°再造至D點(diǎn)，岸坡始達(dá)新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

該類庫(kù)岸長(zhǎng)約3 km，約占26%。擋水岸坡地層巖性為黃土狀土，結(jié)構(gòu)疏松，抗沖刷能力弱。圖解法估算最終塌岸寬度5～18 m，此類岸坡在庫(kù)水、地表水的作用下，表層物質(zhì)逐漸被搬運(yùn)帶走，從而使岸坡緩慢滑移后退，具緩慢性和持久性，屬侵蝕～剝蝕型庫(kù)岸再造模式。

圖3 庫(kù)岸塌岸示意圖三(據(jù)康復(fù)生等)

根據(jù)不同的巖性，該類型為黃土狀土，利用圖解法對(duì)庫(kù)岸進(jìn)行塌岸寬度、塌岸量進(jìn)行估算，需在蓄水前對(duì)其進(jìn)行削坡減載，放緩岸坡，水上50°，水下10°～15°，同時(shí)對(duì)坡面進(jìn)行砌石護(hù)坡，防止表面沖刷。

3 成果分析

根據(jù)圖解法計(jì)算，結(jié)合本工程的特點(diǎn)，采用工程地質(zhì)類比法將岸坡各類黃土體穩(wěn)定坡角確定見(jiàn)下表。現(xiàn)根據(jù)庫(kù)岸所處的不同巖性，評(píng)價(jià)見(jiàn)表1。

表1 岸坡各類黃土體穩(wěn)定坡角取值表(據(jù)康復(fù)生等)

根據(jù)《陜西水利水電技術(shù)》2007年濮聲榮所發(fā)表的《黃土地區(qū)水利工程勘察的基本經(jīng)驗(yàn)》中表2的參數(shù)得知，本文圖解法所得到的的結(jié)論偏保守，分析原因主要是因?yàn)楸竟こ痰狞S土結(jié)構(gòu)疏松～中密，比較干燥，屬于含水率較低的黃土。

表2 黃土地區(qū)水利工程勘察的基本經(jīng)驗(yàn)

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)圖解法計(jì)算，結(jié)合本工程的特點(diǎn)，采用工程地質(zhì)類比法以及濮聲榮所發(fā)表的《黃土地區(qū)水利工程勘察的基本經(jīng)驗(yàn)》中的參數(shù)得知，現(xiàn)根據(jù)庫(kù)岸所處的不同巖性，得出如下結(jié)論，見(jiàn)表3。

表3 岸坡各類黃土體穩(wěn)定坡角取值表

［1］張成儉，張玉，康復(fù)生，等.蘭州新區(qū)供水項(xiàng)目高窯水庫(kù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R］.2013.

［2］陜西水利水電技術(shù).黃土地區(qū)水利工程勘察的基本經(jīng)驗(yàn).2007(2).

［3］濮聲榮.工程地質(zhì)時(shí)間與探索［M］.陜西:陜西科學(xué)技術(shù)出版社.2012.

［4］工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)［S］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2007－2.

［5］水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.2008.