三峽庫(kù)區(qū)鐵水溝庫(kù)岸塌岸預(yù)測(cè)及防護(hù)措施分析

王金波，楊儉波，何鈺銘，廖偉杰，陳 雪

(湖北省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，湖北宜昌 443002)

三峽庫(kù)區(qū)鐵水溝庫(kù)岸［1］位于長(zhǎng)江三峽水利樞紐工程庫(kù)首的長(zhǎng)江左岸太平溪鎮(zhèn)，緊鄰移民居民點(diǎn)、居民渡船碼頭及三峽物流中心太平溪新港。塌岸對(duì)該地區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)和港口、公共設(shè)施將造成嚴(yán)重危害，影響太平溪港和長(zhǎng)江航運(yùn)的正常運(yùn)營(yíng)。

1 地質(zhì)環(huán)境

1．1 氣象水文

太平溪集鎮(zhèn)地處中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨量適中。年平均降雨量1 192．70 mm，多集中于5—9月，占全年降雨總量的70%。

1．2 地形地貌

鐵水溝庫(kù)岸位于黃陵背斜核部南端侵蝕剝蝕低山區(qū)，長(zhǎng)江為本區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面。區(qū)內(nèi)溝谷縱橫交錯(cuò)，主要河流為靖江溪及其支溝鐵水溝，溝谷切割深度20～100 m。溝谷及山脊岸坡自然坡角一般為10°～20°，沖溝溝頭處20°～30°，局部可達(dá)40°。人工填土邊坡坡高一般20～40 m、坡角為35°～40°。

1．3 地層巖性

出露地層為前震旦系變質(zhì)巖和第四系松散堆積物。變質(zhì)巖主要為黑云母石英閃長(zhǎng)巖巖基、后期酸性、基性巖脈侵入體，為花崗巖脈及輝綠巖脈。第四系松散堆積物主要為人工填土、沖積及殘坡積碎石土。

1．4 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)未見(jiàn)大的斷裂通過(guò)，由于基底受到多期構(gòu)造變動(dòng)的影響，各種方向的裂隙發(fā)育，主要發(fā)育6組裂隙:①N60°～70°E/SE∠60°～84°;②N41°～60°E/NW∠67°～86°;③N7°～ 12°W/NE∠23°～ 64°;④N46°～ 50°W/NE∠50°～62°;⑤N2°E/SE∠62°;⑥N82°W/NE∠84°。

2 庫(kù)岸基本特征

2．1 形態(tài)特征

鐵水溝庫(kù)岸總體呈指狀地貌，由多條近于平行、指向長(zhǎng)江和靖江溪的山脊和沖溝相間而成，鐵水溝庫(kù)岸總長(zhǎng)1 100 m(以175 m水位線為準(zhǔn))。共分為巖質(zhì)岸坡和土質(zhì)岸坡兩種類(lèi)型，巖質(zhì)岸坡主要分布于山脊部位(2、4區(qū)，6、7區(qū)局部)，由全、強(qiáng)風(fēng)化黑云母石英閃長(zhǎng)巖構(gòu)成，土質(zhì)岸坡主要分布于原溝谷(1、3、5區(qū)，6、7區(qū)局部)，由人工填土構(gòu)成(庫(kù)岸分區(qū)圖見(jiàn)圖1)。

圖1 鐵水溝庫(kù)岸分區(qū)示意圖Fig．1 Schematic diagram of partition of Tieshuigou reservoir bank

2．2 變形特征

鐵水溝岸坡變形破壞類(lèi)型主要為:人工填土岸坡變形以下沉、拉裂、坍滑及流砂為主;全、強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)岸坡以塊體滑移、崩塌為主。

2．3 影響庫(kù)岸穩(wěn)定性的主要因素

影響庫(kù)岸穩(wěn)定性的因素可分為內(nèi)在條件和外部因素。內(nèi)在條件主要包括庫(kù)岸類(lèi)型、坡面形態(tài)、物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu);外部因素主要包括降雨與地表水入滲、流水沖蝕、庫(kù)水位波動(dòng)、浪蝕、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及地震、人類(lèi)工程活動(dòng)、加載等，其中外部因素為塌岸的誘發(fā)因素。

3 岸坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

3．1 岸坡穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)

人工填土岸坡，上部坡度較陡，多在35°～40°間，由于庫(kù)水的浸泡及浪蝕作用，整段庫(kù)岸發(fā)生多處明顯下座、崩塌現(xiàn)象，現(xiàn)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。巖質(zhì)岸坡整體穩(wěn)定性較好，僅坡體表層在侵蝕、剝蝕作用下產(chǎn)生小規(guī)模塊體滑移、崩塌。

3．2 岸坡穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)

計(jì)算模型采用工程地質(zhì)縱剖面圖為原型，本次計(jì)算取庫(kù)岸巖土分界面坡度最大剖面(3-3'剖面)進(jìn)行坡體整體穩(wěn)定性計(jì)算(見(jiàn)圖2)，并取填土厚度最大剖面(5A-5A')搜索最危險(xiǎn)滑面(見(jiàn)圖3)。穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明，庫(kù)岸在水庫(kù)水位175 m、175 m回落至145 m期間、145 m 三種工況下，穩(wěn)定系數(shù)為 1．177 ～1．704，均處于穩(wěn)定狀態(tài)。但庫(kù)岸表層填土在庫(kù)水的浸泡及浪蝕作用下，穩(wěn)定系數(shù)為0．916～1．031，有下座、崩塌變形的可能。

圖2 3-3'穩(wěn)定性計(jì)算模型Fig．2 Calculation model of stability 3-3'profile

圖3 5A-5A'剖面前緣穩(wěn)定性計(jì)算模型(搜索最危險(xiǎn)滑面)Fig．3 Calculation model of stability 5A-5A'profile

4 塌岸預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

4．1 預(yù)測(cè)方法

目前預(yù)測(cè)水庫(kù)庫(kù)岸再造規(guī)模的方法很多，本次鐵水溝庫(kù)岸再造預(yù)測(cè)采用較為簡(jiǎn)便而通用的佐洛塔廖夫法和計(jì)算法［2］。

4．1．1 佐洛塔廖夫法

佐洛塔廖夫法的基本原理是選取不同類(lèi)型巖土的枯水位—洪水位作用區(qū)間(包括其上下一定坡段)，做出實(shí)測(cè)或圖切地形地質(zhì)剖面，確定相應(yīng)巖土層河岸作用帶的穩(wěn)定坡角，以此坡角預(yù)測(cè)不同庫(kù)水位條件下(主要是水位變幅帶及其上下一定范圍的坡段)不同巖土層新的穩(wěn)定坡角和坡形，進(jìn)而獲得庫(kù)岸再造的最終寬度與高程。佐洛塔廖夫法預(yù)測(cè)塌岸圖解見(jiàn)圖4。

圖4 佐洛塔廖夫法預(yù)測(cè)塌岸圖解Fig．4 Diagram of Zolotaleov method

佐洛塔廖夫法預(yù)測(cè)的具體步驟如下:

(1)繪制出預(yù)測(cè)地點(diǎn)的地形地質(zhì)剖面。

(2)標(biāo)出水庫(kù)正常高水位線與水庫(kù)最低水位線。

(3)由正常高水位向上標(biāo)出波浪爬高線，爬升高度hB可取一個(gè)波高。

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

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

(6)由a點(diǎn)向下，根據(jù)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(wěn)定坡度α1:粉細(xì)砂土和粘性土為＜8°～12°，卵石層和粗砂土為 ＜18°～12°。由a點(diǎn)向上繪出堆積淺灘的坡面線，與原斜坡線相交于 b點(diǎn)，其穩(wěn)定坡度 α2:細(xì)粒砂土為1°～1．5°，粗砂小礫石為3°～5°。

(7)由b點(diǎn)作沖蝕淺灘的坡面線，與正常高水位線相交于c點(diǎn)，其穩(wěn)定坡度α3:視b、c間岸坡巖性而定。

(8)由c點(diǎn)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(diǎn)，其穩(wěn)定坡度α4按圖1法采取。

(9)繪制水上岸坡坡面線de;α5據(jù)自然坡角確定。

(10)檢驗(yàn)堆積系數(shù)與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否相符，如不符則向左或向右移動(dòng)a點(diǎn)并按上述重新做圖，直至適合為止。

4．1．2 計(jì)算法

計(jì)算法基本原理是:在系統(tǒng)、準(zhǔn)確地分析岸坡特征(巖土體構(gòu)成、物質(zhì)特性、形態(tài)參數(shù)、庫(kù)水位變動(dòng)幅度等)的前提下，結(jié)合實(shí)測(cè)剖面，查找相關(guān)參數(shù)表，然后將其代入符合該類(lèi)庫(kù)岸特性的塌岸最終寬度計(jì)算公式中，求得最終塌岸寬度數(shù)值。

最終塌岸寬度的公式為(計(jì)算時(shí)按均質(zhì)庫(kù)岸考慮，見(jiàn)圖5、圖6):

式中:St為塌岸帶最終寬度(m);A為庫(kù)水位變化幅度(m);N為與土的顆粒大小有關(guān)的系數(shù);hp為波浪沖刷深度(m);hB為浪擊高度或浪爬高(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(wěn)定坡角(°);β為岸坡水上穩(wěn)定坡角(°);γ為原始岸坡坡角(°)。

圖5 均質(zhì)陡岸的塌岸寬度預(yù)測(cè)圖Fig．5 Forecast map of width of bank collapse about homogeneous steep bank 1．正常高水位;2．消落水位。

圖6 波高與各種土的淺灘坡角α的關(guān)系Fig．6 Relation of wave height and slope angle of shoal

4．2 預(yù)測(cè)參數(shù)的選定

4．2．1 風(fēng)速的確定

所需風(fēng)速采用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)中基本風(fēng)壓推算求得。

風(fēng)浪計(jì)算所需的風(fēng)速U即求得的平均最大風(fēng)速。

4．2．2 “有效吹程”的確定

在有限水域中，由于風(fēng)區(qū)寬度所起的限制作用，在決定吹程時(shí)，應(yīng)采用“有效吹程”進(jìn)行計(jì)算。

式中:F有效為有效吹程;ri為計(jì)算點(diǎn)至對(duì)岸線的距離;αi為射線與風(fēng)向的夾角;xi為每條射線ri在風(fēng)向上的分量。

4．2．3 波高、波長(zhǎng)及波周期的確定

根據(jù)上述所確定的風(fēng)速及有效吹程，波高、波長(zhǎng)及波周期按官?gòu)d水庫(kù)公式確定如下:

4．2．4 風(fēng)浪爬高的確定

爬高計(jì)算公式采用蒲田試驗(yàn)站公式:

式中:KΔ為斜坡的糙率滲透性系數(shù);KW為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

上述浪高值尚未考慮行船產(chǎn)生的波浪因素，鑒于本庫(kù)岸位于三峽水庫(kù)永久船閘引航道及太平溪新港岸坡，過(guò)往船只頻繁，故需將行船產(chǎn)生的波浪與風(fēng)浪疊加。

4．2．5 各類(lèi)坡角的確定

本次勘查采用地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)與圖解相結(jié)合的方法，對(duì)水庫(kù)運(yùn)行期死水位(145 m)、調(diào)節(jié)水位(即水位變動(dòng)帶)、正常高水位(175 m)時(shí)岸坡區(qū)巖土體水下穩(wěn)定坡角和水上穩(wěn)定坡角進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)合佐洛塔廖夫推薦的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了用于預(yù)測(cè)巖土體穩(wěn)定的坡角。

4．3 塌岸預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)上述預(yù)測(cè)方法，在正常蓄水條件下，鐵水溝庫(kù)岸各庫(kù)岸段塌岸預(yù)測(cè)范圍及規(guī)模見(jiàn)表5。塌岸預(yù)測(cè)典型剖面見(jiàn)圖7。

預(yù)測(cè)成果表明，在庫(kù)區(qū)水位長(zhǎng)期145～175～145 m間往復(fù)運(yùn)行時(shí)，岸坡最終塌岸寬度為11．07～133．80 m，其中庫(kù)岸5區(qū)塌岸最為強(qiáng)烈，寬度達(dá)133．80 m。人工填土庫(kù)岸塌岸進(jìn)程快，巖質(zhì)庫(kù)岸塌岸主要在全、強(qiáng)風(fēng)化帶中，其進(jìn)程較慢。

表5 正常蓄水(145～175 m)塌岸預(yù)測(cè)Table 5 Bank collapse prediction of normal storage(145～175 m)

圖7 塌岸預(yù)測(cè)典型剖面圖Fig．7 Typical profile of bank collapse prediction

5 防護(hù)措施

根據(jù)鐵水溝庫(kù)岸現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及塌岸預(yù)測(cè)結(jié)果，土質(zhì)岸坡塌岸約占塌岸總方量的93．86%，巖質(zhì)岸坡影響較小。鐵水溝庫(kù)岸防護(hù)工程僅針對(duì)土質(zhì)岸坡進(jìn)行，巖質(zhì)岸坡不采取防護(hù)措施。防護(hù)措施為:坡面整形+干砌石護(hù)坡+格賓石籠壓腳+漿砌石排水溝+馬道+監(jiān)測(cè)工程［3］。

首先對(duì)土質(zhì)岸坡進(jìn)行坡面整形，每15 m高設(shè)一級(jí)馬道，坡面采用干砌石護(hù)坡，坡腳設(shè)格賓石籠壓腳，坡肩及坡面兩側(cè)分別設(shè)置橫縱排水溝［4］。

6 主要結(jié)論

鐵水溝庫(kù)岸緊臨三峽大壩，根據(jù)庫(kù)岸穩(wěn)定性分析，庫(kù)岸在水庫(kù)水位175 m、175 m回落至145 m期間、145 m三種工況下，均處于穩(wěn)定狀態(tài)。但庫(kù)岸表層填土在庫(kù)水的浸泡及浪蝕作用下，有下座、崩塌變形的可能。

塌岸預(yù)測(cè)成果表明，正常蓄水條件下，土質(zhì)岸坡塌岸方量較大，塌岸物質(zhì)一旦匯入鄰近太平溪港及永久船閘上游航道，將對(duì)航道形成堵塞;巖質(zhì)岸坡影響較小。

庫(kù)岸防護(hù)工程主要針對(duì)填土岸坡進(jìn)行，庫(kù)岸防護(hù)將會(huì)防止庫(kù)岸再造，維護(hù)坡面設(shè)計(jì)形態(tài)，有效消除或減少影響庫(kù)岸坡體穩(wěn)定性的不利因素，有利于當(dāng)?shù)氐囊?guī)劃建設(shè)發(fā)展及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè)，有利于該地區(qū)居民安居樂(lè)業(yè)和社會(huì)和諧穩(wěn)定。

［1］ 郭峰，王金波，雷深涵，等．湖北省三峽庫(kù)區(qū)后續(xù)地質(zhì)災(zāi)害防治夷陵區(qū)鐵水溝庫(kù)岸勘查報(bào)告［R］．宜昌:湖北省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，2012．

［2］ 三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作指揮部．三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工程地質(zhì)勘查技術(shù)要求［M］．武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2014．

［3］ 郭峰，王金波，雷深涵，等．湖北省三峽庫(kù)區(qū)后續(xù)地質(zhì)災(zāi)害防治夷陵區(qū)鐵水溝庫(kù)岸防護(hù)工程施工圖設(shè)計(jì)［R］．宜昌:湖北省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，2012．

［4］ 三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作指揮部．三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)技術(shù)要求［M］．武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2014．