山區(qū)水庫(kù)塌岸影響因素物理模擬研究

劉海明，石豫川，吉 鋒，廖 藝

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

0 引 言

水庫(kù)塌岸是水利水電工程中常遇的工程地質(zhì)問(wèn)題，是庫(kù)岸岸坡受庫(kù)水浸泡、風(fēng)浪沖擊、水流侵蝕以及干濕交替等因素影響,使庫(kù)岸巖土體風(fēng)化加劇,抗剪強(qiáng)度降低,以及庫(kù)水位漲落引起庫(kù)岸地下水動(dòng)水壓力變化而造成的庫(kù)岸沖蝕磨蝕、坍塌、滑移等再造變形的不良地質(zhì)現(xiàn)象。塌岸也是河床演變的一種表現(xiàn)形式，類型多樣，影響因素眾多，成因機(jī)理十分復(fù)雜[1]。水庫(kù)塌岸主要導(dǎo)致兩方面危害:一方面減少岸上土地使用面積；另一方面造成水庫(kù)淤積。影響塌岸的主要因素是自然因素和人為因素，包括岸坡地質(zhì)、水位變動(dòng)、波浪、人類活動(dòng)等方面的因素。各因素對(duì)塌岸形成的影響作用極為復(fù)雜，一般情況下某些因素對(duì)塌岸影響相對(duì)較大，而其他因素影響相對(duì)較小。

水庫(kù)塌岸問(wèn)題首先是蘇聯(lián)科學(xué)院院士費(fèi)奧多爾·彼得羅維奇·薩瓦連斯基在1935年所提出來(lái)的。國(guó)內(nèi)水庫(kù)塌岸早期研究者孫廣忠等人[2]曾對(duì)官?gòu)d水庫(kù)的塌岸現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)性地觀測(cè)和研究。很多學(xué)者對(duì)水庫(kù)塌岸問(wèn)題進(jìn)行過(guò)大量卓有成效的調(diào)查和研究，由于水庫(kù)塌岸問(wèn)題的復(fù)雜性，很多學(xué)者也通過(guò)物理模擬方法來(lái)研究水庫(kù)塌岸問(wèn)題，取得了良好的效果。張辛農(nóng)等[3]進(jìn)行過(guò)江河崩岸概化模擬試驗(yàn)研究。許強(qiáng)等人[4]、白建光等人[5]曾對(duì)三峽水庫(kù)塌岸進(jìn)行過(guò)物理模擬研究。程昌華等人[6]曾進(jìn)行過(guò)波浪對(duì)庫(kù)岸坍塌變形的影響物理模擬研究。利用室內(nèi)概化模擬試驗(yàn)方法進(jìn)行塌岸機(jī)制與塌岸影響因素的研究，對(duì)進(jìn)一步研究和認(rèn)識(shí)塌岸的成因機(jī)理和規(guī)律依據(jù)有一定的參考及借鑒意義。

本文是在對(duì)中國(guó)東西部地區(qū)多個(gè)山區(qū)水庫(kù)塌岸現(xiàn)象及工程地質(zhì)條件調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，主要針對(duì)山區(qū)水庫(kù)的粗顆粒土均質(zhì)岸坡，建立典型的庫(kù)岸物理概化模型。采用中砂、細(xì)砂、粉土分別代表三種強(qiáng)度依次減小的岸坡物質(zhì)材料，設(shè)置高、中、低三個(gè)水位，建立緩、中、陡三種岸坡模型，采用造浪機(jī)分別產(chǎn)生大、中、小三種波浪，采用正交設(shè)計(jì)方案。試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)對(duì)不同坡度、物質(zhì)組成、水位、波浪條件正交組合下的庫(kù)岸模型進(jìn)行試驗(yàn)，觀測(cè)不同條件下模型的變形破壞跡象及塌岸寬度，分析上述各因素對(duì)庫(kù)岸改造的作用機(jī)制與規(guī)律，并對(duì)影響水庫(kù)塌岸的上述因素進(jìn)行敏感性分析，提取一些規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。

1 物理模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)備采用位于成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括自動(dòng)調(diào)節(jié)水位系統(tǒng)、測(cè)位移裝置、水位計(jì)、物理模擬實(shí)驗(yàn)池以及其他輔助設(shè)備包括電子天平、臺(tái)秤以及顆粒分析試驗(yàn)儀器等，利用造浪機(jī)產(chǎn)生波浪來(lái)模擬庫(kù)區(qū)的波浪。

設(shè)計(jì)各因素的水平如下：坡體材料采用粉土、細(xì)砂、中砂；波浪高度采用0.5～1.0、1.0～1.5、1.5～2.0 cm；水位采取15、30、45 cm；岸坡坡度采取20°、30°、50°。根據(jù)正交設(shè)計(jì)原理，制定4因素3水平的實(shí)驗(yàn)方案，共需進(jìn)行9次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯挾葹?.5 m，高度為0.45 m，橫斷面為直角梯形，坡型為直形坡。

表1 多因素試驗(yàn)正交設(shè)計(jì)表Tab.1 Multi-factor orthogonal experiment plan

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)生的塌岸模式總體可分為三類：滑移型、坍塌型和侵蝕型?；菩褪侵钙麦w物質(zhì)沿著某滑面發(fā)生整體變形，即坡體物質(zhì)整體滑移的塌岸破壞現(xiàn)象，實(shí)質(zhì)為庫(kù)岸滑坡；坍塌型是指岸坡坡腳在庫(kù)水作用下,基座被軟化或淘蝕,岸坡上部土體失去平衡,從而造成局部下錯(cuò)或坍塌,而后被江水逐漸搬運(yùn)帶走的一種岸坡變形破壞模式；侵蝕型是指在庫(kù)水的侵蝕、浪蝕、地表徑流及其他外部營(yíng)力的作用下,岸坡物質(zhì)逐漸被沖刷、磨蝕，然后被搬運(yùn)帶走，從而使岸坡坡面產(chǎn)生緩慢后退的庫(kù)岸再造形式。

試驗(yàn)中出現(xiàn)滑移型塌岸1次(試驗(yàn)3)如圖1及圖2所示；坍塌型塌岸共出現(xiàn)2次，典型的坍塌型(試驗(yàn)2)如圖3及圖4；侵蝕型塌岸共出現(xiàn)6次，典型的侵蝕型塌岸(試驗(yàn)8)如圖5及圖6。

圖1 滑移型塌岸Fig.1 Bank collapse of sliding type

圖2 滑移型塌岸剖面示意圖(試驗(yàn)3)Fig.2 Section of bank collapse of sliding type(Test 3)

圖3 坍塌型塌岸Fig.3 Bank collapse of collapsing type

圖4 坍塌型塌岸剖面示意圖(試驗(yàn)2)Fig.4 Section of bank collapse of collapsing type(Test 2)

圖5 侵蝕型塌岸Fig.5 Bank collapse of erosion type

圖6 侵蝕型塌岸剖面示意圖(試驗(yàn)8)Fig.6 Section of bank collapse of erosion type(Test 8)

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：塌岸無(wú)論最終發(fā)展為何種模式，庫(kù)岸在蓄水初期首先表現(xiàn)為巖土體的軟化作用，在水位接觸帶產(chǎn)生小規(guī)模的零星坍塌，之后由于岸坡坡度、物質(zhì)組成、波浪大小等的差異而產(chǎn)生分化，表明各影響因素不同的條件下不僅導(dǎo)致塌岸寬度的差異，而且導(dǎo)致了塌岸模式的差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表2。

表2 多因素試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.2 Processing form about data of multifactor experiment

3 塌岸寬度的影響因素敏感性分析

本文采用極差分析法進(jìn)行正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。由于試驗(yàn)所用材料的強(qiáng)度無(wú)法直接表達(dá)，而試驗(yàn)材料在試驗(yàn)中的強(qiáng)度表現(xiàn)主要取決于其中的細(xì)顆粒(粉粒及黏粒)所占百分比，因此試驗(yàn)用小于0.075 mm的顆粒含量表征巖土材料性質(zhì)(其中粉土為93.42%，細(xì)砂為7.36%，中砂為1.72%)。得到各因素的敏感性如表3。

試驗(yàn)分析結(jié)果表明，塌岸寬度對(duì)原始岸坡坡角的敏感性最大，其次對(duì)物質(zhì)組成強(qiáng)度的敏感性略大于波浪，對(duì)水位的敏感性最小。岸坡物質(zhì)強(qiáng)度越低，塌岸寬度越大；岸坡坡角越大，塌岸寬度越大；水位高低不同，對(duì)應(yīng)的塌岸寬度相差不大，中間水位略大；波浪越大，塌岸寬度越大。

表3 塌岸寬度對(duì)各因素的敏感性Tab.3 Data about bank collapse width sensitivity to various factors

根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)和已有的計(jì)算圖解法(如卡丘金法、佐洛塔廖夫法等)來(lái)看，塌岸是隨岸坡物質(zhì)強(qiáng)度降低、坡角增大、水位增大和波浪增大而更加嚴(yán)重，塌岸破壞范圍增大。本實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果得出，塌岸寬度是隨物質(zhì)組成、岸坡坡角、波浪增大，但水位則是處于中間水平時(shí)塌岸寬度最大，這主要是由于水位變化而導(dǎo)致的塌岸寬度起算點(diǎn)不同，也就是說(shuō)水位越大塌岸越嚴(yán)重，但是塌岸寬度卻并非越大。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)一般情況下，土質(zhì)庫(kù)岸在蓄水初期均表現(xiàn)為水位處庫(kù)岸的零星小規(guī)模坍塌，之后由于受岸坡結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、庫(kù)水動(dòng)力條件以及其他因素的綜合影響，產(chǎn)生各自的外在變形破壞跡象和內(nèi)在成因機(jī)理，水庫(kù)塌岸的模式逐漸分化為多種塌岸形式。

(2)通過(guò)物理模擬手段對(duì)塌岸影響因素的敏感性分析結(jié)果表明：塌岸寬度對(duì)原始岸坡坡角的敏感性最大，其次對(duì)物質(zhì)組成強(qiáng)度的敏感性略大于波浪，對(duì)水位的敏感性最小。

(3)岸坡物質(zhì)強(qiáng)度越低，塌岸寬度越大；岸坡坡角越大，塌岸寬度越大；水位高低不同，對(duì)應(yīng)的塌岸寬度相差不大，中間水位略大；波浪越大，塌岸寬度越大。

需要說(shuō)明的是以上認(rèn)識(shí)對(duì)于探索水庫(kù)塌岸的機(jī)理和規(guī)律有一定幫助，然而這些結(jié)論還需實(shí)踐的進(jìn)一步檢驗(yàn)。鑒于水庫(kù)塌岸問(wèn)題的復(fù)雜性和試驗(yàn)條件的限制，目前對(duì)于水庫(kù)塌岸的物理模擬研究還有許多不足和需要改進(jìn)的地方，比如模擬實(shí)驗(yàn)的相似性、操作過(guò)程和手段、測(cè)量?jī)x器和方法及結(jié)果分析等都有待進(jìn)一步提高，還需要考慮如何與工程實(shí)踐相結(jié)合，解決實(shí)際的工程問(wèn)題。

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[1] 張幸農(nóng)，蔣傳豐，應(yīng) 強(qiáng)，等．江河崩岸問(wèn)題研究綜述[J]．水利水電科技進(jìn)展，2008，28(3)：80-83,94．

[2] 官?gòu)d水庫(kù)坍岸研究小組．水庫(kù)坍岸研究[M]．北京：水利電力出版社，1958．

[3] 張幸農(nóng)，應(yīng) 強(qiáng)，陳長(zhǎng)英，等．江河崩岸的概化模擬試驗(yàn)研究[J]．水利學(xué)報(bào)，2009，40(3)：263-267．

[4] 許 強(qiáng)，白建光，湯明高，等．三峽庫(kù)區(qū)塌岸的物理模擬研究[J]．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2007，15(2)：154-158．

[5] 白建光，許 強(qiáng)，湯明高，等．三峽水庫(kù)塌岸影響因素的物理模擬研究[J]．中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2007，18(1)：90-94．

[6] 程昌華，陳學(xué)兵．波浪對(duì)庫(kù)岸坍塌變形的試驗(yàn)研究[J]．重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，1994,(S1)：54-59．