某庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)及治理研究

李 強(qiáng)

(沈陽(yáng)智信佰達(dá)科技有限公司，沈陽(yáng) 110014)

0 引 言

2008年以來(lái)，受汶川、蘆山特大地震以及近年來(lái)持續(xù)強(qiáng)降雨耦合影響，觸發(fā)各類(lèi)庫(kù)岸邊坡發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害隱患達(dá)萬(wàn)余處，庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題成為當(dāng)前水庫(kù)施工及蓄水后極為關(guān)注的焦點(diǎn)。此類(lèi)邊坡破壞是極為復(fù)雜的失穩(wěn)過(guò)程，受邊坡巖土體結(jié)構(gòu)、礦化成分、地震、降雨、水位升降等內(nèi)外因素耦合作用。目前，較多的研究認(rèn)為降雨和水位波動(dòng)更易于觸發(fā)庫(kù)岸邊坡發(fā)生滑塌或失穩(wěn)，主要針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)各類(lèi)邊坡穩(wěn)定性開(kāi)展了理論分析、數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)等工作，取得了一些有意的成果。庫(kù)岸邊坡滑塌后的變形破壞特征是獲得此類(lèi)滑坡變形破壞機(jī)制、災(zāi)后防護(hù)治理的有效而重要的信息之一，庫(kù)岸挖方邊坡的坡形設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析一直是巖土工程的一個(gè)重要內(nèi)容，在此方面的研究極為稀少。安全合理的坡形設(shè)計(jì)、計(jì)算參數(shù)的選取、邊界條件和安全系數(shù)的確定直接影響邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的結(jié)果的正確性[1-3]。

文章以庫(kù)區(qū)某庫(kù)岸塌岸邊坡為研究對(duì)象，對(duì)塌岸邊坡所處的場(chǎng)地條件展開(kāi)詳細(xì)的地質(zhì)條件調(diào)查和工程實(shí)際分析，采用Zolotalov法和Kachugin法對(duì)該邊坡塌岸穩(wěn)定性及其塌方發(fā)生的可能性進(jìn)行預(yù)測(cè)，提出針對(duì)庫(kù)岸塌方邊坡的支擋防護(hù)措施[4]。

1 工程概況

某庫(kù)岸邊坡按總平面設(shè)計(jì)規(guī)劃，需開(kāi)挖山體形成90m左右的挖方邊坡，地形坡度約為22°-26°，局部陡峭處坡度可達(dá)60°。庫(kù)岸邊坡西側(cè)、中部均發(fā)育有 “V”字型沖溝，長(zhǎng)、寬、深分別為70m、5m、25m和15m、5m、25m。東部地勢(shì)平緩，坡度一般低于15°。文章研究區(qū)主要以西側(cè)沖溝段岸坡為例進(jìn)行相關(guān)分析和探討。該段沖溝岸坡走向70°-100°、流向145°，坡面坡度在16°-26°之間，場(chǎng)地地層主要為第四系粉質(zhì)黏土，局部夾粒徑4-20cm的碎石，碎塊石母巖為次棱角狀中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，粒徑均為4cm，最大可達(dá)20cm，覆蓋層厚度在5-14m之間，局部可達(dá)25m。其下為泥質(zhì)砂巖和頁(yè)巖互層。場(chǎng)地典型工程地質(zhì)橫剖面圖見(jiàn)圖1、圖2。巖土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

圖1 場(chǎng)地典型工程地質(zhì)橫剖面圖

表1 地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

表2 地基巖層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖2 岸坡坡腳工程地質(zhì)橫剖面圖

2 岸坡沖溝段塌岸預(yù)測(cè)

文章采用Zolotalov法和Kachugin法對(duì)該塌岸邊坡進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.1 Zolotalov預(yù)測(cè)法

1)基本原理：

Zolotalov認(rèn)為庫(kù)岸邊坡在水位升降造岸侵蝕的作用下形成如圖3所示得最終岸坡形態(tài)，從坡低至坡頂可分為5段：oa段為淺灘邊緣區(qū)、ab段為堆積區(qū)、bc段為沖蝕區(qū)、cd段為爬升區(qū)、de段為水上區(qū)。

圖3 佐洛塔廖夫圖解法庫(kù)岸再造預(yù)測(cè)剖面

具體預(yù)測(cè)步驟如下：

①工程地質(zhì)測(cè)繪；②確定岸坡水位枯水/洪峰及正常水位；③以常水位為起點(diǎn)順坡向上確定水位坡高高度；④以枯水位為起點(diǎn)向坡腳方向確定水位浸潤(rùn)影響深度；⑤以淺灘邊緣區(qū)和堆積區(qū)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)確定為a點(diǎn)，該點(diǎn)的確定與邊坡侵蝕堆積系數(shù)有關(guān)；⑥從a點(diǎn)起始以一定角度繪制直線交于岸坡坡面線為b點(diǎn)，繪制角度與土性有關(guān)，一般而言黏性土取值在10°，非黏性土土取為20°；⑦從b點(diǎn)起始以一定角度繪制直線交于洪峰水位線為c點(diǎn)，繪制角度與基巖巖性有關(guān)；⑧從c點(diǎn)起始以一定角度繪制直線交于水位爬升高度線為d點(diǎn)；⑨以邊坡穩(wěn)定性自然坡腳為基礎(chǔ)，從d點(diǎn)起繪制直線交于邊坡坡面線于e點(diǎn)；⑩檢驗(yàn)驗(yàn)證[5-7]。

2)參數(shù)的確定：

a)穩(wěn)定岸坡角的確定：

穩(wěn)岸岸坡角度分為水上和水下兩部分。在邊坡沒(méi)入水下部分是指在庫(kù)水位多次升降循環(huán)過(guò)程中能夠使其保持最終穩(wěn)定狀態(tài)的邊坡角度；水上部分實(shí)在邊坡自然重力或自然侵蝕作用下能始終穩(wěn)定的邊坡坡度。以葛洲壩水位為例，其蓄水后正常水位為175m，枯水位位145m，根據(jù)工程地質(zhì)分析原理可將庫(kù)岸穩(wěn)定坡角取值范圍按水位波動(dòng)進(jìn)行分類(lèi)，分類(lèi)區(qū)間及取值建議如表3所示。

表3 庫(kù)岸穩(wěn)定坡角取值表

b)爬升高度與影響深度的確定：

Andrejanov認(rèn)為，水位爬升高度h與庫(kù)水位波動(dòng)長(zhǎng)度L、邊坡坡腳水深最大值H、區(qū)域平均風(fēng)速w、庫(kù)水水面寬度D有關(guān)，并根據(jù)相關(guān)區(qū)域資料整理提出了經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，見(jiàn)式1：

(1)

該公式的提出是基于一定區(qū)域的既有資料整理而獲得，其適用性有待考究，已有研究認(rèn)為其主要適用性風(fēng)平浪靜的場(chǎng)地、常年庫(kù)水位波動(dòng)在10%以?xún)?nèi)且水面寬闊、邊坡坡度較緩的場(chǎng)地。根據(jù)有關(guān)資料，研究區(qū)常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，平均風(fēng)速1.0m/s，最大瞬時(shí)風(fēng)速20m/s。吹程按0.5km計(jì)算。因此，平均浪高h(yuǎn)=1.7m。根據(jù)佐洛塔廖夫預(yù)測(cè)法，波浪爬升高度(hb)取一個(gè)波高，影響深度(hp)取波長(zhǎng)的l/3-l/4，本研究岸坡段取3.5m。

c)堆積系數(shù)的確定：

堆積系數(shù)Ka用下式確定：Ka=F1/F2×100%

式中，F(xiàn)1為未受侵蝕的堆積體體積，F(xiàn)2為被侵蝕沖刷走的物質(zhì)體積。

本研究區(qū)邊坡塌岸發(fā)生高度為187m，塌方塌落高度、寬度分別為12m和50m，坡體以以松散碎塊石堆積為主，堆積系數(shù)Ka可按最小值20%或最大值25%取值。佐洛塔廖夫法預(yù)測(cè)圖見(jiàn)圖4，按照《庫(kù)區(qū)三期地質(zhì)災(zāi)害防治工程地質(zhì)勘查技術(shù)要求》中塌岸強(qiáng)烈程度分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，本庫(kù)段塌岸強(qiáng)烈程度為A級(jí)[8-10]。

圖4 香溪汽渡北岸庫(kù)岸A段佐洛塔廖夫法塌岸預(yù)測(cè)圖

2.2 Kachugin預(yù)測(cè)法

Kachugin預(yù)測(cè)法計(jì)算公式見(jiàn)式2：

(2)

其中：hb=3.2K×h×tanα

式中：S為預(yù)測(cè)的庫(kù)岸邊坡塌岸的最終塌落寬度，m；N為土性修正系數(shù)；A為庫(kù)水位波動(dòng)水位差，m；h、hp、hb分別為與庫(kù)水浪涌相關(guān)的系數(shù)，分別為浪高、爬坡高度及常水位高度，m；α、β分別為水上、下岸坡穩(wěn)定性坡腳，°；γ為邊坡穩(wěn)定性坡腳，°；K為岸坡粗糙系數(shù)，取0.6。

該式的精確計(jì)算完全依賴(lài)于與計(jì)算過(guò)程中相關(guān)參數(shù)的取值，本方法的原理圖見(jiàn)圖5。

圖5 卡丘金圖解法庫(kù)岸再造預(yù)測(cè)剖面

卡丘金法預(yù)測(cè)圖見(jiàn)圖6。

圖6 香溪汽渡北岸庫(kù)岸A段卡丘金法塌岸預(yù)測(cè)圖

結(jié)果表明：本庫(kù)段塌岸高度12.2m，塌岸影響高程187.2m，塌岸寬度約49.1m，按照《三峽庫(kù)區(qū)三期地質(zhì)災(zāi)害防治工程地質(zhì)勘查技術(shù)要求》中塌岸強(qiáng)烈程度分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，本庫(kù)段塌岸強(qiáng)烈程度為A級(jí)。

從預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，佐洛塔廖夫和卡丘金法結(jié)果較為一致，本庫(kù)段塌岸高度在12-13m之間，塌岸影響高程在187-188m之間，塌岸寬度在48-50m之間。

3 治理措施

工程防治目標(biāo)為：根據(jù)庫(kù)岸再造預(yù)測(cè)，在穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行塌岸的支擋防護(hù)，在三峽水庫(kù)蓄水過(guò)程中及正常運(yùn)行后，保證岸坡在設(shè)計(jì)年限的正常運(yùn)行和安全，并切實(shí)保障受塌岸影響的城鎮(zhèn)功能與配套設(shè)施正常發(fā)揮作用。具體只當(dāng)防護(hù)措施如下：

采用坡腳抗浮樁分段治理的防治理念，既可以保證邊坡上段既有公路的穩(wěn)定運(yùn)行，又可以保證邊坡下端碼頭渡口的穩(wěn)定性。同時(shí)搭配坡面漿砌片石+坡面排水溝，提高邊坡整體穩(wěn)定性的同時(shí)增加坡體排水能力。

4 結(jié) 論

文章以大壩庫(kù)區(qū)某庫(kù)岸塌岸邊坡為研究對(duì)象，針對(duì)塌岸邊坡所處的場(chǎng)地條件展開(kāi)詳細(xì)的地質(zhì)條件調(diào)查和工程實(shí)際分析，分別采用Zolotalov法和Kachugin法對(duì)該邊坡塌岸穩(wěn)定性及其塌方發(fā)生的可能性進(jìn)行預(yù)測(cè)，研究結(jié)果表明：需對(duì)譚家槽沖溝段岸坡進(jìn)行工程治理。根據(jù)工程實(shí)際及預(yù)測(cè)結(jié)果建議采用坡腳抗浮樁分段進(jìn)行治理，既可以保證邊坡上段既有公路的穩(wěn)定運(yùn)行，又可以保證邊坡下端碼頭渡口的穩(wěn)定性。同時(shí)搭配坡面漿砌片石+坡面排水溝，提高邊坡整體穩(wěn)定性的同時(shí)增加坡體排水能力。