某库岸边坡稳定性分析及治理研究

张千发

(山东省调水工程运行维护中心 胶州管理站，山东 青岛 266300)

0 引 言

库岸边坡稳定性问题是当前水库施工及蓄水后被关注的焦点，边坡破坏是极为复杂的失稳过程，受边坡岩土体结构[1]、矿化成分[2]、地震[3]、降雨[4]、水位升降[5]等内外因素耦合作用。目前，较多的研究认为降雨和水位波动更易于触发库岸边坡发生滑塌或失稳[6-8]，主要针对三峡库区各类边坡稳定性开展了理论分析[9]、数值模拟[10]和室内试验[11]等工作，取得了一些成果。库岸边坡滑塌后的变形破坏特征是获得此类滑坡变形破坏机制、灾后防护治理的有效而重要的信息之一，库岸挖方边坡的坡形设计和稳定性分析一直是岩土工程的一个重要内容。安全合理的坡形设计、计算参数的选取、边界条件和安全系数的确定直接影响边坡稳定性评价结果的准确性。

本文以某库岸塌岸边坡为研究对象，针对塌岸边坡所处的场地条件展开地质条件调查，采用Zolotalov法和Kachugin法对该边坡塌方发生的可能性进行预测，并提出针对库岸塌方边坡的支挡防护措施。

1 工程概况

某库岸边坡位于湖北省境内，按总平面设计规划，需开挖山体形成90 m左右的挖方边坡，地形坡度约为22°～26°，局部陡峭处坡度可达60°。库岸边坡西侧、中部均发育有 V字形冲沟，长、宽、深分别为70、5、25 m和15、5、25 m。东部地势平缓，坡度一般低于15°。研究区主要以西侧冲沟段岸坡为例进行相关分析和探讨。该段冲沟岸坡走向70°～100°、流向145°，坡面坡度在16°～26°之间，场地地层主要为第四系粉质黏土，局部夹粒径4～20 cm的碎石，碎块石母岩为次棱角状中风化泥质砂岩，粒径均为4 cm，最大可达20 cm，覆盖层厚度在5～14 m之间，局部可达25 m;其下为泥质砂岩和页岩互层。岩土体物理力学参数见表1、表2。场地典型工程地质横剖面图见图1、图2。

表1 地基土主要物理力学性质指标

表2 地基岩层主要物理力学性质指标

图1 场地典型工程地质横剖面图

图2 岸坡坡脚工程地质横剖面图

库水位高程为139 m。万年洪水位162.4 m，千年洪水位160.2 m，汛限水位153.1 m。

2 岸坡冲沟段塌岸预测

本文采用Zolotalov法和Kachugin法对该塌岸边坡进行预测。

2.1 Zolotalov预测法

2.1.1 基本原理

Zolotalov认为库岸边坡在水位升降造岸侵蚀的作用下,形成图3所示的最终岸坡形态。从坡低至坡顶可分为5段：oa段为浅滩边缘区、ab段为堆积区、bc段为冲蚀区、cd段为爬升区、de段为水上区。

图3 佐洛塔廖夫图解法库岸再造预测剖面

具体预测步骤如下：①工程地质测绘；②确定岸坡水位枯水/洪峰及正常水位；③以常水位为起点顺坡向上确定水位坡高高度；④以枯水位为起点向坡脚方向确定水位浸润影响深度；⑤以浅滩边缘区和堆积区的转折点确定为a点，该点的确定与边坡侵蚀堆积系数有关；⑥从a点起始以一定角度绘制直线交于岸坡坡面线为b点，绘制角度与土性有关，一般而言黏性土取值在10°，非黏性土土取为20°；⑦从b点起始以一定角度绘制直线交于洪峰水位线为c点，绘制角度与基岩岩性有关；⑧从c点起始以一定角度绘制直线交于水位爬升高度线为d点；⑨以边坡稳定性自然坡脚为基础，从d点起绘制直线交于边坡坡面线于e点；⑩检验验证。

2.1.2 参数的确定

1)稳定岸坡角的确定。稳定岸坡角度分为水上和水下两部分。在边坡没入水下部分是指在库水位多次升降循环过程中能够使其保持最终稳定状态的边坡角度；水上部分是在边坡自然重力或自然侵蚀作用下能始终稳定的边坡坡度。以葛洲坝水位为例，其蓄水后正常水位为175 m，枯水位145 m。根据工程地质分析原理，可将库岸稳定坡角取值范围按水位波动进行分类，分类区间及取值建议见表3。

表3 库岸稳定坡角取值表

2)爬升高度与影响深度的确定。Andrejanov认为，水位爬升高度h与库水位波动长度L、边坡坡脚水深最大值H、区域平均风速w、库水水面宽度D有关，并根据相关区域资料整理提出了经验计算公式：

(1)

式(1)的提出是基于一定区域的既有资料整理而获得，其适用性有待考究。已有研究认为，其主要适用于风平浪静的场地、常年库水位波动在10%以内且水面宽阔、边坡坡度较缓的场地。根据有关资料，研究区常年主导风向为东南风，平均风速1.0 m/s，最大瞬时风速20 m/s，吹程按0.5 km计算。因此，平均浪高h=1.7 m。根据佐洛塔廖夫预测法，波浪爬升高度(hb)取一个波高，影响深度(hp)取波长的l/3～l/4，本研究岸坡段取3.5 m。

3)堆积系数的确定。堆积系数Ka用下式确定：Ka=F1/F2×100%。式中F1为未受侵蚀的堆积体体积；F2为被侵蚀冲刷走的物质体积。

本研究区边坡塌岸发生高度为187 m，塌方塌落高度、宽度分别为12和50 m，坡体以松散碎块石堆积为主，堆积系数Ka可按最小值20%或最大值25%取值。佐洛塔廖夫法预测图见图4，按照《三峡库区三期地质灾害防治工程地质勘查技术要求》[12]中塌岸强烈程度分级的标准，本库段塌岸强烈程度为A级。

图4 香溪汽渡北岸库岸A段佐洛塔廖夫法塌岸预测图

2.2 Kachugin预测法

Kachugin预测法计算公式为：

(2)

其中hb=3.2K×h×tanα

式中：S为预测的库岸边坡塌岸的最终塌落宽度，m；N为土性修正系数；A为库水位波动水位差，m；h、hp、hb分别为与库水浪涌相关的系数，分别为浪高、爬坡高度及常水位高度，m；α、β分别为水上下岸坡稳定性坡脚，(°)；γ为边坡稳定性坡脚，(°)；K为岸坡粗糙系数，取0.6。

式(2)的精确计算完全依赖于与计算过程中相关参数的取值，本方法的原理图见图5。

图5 卡丘金图解法库岸再造预测剖面

卡丘金法预测图见图6。

图6 香溪汽渡北岸库岸A段卡丘金法塌岸预测图

结果表明，本库段塌岸高度12.2 m，塌岸影响高程187.2 m，塌岸宽度约49.1 m。按照《三峡库区三期地质灾害防治工程地质勘查技术要求》中塌岸强烈程度分级的标准，本库段塌岸强烈程度为A级。

从预测结果来看，佐洛塔廖夫和卡丘金法结果较为一致，本库段塌岸高度在12～13 m之间，塌岸影响高程在187～188 m之间，塌岸宽度在48～50 m之间。

3 治理措施

工程防治目标为：根据库岸再造预测，在稳定性分析的基础上进行塌岸的支挡防护，在三峡水库蓄水过程中及正常运行后，保证岸坡在设计年限的正常运行和安全，并切实保障受塌岸影响的城镇功能与配套设施正常发挥作用。具体支挡防护措施如下：采用坡脚抗浮桩分段治理的防治理念，既可以保证边坡上段既有公路的稳定运行，又可以保证边坡下段码头渡口的稳定性。同时，搭配坡面浆砌片石+坡面排水沟，提高边坡整体稳定性的同时增加坡体排水能力。

4 结 论

本文以三峡大坝库区某库岸塌岸边坡为研究对象，针对塌岸边坡所处的场地条件展开详细的地质条件调查，采用Zolotalov法和Kachugin法对边坡塌岸稳定性进行分析。研究结果表明，需对谭家槽冲沟段岸坡进行工程治理。根据工程实际及预测结果，建议采用坡脚抗浮桩分段进行治理，既可以保证边坡上段既有公路的稳定运行，又可以保证边坡下段码头渡口的稳定性。同时，搭配坡面浆砌片石+坡面排水沟，提高边坡整体稳定性的同时增加坡体排水能力。