布伦口水库公路塌岸分析及防护措施

张金海

1 概况

布伦口水库位于西昆仑山腹地新疆阿克陶县境内,为盖孜河中游河段的龙头水库,属河谷性水库,建成后具有灌溉、发电、防洪和生态等综合利用效益的控制水库。布伦口水库段公路属314国道一部分,路线西临喀拉库里河,东傍公格尔山,待水库建成后公路将有约6 km路段处于水库淹没线下。为不影响道路的正常通行,需在水库建成前对现有公路进行移线,受库区地形限制,路线选择在库东岸公格尔山坡脚下通过较为经济可行。考虑水库设计洪水位、回水高度、波浪侵袭高和安全高度等因素,路线将高程提至水库设计水位之上约10 m。水库蓄水后,库岸周边的土坡受到水的浸湿、风浪及水流的冲蚀作用,破坏原有平衡状态,发生塌岸。水库塌岸将影响新路线的安全,因而必须采取有效措施对塌岸区域公路路基进行防护。

2 库区地形地质

路线所处区域地貌为木吉—慕士塔格断陷盆地,盆地为北西～南东走向,呈折线状,海拔高度3 280 m～3 340 m,盆地两侧高山耸立,公格尔山位于盆地的东南部。路线主要通过公格尔山单面坡体及山前冰碛、冰水洪积扇堆积地貌。

沿线地质土的类型主要为碎石、砾石及绿泥石片岩。在山前冰碛、冰水洪积扇体堆积地貌上主要为碎石(卵石),夹含块石,稍密～中密,母岩主要为花岗岩,最大揭示深度15.0 m。天然容重在 20.0 kN/m3～ 22.5 kN/m3之间,内摩擦角一般在 33°～ 40°,粘聚力一般在1.0 kPa～5.0 kPa;坡积层主要揭示为角砾和砾砂,呈松散～中密状,母岩主要为绿泥石片岩,最大揭示深度25.0 m。天然容重在19.0 kN/m3～22.5 kN/m3之间,内摩擦角一般在30°～37°之间,部分胶结段落为40°。沿线出露的基岩为绿泥石片岩,灰绿色,受构造断裂影响较破碎,风化不均,一般强风层厚皆大于3.0 m,其内摩擦角为 25°,粘聚力为75 kPa。

3 塌岸成因及过程

水库塌岸是水库蓄水后普遍发生的现象,水库塌岸的过程,就是在库水作用下原岸坡的破坏和新岸坡的形成过程。

塌岸的形成与以下因素有关:

1)地层岩性和结构条件。松散堆积体利于崩塌、滑坡的发生。

2)岸坡陡峭是塌岸形成的重要地形条件。平均坡度为45°以上的岸坡易发生塌岸。另外,滑坡松散堆积体前缘坡度虽然不大,但浪击作用大,仍可转变成陡坡而发生塌岸。

3)水的溶滤、潜蚀和浪击淘蚀等作用是库岸发生塌岸的主要外动力条件。水的作用部位主要在水位变动带附近,形成大于90°的反坡。反坡必然导致上部的岩、土体悬空而失稳崩塌。

塌岸的发展可分为三个阶段:

1)库水位作用形成反坡地形阶段。在水溶滤、潜蚀和浪击淘蚀作用下,水位附近的岸坡形成“凹”形槽。

2)斜坡拉裂变形阶段。反坡地形一旦形成,其上岩、土体便受到悬臂梁式的力作用,沿平行于岸坡的一组陡倾节理产生拉裂缝。

3)崩塌阶段。拉裂缝进一步发展,崖体已不能维持平衡而发生崩落。

每一次崩塌后岸坡暂时稳定,但在库水作用下很快又在水位附近形成新的反坡地形,开始了下一个崩塌过程。这样,岸坡不断地崩塌、后退,直到岸坡达到最终稳定。

布伦口水库土质岸坡由第四系坡积层构成,主要由砾石、碎石、砾砂等物质组成,厚度不等。除个别岸段地形平缓外,大部分岸坡坡度较陡,在30°以上。若岸坡在库水长期浸泡软化后土体物理力学参数降低,随着水位往复变化和波浪淘刷,土体局部变陡,稳定性降低,最终产生一定规模的崩塌、局部滑移等失稳破坏,即发生塌岸破坏。

4 塌岸预测

在塌岸预测中,坡角地质类比法是一种广泛应用的方法。该方法的基本思路为:在系统分析库岸地质环境及地质条件的基础上,根据工程地质条件相近的邻近河谷岸坡形态参数(包括水下、水上、水位变幅带的侵蚀、堆积稳定坡角统计值等)类推水库蓄水后相应水位作用带的最终稳定坡角。然后以库岸不同高程的稳定坡角为基础,用图解法求取蓄水运行后的最终坍岸宽度。

布伦口水库塌岸预测采用的图解法[1]具体步骤如下:

1)绘出塌岸预测的地质剖面,并标明其最高水位及最低水位;2)在岸坡坡脚最低水位以下波浪冲刷深度的B点,画出浅滩的天然冲刷稳定坡角α(α值随库岸土的种类而异),直到与最高水位上的波浪爬高的水平线交于 B′点;3)从 B′点按不同土的内摩擦角φ作直线交地面线于A′点;4)所得的AA′即为最终塌岸宽度。

根据布伦口水库库岸地形地质情况,使用图解法对塌岸宽度进行了预测。由于库岸坡度较陡,大部分路段边坡处于30°～40°之间,塌岸线与坡面近似平行,间距接近30 m,见图 1。若采用开挖坡面方法使路线处于塌岸稳定区内,则工程的土石方数量十分巨大,经济上不可行。

因此,采用必要防护措施防止塌岸的发生,对工程的安全与经济性均十分重要。

5 塌岸防护

根据对布伦口水库库岸塌岸的预测,移线后路基坡面必须进行防护。结合坡岸工程地质,库岸的防护形式主要有两种:一种是在基岩出露地段设置浆砌片石挡土墙;第二种是在非基岩路段设置浆砌片石护坡。

挡土墙为衡重式路肩墙,采用M15浆砌片石砌筑。挡土墙尺寸依据地形、地质及设计水位的情况并满足抗震设计的要求,墙高为3.0 m～12.0 m。泄水孔在地面线以上30 cm处沿墙长方向布设一排,间距2.0 m。挡土墙基础去除强风化层后,嵌入基岩的深度不小于100 cm,且墙趾距地表水平距离不小于2.0 m。挡土墙断面形式见图2。

护坡坡度根据坡面填土的内摩擦角经稳定计算确定,其值为1∶3.0～1∶1.75,坡面采用M15浆砌片石砌筑,厚40 cm,下设置30 cm砂砾垫层,砂砾垫层需满足一定级配要求,坡面在纵、横向每隔2.0 m～2.5 m设置一处泄水孔,以保证坡体内水的及时排出。护坡自顶向下沿坡面间隔一段距离设置一道横向抗滑平台,平台底部宽80 cm。护坡断面形式见图3。

6 结语

布伦口水库库岸陡峻,冲沟发育,岸线弯曲。水库建成蓄水后库岸将出现大面积塌岸,直接影响新线位的安全,因此进行塌岸防护是确保公路安全通行的前提。根据沿线地形地质情况采取的防护措施,不仅确保了路基工程的安全、经济,也为类似工程的防护提供了参考。

[1] 交通部第二公路勘察设计院.公路路基设计手册[M].北京:人民交通出版社,2004:8.

[2] 简文星.三峡库区塌岸防护方法适宜性分析[J].地球与环境,2005(3):95-96.

[3] 甄 亮.某水库大坝抗滑稳定性分析[J].山西建筑,2009,35(32):361-362.

[4] 杨海燕.大梁水库库区塌岸预测与防护[J].水利水电工程设计,1999(4):195-196.