程憲龍，康家亮，李保方，趙海闊

（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021）

水庫區(qū)坍岸調(diào)查及穩(wěn)定角度選取

程憲龍，康家亮，李保方，趙海闊

（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021）

在尼爾基水利樞紐工程庫區(qū)坍岸現(xiàn)狀調(diào)查基礎(chǔ)上,通過坍岸區(qū)土體穩(wěn)定角度統(tǒng)計(jì)及參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，類比同流域其他工程資料，選取坍岸水下的穩(wěn)定坡角和水上穩(wěn)定坡角。根據(jù)坍岸剖面的地形地質(zhì)資料，采用圖解法預(yù)測坍岸寬度，并用卡丘金公式校核。

庫區(qū)坍岸；穩(wěn)定角度；圖解法；尼爾基水利樞紐

1 概 況

1.1 坍岸的破壞機(jī)理

水庫蓄水后，隨著庫水位上升，抬高了岸邊地下水位，浸潤原先處于干燥狀態(tài)的巖土，減少土體或軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度，使庫岸巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。庫岸巖土遭受浸濕和波浪的沖蝕，逐漸形成岸壁的初期坍落，波浪不斷對被濕化的庫岸沖擊、磨蝕，自然崩落和沖擊下來的巖土碎屑成為懸移質(zhì)和推移質(zhì)被波浪回流帶離坡腳淤積在岸邊，于是岸邊線后移，水下淺灘開始生成。波浪重復(fù)的作用，庫岸不斷坍落，后退，淺灘逐漸加寬，直至寬到足以消耗全部波能，庫岸后退與淺灘的發(fā)展?jié)u趨穩(wěn)定，形成最終的平衡剖面。

1.2 坍岸的預(yù)測方法

目前，國內(nèi)外大多數(shù)研究都是基于已建成水庫，通過對坍岸的觀測和分析，進(jìn)行坍岸預(yù)測。預(yù)測方法根據(jù)預(yù)測時間長短可分為短期預(yù)測和長期預(yù)測。

1.2.1 短期預(yù)測

短期預(yù)測以水庫初次蓄水后的2～3年內(nèi)為限。以前緣較陡岸坡均質(zhì)黃土坍岸為例。

起點(diǎn)從原河道最高洪水位起算。取蓄水初期最高水位，依式（1）計(jì)算蓄水初期坍岸寬度，見圖1。

式中：St——蓄水初期坍岸寬度，m；A——蓄水初期在高水位與原河道最高洪水位的差值，m；P——正常蓄水位與原河道最高洪水位的差值，m；H0——蓄水初期最高水位以上的岸高，m；α——動水位作用下的水下岸坡角，°；β——預(yù)測岸坡水上部分的穩(wěn)定坡角，°；γ——原始岸坡坡角，°。

圖1 前緣較陡岸坡坍岸短期預(yù)測圖

1.2.2 長期預(yù)測

1）類比圖解法。調(diào)查不同巖土體水下穩(wěn)定邊坡、水位變動帶坡角和水上穩(wěn)定邊坡，與水庫蓄水后不同庫水條件下的岸坡進(jìn)行類比，從而進(jìn)行坍岸預(yù)測。

2）計(jì)算圖解法。卡秋金預(yù)測法：適用于松散堆積層并且波浪較小的水庫，見圖2。

式中：St——坍岸帶最終寬度，m；N——與土顆粒大小有關(guān)的系數(shù)；A——庫水位變化幅度，m；hp——波浪沖刷深度，m；hB——波擊高度或浪爬高，m。

佐洛塔廖夫預(yù)測法：該方法認(rèn)為波浪對坍岸起主要作用，坍岸后的岸坡分為淺灘外臺階、堆積淺灘、淺灘沖蝕坡、浪擊帶和水上穩(wěn)定岸坡五部分。該方法適用于具有非均一地層結(jié)構(gòu)的岸坡，主要由黏土質(zhì)、較堅(jiān)硬和半堅(jiān)硬巖土組成的巖土組成的高岸水庫邊坡。

圖2 卡秋金預(yù)測法示意圖

3）兩段法。具體原理為：預(yù)測坍岸線由水下穩(wěn)定岸坡線和水上岸坡線由設(shè)計(jì)洪水位和毛細(xì)水上升高度H′及水上穩(wěn)定坡角β確定。

4）庫岸結(jié)構(gòu)法。根據(jù)岸坡上各種不同物質(zhì)的水下堆積坡角、沖磨蝕角、水上穩(wěn)定坡角和水庫的設(shè)計(jì)低水位、設(shè)計(jì)高水位來進(jìn)行預(yù)測，是一種圖解法和類比法，見圖3。

圖3 庫岸結(jié)構(gòu)法預(yù)測坍岸寬度示意圖

5）動力法。依據(jù)坍岸量與波能和巖石抗沖刷強(qiáng)度之間的關(guān)系方程，該方法有一定的依據(jù)，但需要一定量的觀測樣本。

2 工程概況

尼爾基水利樞紐工程是松花江流域水資源開發(fā)利用的核心工程之一，具有防洪、工農(nóng)業(yè)供水、發(fā)電、航運(yùn)、環(huán)境保護(hù)和魚類養(yǎng)殖等綜合利用效益，是嫩江流域水資源開發(fā)利用，防治水旱災(zāi)害的控制性工程，也是實(shí)現(xiàn)北水南調(diào)的重要水源工程。

尼爾基水利樞紐已于2005年9月水庫下閘蓄水，2006年7月第一臺機(jī)組發(fā)電，水庫中低水位運(yùn)行了3年。2009年水庫水位最高蓄到215.85 m，低于正常蓄水位僅15 cm。尼爾基水庫在215.5 m以上高水位運(yùn)行了1個月左右。此期間，在前期勘察確定的坍岸區(qū)域之外，庫周出現(xiàn)了新的坍岸。

3 坍岸區(qū)基本地質(zhì)條件

阿彥淺以下庫岸，河谷開闊，右岸為低矮的丘陵區(qū)，地形坡度一般20°～30°，表部分布有厚度不均低液限粘土、碎石混合土和混合土碎石等，基巖多由花崗巖、花崗閃長巖及變質(zhì)巖組成，右岸為二級侵蝕堆積階地，上覆第四系松散堆積物厚7～20 m，主要由低液限粘土組成，地形坡度相對較平緩，一般小于10°,局部庫岸坡度大于15°。

阿彥淺以上庫岸，為丘陵區(qū)，兩岸植良好，坡度一般為30°～40°,表部分布有厚度不均低液限粘土、碎石混合土和混合土碎石等，基巖多由玄武巖、花崗巖及火山碎屑巖構(gòu)成。

坍岸區(qū)地下水主要為第四系松散巖類孔隙水和弱承壓水，地下水位埋深一般3～5 m，水位高程受庫水影響。地下水pH值為6.7～7.8，礦化度為78～145 mg/L，屬低礦化度淡水。

構(gòu)造不發(fā)育，主要以構(gòu)造節(jié)理為主，表部巖體受節(jié)理切割、風(fēng)化及凍脹作影響，表部巖體較破碎。

4 坍岸參數(shù)的確定

經(jīng)測繪表明，坍岸部位巖性主要由低液粘土、混合土碎石、全風(fēng)化巖體和強(qiáng)風(fēng)化巖體，弱風(fēng)化巖體未見有坍岸現(xiàn)象，各類土體野外穩(wěn)定角度統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 坍岸區(qū)土體穩(wěn)定角度統(tǒng)計(jì)

根據(jù)實(shí)測資料及參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，類比同流域其他工程資料，給出坍岸水下的穩(wěn)定坡角和水上穩(wěn)定坡角，見表2。

出于安全角度考慮，當(dāng)預(yù)測斷面處實(shí)測水下穩(wěn)定角土體穩(wěn)定角度小于建議值時，預(yù)測時直接采了實(shí)測值。根據(jù)坍岸剖面的地形地質(zhì)資料，采用圖解法預(yù)測坍岸寬度，并用卡丘金公式校核。

5 結(jié) 論

通過對羅盤角度測量及實(shí)測斷面測量穩(wěn)定角度，經(jīng)過數(shù)理統(tǒng)計(jì)及經(jīng)驗(yàn)數(shù)值參考，與同流域其他工程進(jìn)行類比，給出巖土體的水下、水上穩(wěn)定坡角。根據(jù)坍岸剖面的地形地質(zhì)資料，采用圖解法預(yù)測坍岸寬度，并用卡丘金公式校核，進(jìn)而得出預(yù)測坍岸寬度。

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