王 龍

(四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司 巖土勘察設(shè)計分院，四川 成都 610017)

0 引 言

位于研究區(qū)的金沙江河段穿行于川滇交界的橫斷山脈之間，整體宏觀地形具有山高谷深、岸陡坡險、彎急河窄的特點，河水本身對江岸的淘蝕、侵蝕、沖刷作用就極為強烈，加之擬建大橋橋位區(qū)位于某電站上游超過200 km的庫尾回水區(qū)，該電站為金沙江一系列大型、巨型電站的“龍頭”，總裝機容量為420萬kW，總庫容371億m3，設(shè)計高水位為2 010 m，死水位為1 939 m，目前正在建設(shè)中.待電站蓄水運營后，金沙江沿岸將經(jīng)歷長達數(shù)十年的庫岸再造才能達到相對穩(wěn)定，在此過程中，岸坡第四系沖洪積堆積物將極可能發(fā)生變形甚至塌岸.

1 橋位工程地質(zhì)條件

擬建橋梁跨越金沙江，位于下游電站庫尾，屬于典型的高山峽谷和河流侵蝕堆積復(fù)合地貌，臨河區(qū)為階地，向外逐漸為山區(qū)，宏觀地形為下陡上緩，近河谷呈深切割的“V”字型，具體地貌如圖1所示.

圖1 研究區(qū)的岸坡地貌

本研究預(yù)測的橋臺塌岸區(qū)域位于直接臨水的金沙江右岸一級階地，階面平整，水上天然階坡坡

度約30°～40°，岸坡地表堆積物主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積(Qal+pl 4)的卵礫石夾砂、黏性土，局部見漂石，根據(jù)鉆探揭示厚度超過40 m.岸坡地質(zhì)斷面和現(xiàn)場巖芯情況如圖2、圖3所示.

圖2 岸坡工程地質(zhì)斷面圖

圖3 岸坡堆積物巖芯

目前，岸坡表層階地面局部可見小型裂縫和傾斜下錯，如圖1所示，為2018年11月金沙江上游白玉縣段白格堰塞湖泄流引發(fā)的極端洪水所致[1].當下游電站建成蓄水后，受庫水沖刷浸泡、波浪拍擊磨蝕、干濕交替作用及動水壓力變化等因素綜合影響，堆積物風(fēng)化程度加劇，抗剪指標降低，且研究區(qū)地震基本烈度為8度，新構(gòu)造運動強烈，全新世的震動作用較為頻繁，在內(nèi)外營力耦合作用下庫岸將來很有可能發(fā)生更大范圍的變形、塌岸.

2 塌岸模式

修建在高海拔山區(qū)的水庫塌岸模式一般可分為沖磨蝕型、坍塌型、滑移型和流土型[2-3].沖磨蝕型岸坡改造緩慢而持久，規(guī)模一般較小，類似于被水流搬運帶走.坍塌型是指岸坡堆積體在庫水或江水的長期淘蝕、沖刷作用下，坡腳物質(zhì)被裹挾、蠶食、掏空，導(dǎo)致岸坡上部土體失去支撐而引起的岸坡下坐、坍塌現(xiàn)象，其啟動時間短、發(fā)生速度快，規(guī)模一般較大，是土質(zhì)岸坡最主要、最常見的塌岸類型.滑移型塌岸是指岸坡在庫水、降雨、滲流等作用下，沿滑動面或?qū)娱g軟弱面發(fā)生整體滑移的庫岸再造方式.流土型塌岸是指堆積物中細顆粒組分在庫水漲落調(diào)節(jié)作用下吸水飽和，產(chǎn)生微膨脹，在自重作用下沿坡向下發(fā)生塑性流動現(xiàn)象.本研究區(qū)橋臺岸坡堆積物以砂卵石為主，符合坍塌型模式，且屬于庫岸再造中的坍塌后退型亞類.

3 塌岸預(yù)測

塌岸預(yù)測的方法主要有卓洛塔廖夫圖解法、岸坡結(jié)構(gòu)法、動力方程法、卡丘金法和兩段法等.由于岸坡地質(zhì)條件的復(fù)雜多樣，每種方法都有自身的局限性，預(yù)測的結(jié)果也大相徑庭.卓洛塔廖夫圖解法適用條件為水庫中下游段、水深、水面廣，波浪對岸坡破壞作用大的情況，與本研究區(qū)水文條件不符，且其預(yù)測模型把岸坡分為淺灘外緣陡坡，堆積淺灘、沖蝕淺灘、爬升帶斜坡及水上岸坡五段，在實際研究進程中很難精準區(qū)分.岸坡結(jié)構(gòu)法適用條件為強調(diào)多層堆積物、多個堆積坡角的非均質(zhì)岸坡結(jié)構(gòu)，與本研究區(qū)地質(zhì)條件不符.動力方程法需大量觀察、搜集水庫運營年限內(nèi)庫岸被沖刷巖土體的體積，而本研究區(qū)涉及的電站還正在建設(shè)，因此不適用.卡丘金法適用均質(zhì)岸坡塌岸寬度的長期預(yù)報，本研究區(qū)僅一種堆積物—卵石土，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)手冊》，一種土體可視為均質(zhì)岸坡，符合該方法前提條件.兩段法適用于山區(qū)峽谷型水庫，庫面或河道較窄，風(fēng)浪作用小，該方法亦符合本研究區(qū)自然、水文條件.因此，采用卡丘金法和兩段法對本研究區(qū)塌岸寬度進行對比預(yù)測.

3.1 卡丘金法[2,4-5]

預(yù)測塌岸線由水下穩(wěn)定坡線岸和水上穩(wěn)定岸坡線的連線組成，水下穩(wěn)定岸坡線由設(shè)計低水位線、波浪影響深度及水下穩(wěn)定坡角確定，水上穩(wěn)定岸坡線由庫區(qū)設(shè)計高水位線、波浪爬升高度及水上穩(wěn)定坡角確定.圖4為適當修正的卡丘金法塌岸預(yù)測示意圖.

圖4 卡丘金法塌岸預(yù)測示意圖

模型構(gòu)建過程為：以低水位線與天然岸坡線的交點為起點，α為傾角繪制水下穩(wěn)定岸坡線，再以該線延伸至庫區(qū)設(shè)計高水位線的交點為起點、β為傾角繪制水上穩(wěn)定岸坡線，延伸至與天然岸坡線相交，該交點與設(shè)計高水位線同天然岸坡線的交點之間的水平距離，即為預(yù)測的塌岸寬度.

岸坡最終塌岸寬度計算公式為,

S=N〔(A+hp+hb)ctgα+(hs-hb)ctgβ-(A+hp)ctgi〕

(1)

式中,S為塌岸最終寬度，/m；A為庫水位變化幅度，取設(shè)計高、低水位之差值，由于庫區(qū)設(shè)計低水位已在河床底板高程以下，因此低水位采用河流枯水位；N為與土體顆粒大小有關(guān)的堆積系數(shù)；hp為波浪影響深度，/m，相當于1～2倍波高；hb為波浪爬升高度，/m，約0.1～0.8倍波高，也可按公式求得，

hb=3.2k·h·tanα

(2)

式中，k為被沖蝕的岸坡表面粗糙度系數(shù)，卵礫石質(zhì)岸坡k=0.85～0.90；h為波浪高度，/m，根據(jù)該段金沙江實際情況，浪高一般小于0.5 m；hs為設(shè)計高水位以上岸坡高度，/m；α為淺灘沖刷后水下穩(wěn)定坡度，/°；β為水上岸坡穩(wěn)定坡角，/°；i為原始岸坡坡角，/°.α、β為根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，類比三峽庫區(qū)塌岸預(yù)測研究一系列成果及《水利水電工程地質(zhì)手冊》綜合選取[6].

與原卡丘金方法相比，本研究修正的地方有：①由于庫區(qū)設(shè)計低水位已低于河床底板，取真實設(shè)計低水位線已無意義，因此為完整體現(xiàn)一個周期的水位變化幅度，采用河流枯水位取代設(shè)計低水位.②關(guān)于N值的選取，原模型中卵礫石僅為0.4，但從現(xiàn)場巖芯揭露情況看(可見圖2)，卵礫石間隙充填砂、黏性土等，級配較好，密實度較高，現(xiàn)場動力觸探擊數(shù)高，取芯時局部可完整地裹挾成柱狀，實際上岸坡卵石土中空隙偏少，堆積系數(shù)較高，原值明顯偏低，因此N值取的0.7.

3.2 兩段法

以鐵二院賈建紅等[7-8]提出的“兩段法”及部分學(xué)者提出的“修正兩段法”為基礎(chǔ)，結(jié)合本庫區(qū)地質(zhì)、電站實際情況做適當調(diào)整后進行預(yù)測.建模原理與卡丘金法類似，預(yù)測塌岸線仍由水下穩(wěn)定坡岸線和水上穩(wěn)定岸坡線的連線組成，水下穩(wěn)定岸坡線由河流枯水位線、波浪影響深度(hp)及水下穩(wěn)定坡角確定，水上穩(wěn)定岸坡線由庫區(qū)設(shè)計高水位線、波浪爬升高度(hb)及水上穩(wěn)定坡角確定.圖5所示為適當修正的“兩段法”塌岸預(yù)測示意圖.

圖5 兩段法塌岸預(yù)測示意圖

具體圖解過程為：以河道枯水位減去浪擊深度后的高程線與岸坡交點A為起點，以α為傾角繪出水下穩(wěn)定岸坡線，該線延伸至庫區(qū)設(shè)計高水位加浪爬高度后的高程線交點B；再以B點為起點，以β為傾角繪出水上穩(wěn)定岸坡線，與天然岸坡的交點為C；B點高程所對應(yīng)的天然岸坡點D與該線終點C之間的水平距離，即為塌岸寬度S.

與原兩段法相比，本次研究修正的地方有：①、為完整體現(xiàn)水庫建成運行后一個周期的水位變化幅度，用水庫設(shè)計高水位代替原模型中的橋梁設(shè)計洪水位，用河流枯水位減去浪擊深度(hp)代替原模型中的河道多年洪水位.②、因卵石層中毛細水上升高度過小，因此用波浪爬升高度(hb)代替，即不考慮毛細水，而考慮浪爬高度和浪擊深度.

表1為兩種預(yù)測方法的部分參數(shù)及最終塌岸寬度一覽表.

表1 部分特征角[8]和預(yù)測成果

4 結(jié) 論

本研究基于修改的卡丘金法和兩段法對金沙江上游某電站庫尾的擬建橋臺岸坡進行了塌岸預(yù)測，得到以下幾條結(jié)論：

1)卡丘金法和兩段法構(gòu)建預(yù)測模型的步驟異曲同工，主要區(qū)別在于卡丘金法傾向于利用參數(shù)導(dǎo)入公式計算取得預(yù)測結(jié)果，而兩段法則利用圖解取得結(jié)果.

2)由于電站設(shè)計運行低水位、死水位均低于河床底板，與上述兩種辦法的原始模型均不完全吻合，結(jié)合研究區(qū)岸坡的客觀地質(zhì)條件，對模型的搭建以及部分參數(shù)的選取進行了適當修改，得到了預(yù)測塌岸寬度.

3)從預(yù)測成果來看，上述兩種方法數(shù)據(jù)比較接近，兩種方法之間可相互對比、印證，卡丘金法預(yù)測寬度較兩段法小，偏于安全，預(yù)測的最終塌岸寬度均在30～40 m之間，與白格堰塞湖泄流時所引起坡表的坍塌范圍基本相符，這次突發(fā)洪水相當于對今后常態(tài)化的庫水調(diào)節(jié)進行了一次快速模擬，一定程度上驗證了兩種預(yù)測方法的合理性，鑒于坍塌后退型的塌岸模式具有快速性和突發(fā)性的特點，推薦采用預(yù)測成果更保守的兩段法預(yù)測.在后續(xù)研究中也將加強監(jiān)測，對塌岸預(yù)測結(jié)果予以進一步驗證.

4)在2018年底，研究區(qū)上游白格堰塞湖潰壩時，洪水位甚至超過橋梁設(shè)計洪水位，一度漫過一級階地，雨季時這種極端情況引發(fā)的強破壞力的洪水在金沙江沿岸時有發(fā)生，對岸坡的改造是非常劇烈的，也是加劇塌岸的重要因素.應(yīng)對設(shè)有構(gòu)筑物的沿岸采取護堤措施，如采用格構(gòu)、點砌石、漿砌石等加固.