張引平，屈永龍，王懷琦，任思遠(yuǎn)，李增強(qiáng)

(1.延安南溝門水利樞紐工程有限責(zé)任公司，陜西 延安 716099；2.西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710021；3.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054)

0 前 言

水庫(kù)塌岸是一個(gè)復(fù)雜的工程地質(zhì)問(wèn)題，通常是庫(kù)區(qū)水位變動(dòng)促使松散岸坡水文地質(zhì)條件發(fā)生改變，原始岸坡在庫(kù)水浸泡、干濕交替、風(fēng)浪沖擊、水流侵蝕等作用下而發(fā)生坍塌的過(guò)程，又稱水庫(kù)岸坡再造[1-3]。黃土是黃土高原地表主要巖土類型，其具有強(qiáng)結(jié)構(gòu)性、濕陷性和水敏性等特性，受水分影響顯著[4]。陜北延安某黃土水庫(kù)初期蓄水后出現(xiàn)岸坡嚴(yán)重的滑塌現(xiàn)象，對(duì)水庫(kù)正常運(yùn)行構(gòu)成不良影響，給周邊群眾耕地、住宅等財(cái)產(chǎn)造成一定經(jīng)濟(jì)損失[5-6]。后期蓄水位上升后，塌岸規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，加劇庫(kù)區(qū)不良影響和經(jīng)濟(jì)損失，故亟需對(duì)該水庫(kù)黃土岸坡穩(wěn)定性與塌岸預(yù)測(cè)進(jìn)行深入研究。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)塌岸預(yù)測(cè)方法開(kāi)展了長(zhǎng)期研究，目前主要的預(yù)測(cè)方法以半經(jīng)驗(yàn)、半定量方法為主，如圖解法、動(dòng)力法、統(tǒng)計(jì)法和模擬試驗(yàn)法等[7-9]。本文主要采用地質(zhì)調(diào)查、數(shù)值模擬和理論計(jì)算等方法對(duì)陜北黃土水庫(kù)岸坡穩(wěn)定性分析和塌岸預(yù)測(cè)評(píng)價(jià), 為黃土水庫(kù)安全運(yùn)行、預(yù)防水庫(kù)塌岸及保護(hù)地質(zhì)環(huán)境提供參考。

1 工程概況

該水庫(kù)位于陜西省延安市黃陵縣與洛川縣交界處，距洛川縣交口河鎮(zhèn)約3.9 km，距黃陵縣城約26.2 km。水庫(kù)工程由大壩、溢洪道、導(dǎo)流泄洪洞、引水發(fā)電洞及電站等組成，控制流域面積為5 443 km2，正常蓄水位848.00 m，死水位824.00 m，水庫(kù)總庫(kù)容2.006億m3，屬于Ⅱ等大(二)型工程。自2014年底下閘蓄水以來(lái)，庫(kù)區(qū)內(nèi)多段黃土岸坡出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象(見(jiàn)圖1)，對(duì)庫(kù)岸周邊的地質(zhì)環(huán)境、部分耕地以及水庫(kù)淤積和水質(zhì)等造成嚴(yán)重影響。

2 黃土塌岸破壞模式及影響因素

通過(guò)對(duì)庫(kù)區(qū)72處涉及黃土地層的岸坡點(diǎn)進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)水庫(kù)岸坡失穩(wěn)破壞模式以坍塌型為主，其次是滑塌型和滑移型；庫(kù)區(qū)岸坡失穩(wěn)的規(guī)模大小不同，但成群連片現(xiàn)象顯著。同時(shí)，水庫(kù)塌岸的影響因素眾多、作用機(jī)制復(fù)雜，是水利樞紐工程安全運(yùn)營(yíng)必須重視的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題[10-12]。

2.1 塌岸破壞模式

(1) 坍塌型塌岸

岸坡坍塌破壞，是庫(kù)區(qū)的主要黃土塌岸形式，尤其是在暴雨和庫(kù)水位大幅變化時(shí)[2,13]。這是由于庫(kù)水沖刷及浸泡作用破壞了下部坡腳支撐，地表降水加劇了上部坡體重力，使岸坡失去平衡，產(chǎn)生突發(fā)性的坍塌破壞。庫(kù)區(qū)這類塌岸共計(jì)64處，占塌岸總數(shù)92.8%。

(2) 滑移型塌岸

滑移型塌岸，多發(fā)在坡度較緩的黃土狀土岸坡以及滑坡隱患岸坡，變形過(guò)程較緩慢[2-3]。其破壞演化過(guò)程是在庫(kù)水沖刷等因素影響下，岸坡沿黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)面或原有滑動(dòng)面等發(fā)生整體滑移破壞。庫(kù)區(qū)這類塌岸共1處，占塌岸總數(shù)1.4%。

(3) 滑塌型塌岸

岸坡滑塌型破壞，多發(fā)生于黃土-基巖岸坡，具有坍塌型和滑移型破壞岸坡的部分特征。其演化過(guò)程是在庫(kù)水作用下，岸坡坡腳被淘蝕或被浸泡軟化失去支撐后，黃土岸坡在重力作用下發(fā)生先滑后崩或先崩后滑的岸坡破壞形式[14-15]。庫(kù)區(qū)這類塌岸共計(jì)4處，占塌岸總數(shù)5.8%。

2.2 庫(kù)區(qū)塌岸影響因素

(1) 地形地貌因素

1) 岸線形態(tài)

岸線主要有凸岸和凹岸兩種形態(tài)，不同岸線對(duì)庫(kù)區(qū)塌岸的影響不同。水庫(kù)有伸入水域的窄長(zhǎng)型凸岸，為原葫蘆河淤積側(cè)，端部坡度較緩，側(cè)翼較陡，多發(fā)育滑塌型破壞，甚至將岸坡滑塌成孤島。而凹岸多為河道沖刷側(cè)，基巖面高、坡度陡，一般為避風(fēng)地帶，庫(kù)區(qū)波浪較小，塌岸寬度較小。

2) 岸線高度與坡度

該水庫(kù)的塌岸速度與岸線高度、坡度等密切相關(guān)。同一庫(kù)區(qū)水深處，高岸的滑塌慢而低岸的滑塌快；并且，陡岸的塌岸速度快、寬度大，而緩岸與之相反；當(dāng)岸坡緩于淺灘磨蝕角時(shí)，很少發(fā)生岸坡滑塌。

3) 水下岸坡走向與坡形

庫(kù)區(qū)岸坡坡腳為較平緩階地或漫灘時(shí)，可減弱風(fēng)浪的沖蝕作用，減緩岸坡滑塌失穩(wěn)；但水下岸坡又高又陡時(shí)，風(fēng)浪用強(qiáng)烈，坍落物不易沉積，將加速塌岸發(fā)生，形成窄陡岸坡。

4) 岸坡的切割程度

該水庫(kù)沖溝發(fā)育、切割破碎的黃土岸坡滑塌一般較嚴(yán)重；而坡形平整、階地寬闊、支溝不發(fā)育的岸坡則較輕。

(2) 地質(zhì)因素

水庫(kù)岸坡地層類型、產(chǎn)狀、層厚、上下層序、各層的出露位置及其物質(zhì)組成和性質(zhì)等地質(zhì)因素對(duì)庫(kù)區(qū)塌岸影響顯著。它們不僅直接控制岸坡滑塌的寬度、速度和模式，還決定了淺灘的形狀、寬度和披角。對(duì)于該水庫(kù)的黃土岸坡，由于其粉粒含量高，孔隙率大，崩解速度快，浸水后土體結(jié)構(gòu)被破壞，承載力大幅降低，形成快速、強(qiáng)烈的坍塌。而基巖岸坡，由于巖石強(qiáng)度高、水平層理，受庫(kù)水的影響小。

(3) 水文因素

1) 風(fēng)浪作用

風(fēng)浪對(duì)黃土岸坡的淘刷與磨蝕，使其形成浪蝕洞、倒坡，誘發(fā)塌岸發(fā)生。并且，風(fēng)浪越高、波能越大，則破壞力越強(qiáng)，搬運(yùn)塌落物的能力越大，形成寬緩型淺灘。相反，破壞岸坡穩(wěn)定的能力弱，將形成的陡窄型淺灘。

2) 庫(kù)水滲透與地下水位

水庫(kù)蓄水后，庫(kù)區(qū)岸坡的地下水位迅速升高，岸坡因毛細(xì)作用形成水面以上1.0～1.5 m高的浸潤(rùn)線。這些庫(kù)水滲透和地下水位變化，改變了岸坡地層的水土平衡狀態(tài)，尤其是土體飽和后，重力增加、強(qiáng)度衰減等，加劇岸坡失穩(wěn)。

3) 沿岸流

沿岸流是由于風(fēng)浪對(duì)岸邊作用而產(chǎn)生的順岸水流，有一定的流速。這種水流可沖蝕凸岸，使岸線順直化，有利于水下淺灘的穩(wěn)定，減緩塌岸的發(fā)展。

(4)水庫(kù)運(yùn)行方式

在水庫(kù)調(diào)洪調(diào)蓄過(guò)程中，庫(kù)區(qū)水位總是呈規(guī)律性變化。相同條件下，水位變化幅度越大，將形成的淺灘越寬、臺(tái)階越多；水位持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)、波浪沖蝕越頻，形成的淺灘越緩、寬度越大。

(5)其他因素

由于水庫(kù)處于季節(jié)性凍土區(qū)，岸坡在冬季發(fā)生凍結(jié)而春季發(fā)生融化。這種周期性凍融作用可損傷巖土結(jié)構(gòu)、降低強(qiáng)度、加速風(fēng)化，使其出現(xiàn)裂縫或破壞。

總之，塌岸是水庫(kù)內(nèi)、外因素相互作用的過(guò)程，其中地形地貌、地質(zhì)條件等是影響水庫(kù)塌岸的內(nèi)在因素，而水文變化、水庫(kù)運(yùn)行等外在因素則是岸坡失穩(wěn)的關(guān)鍵誘發(fā)條件，應(yīng)引起足夠重視。

3 黃土岸坡穩(wěn)定性分析

3.1 庫(kù)岸地質(zhì)模型

根據(jù)岸坡調(diào)查和工程勘查，確定庫(kù)區(qū)失穩(wěn)岸坡典型地質(zhì)模型有黃土岸坡、黃土-基巖組合岸坡兩大類，如圖2。其中，黃土岸坡以中更新統(tǒng)和上更新風(fēng)積黃土為主，是水庫(kù)塌岸的主要類型，有濕陷性，結(jié)構(gòu)疏松，大孔隙，無(wú)層理，在庫(kù)水浸泡和水位變動(dòng)下土體結(jié)構(gòu)極易受破壞?；鶐r以三疊系上統(tǒng)砂巖為主，產(chǎn)狀近水平，沿河谷兩岸，呈帶狀出露。水庫(kù)當(dāng)前蓄水位為844.23 m，后期隨著水庫(kù)調(diào)洪蓄水方案，將達(dá)到的設(shè)計(jì)正常蓄水位為848.00 m。

3.2 岸坡數(shù)值建模

采用Geo-studio 有限元分析軟件，建立庫(kù)區(qū)典型岸坡數(shù)值模型，通過(guò)細(xì)化網(wǎng)格提高計(jì)算精度，對(duì)庫(kù)岸邊坡模型的網(wǎng)格劃分，采用 SLOPE/W模塊和Morgenster-Price算法進(jìn)行岸坡穩(wěn)定性研究。其中，黃土岸坡模型坡長(zhǎng)80 m，坡高26 m；黃土-基巖組合岸坡長(zhǎng)50 m，坡高32 m；岸坡水位條件為水庫(kù)設(shè)計(jì)正常蓄水位848.00 m。計(jì)算工況分別為天然工況和暴雨工況，地下水位以下地層均視為飽和，暴雨工況下考慮岸坡地表2 m厚度范圍為飽和狀態(tài)，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 岸坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

3.3 岸坡穩(wěn)定性模擬結(jié)果

水庫(kù)典型岸坡穩(wěn)定性的模擬結(jié)果，如圖3和圖4所示。由圖3可見(jiàn)，當(dāng)庫(kù)區(qū)水位上升為設(shè)計(jì)正常蓄水位848.00 m時(shí)，天然工況下黃土岸坡的穩(wěn)定系數(shù)為0.703，小于安全系數(shù)1.0，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，將發(fā)生滑塌失穩(wěn)；暴雨工況下黃土岸坡的穩(wěn)定系數(shù)更小，降低了1.71%，說(shuō)明庫(kù)水浸沒(méi)、沖蝕岸坡坡腳必將引起岸坡失穩(wěn)，暴雨條件下岸坡表層土體飽和、自重增加，進(jìn)一步加劇岸坡失穩(wěn)。同時(shí)，兩種工況下黃土岸坡滑裂面總是后緣較陡而前緣較緩，滑面均沿岸坡水下坡腳剪出，這與庫(kù)區(qū)黃土岸坡坍塌型破壞的實(shí)際特征相一致，說(shuō)明模擬結(jié)果可靠。

由圖4可知，天然和暴雨工況下，庫(kù)區(qū)黃土-基巖組合岸坡在的穩(wěn)定系數(shù)均小于1.0，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明正常蓄水位浸沒(méi)岸坡土-巖界面后，誘發(fā)岸坡失穩(wěn)破壞。與黃土岸坡相比，黃土-基巖組合岸坡的穩(wěn)定系數(shù)略大，滑裂面較平緩，滑面剪出口位于土-巖界面處，這是由于庫(kù)水浸沒(méi)黃土-基巖組合岸坡坡腳較低引起的，但基于黃土和巖石物理力學(xué)特性的巨大差異，二者界面易成為岸坡軟弱面，加速岸坡滑塌，與庫(kù)區(qū)塌岸實(shí)際特征相一致。

3.4 岸坡變形特征分析

水庫(kù)典型岸坡的位移分布，如圖5～6所示。由圖5可見(jiàn)，天然和暴雨工況下，黃土岸坡的最大水平位移均集中在塌岸堆積體坡腳上側(cè)位置，最大水平位移量為0.30～0.85 m。并且，位移量向岸坡內(nèi)部上方逐漸衰減，這說(shuō)明黃土岸坡最大變形處于坡腳處，而塌岸堆積可使岸坡破壞面上移，這與庫(kù)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)塌岸實(shí)際情況基本一致。同時(shí)，對(duì)比圖5(a)和圖5(b)，發(fā)現(xiàn)暴雨工況下岸坡地表飽和對(duì)位移分布的影響并不大，說(shuō)明塌岸孕災(zāi)過(guò)程中庫(kù)區(qū)水位變化是控制性因素。

對(duì)于黃土-基巖組合岸坡的變形特征，由圖6發(fā)現(xiàn)兩種工況下岸坡的最大位移均集中在土-巖交界面與地下水位線之間的黃土地層處，最大水平位移量約0.10～0.12 m，符合庫(kù)區(qū)黃土-基巖組合岸坡沿界面滑塌失穩(wěn)的實(shí)際特征。與天然工況(見(jiàn)圖6(a))相比，暴雨工況(見(jiàn)圖6(b))下最大位移向坡頂和后緣移動(dòng)，說(shuō)明暴雨增大了坡頂表層的變形，加劇了岸坡的失穩(wěn)破壞。

4 塌岸預(yù)測(cè)分析

通過(guò)水庫(kù)塌岸預(yù)測(cè)，確定岸坡最終塌岸寬度和塌方量，將對(duì)庫(kù)區(qū)土地規(guī)劃、移民搬遷、防洪工程等起到?jīng)Q定性作用，也可給岸坡治理提供重要的依據(jù)[16-17]。

4.1 塌岸預(yù)測(cè)分析原理

目前，卡丘金圖解法在黃土等松散沉積層塌岸預(yù)測(cè)分析中應(yīng)用廣泛[7-8]，其基本原理是依據(jù)實(shí)測(cè)的洪枯水變幅帶及各類巖性岸坡長(zhǎng)期穩(wěn)定坡角，根據(jù)幾何關(guān)系用圖解法求解岸坡最終塌岸預(yù)測(cè)寬度St，如圖7所示。預(yù)測(cè)計(jì)算公式如下：

St=N[(A+hp+hB)·cotα+(H-hB)·cotβ-(A+hp)·cotγ]

(1)

式中：St最終塌岸寬度，m；A為水位變化幅度，m；N為與岸坡土的顆粒成分有關(guān)的堆積系數(shù)；hp為波浪沖刷深度；hB為浪擊高度或浪爬高；H為正常蓄水位以上岸坡高度；α為水下穩(wěn)定坡角；β為水上岸坡的穩(wěn)定坡角；γ為原始岸坡坡角。

4.2 預(yù)測(cè)參數(shù)選取

根據(jù)水庫(kù)運(yùn)行情況和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等確定計(jì)算參數(shù)的取值，堆積系數(shù)N=0.6，庫(kù)水位變化幅度A=24 m。依據(jù)水庫(kù)特征，浪高按1.5 m計(jì)，確定波浪沖刷深度hp=3 m，浪擊高度hB=1.2 m。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)塌岸調(diào)查與相關(guān)研究[2]，綜合分析確定水庫(kù)黃土岸坡的水下岸坡的穩(wěn)定坡角α取24°，水上岸坡為中、低邊坡(高度≤20 m)的穩(wěn)定坡角β取70°，高邊坡(高度>20 m)時(shí)β取60°。

4.3 計(jì)算斷面確定

根據(jù)水庫(kù)岸坡調(diào)查與測(cè)量，共選取庫(kù)區(qū)72處可能發(fā)生塌岸的庫(kù)岸斷面作為預(yù)測(cè)分析對(duì)象，地質(zhì)模型為黃土岸坡和黃土-基巖混合岸坡，典型岸坡塌岸預(yù)測(cè)分析如圖8所示。

4.4 塌岸預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)卡丘金圖解法，確定該黃土水庫(kù)72處岸坡最終塌岸寬度St、塌岸占地面積和塌方量，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

(1) 最終塌岸寬度

由圖9可知，庫(kù)區(qū)最終塌岸寬度最大為43.9 m，最小為4.4 m，平均約25.5 m。其中，塌岸寬度介于0～10 m的岸坡有1處，介于10～20 m的有15處，介于20～30 m的有37處，大于30 m的有19處。對(duì)于近壩區(qū)的22處黃土岸坡塌岸預(yù)測(cè)中，最終塌岸寬度大于20 m的占比高達(dá)75.0%，說(shuō)明近壩區(qū)后期發(fā)生塌岸的規(guī)模和影響較大。

(2) 塌岸范圍與方量

結(jié)果表明，水庫(kù)岸坡塌方量均大于0.5×104m3，占地面積為58.9 hm2，塌岸總方量為894.5×104m3。單個(gè)岸坡點(diǎn)塌方量多超過(guò)3.0×104m3，其中，3.0×104～10.0×104m3的有26處，大于10.0×104m3的有39處，最大塌方量高達(dá)52.20×104m3。

5 結(jié) 論

(1) 陜北黃土地區(qū)水庫(kù)產(chǎn)生塌岸的岸坡有黃土岸坡、黃土-基巖組合岸坡兩大類；岸坡破壞模式以坍塌型塌岸為主，其次為滑塌型和滑移型；庫(kù)區(qū)塌岸是復(fù)雜的地質(zhì)問(wèn)題，受地形地貌、

地質(zhì)條件、水位變化、水庫(kù)運(yùn)行方式及凍融等因素影響，水文因素起控制性影響。

(2) 基于Geo-studio軟件對(duì)兩種典型地質(zhì)模型的岸坡在天然和暴雨工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明正常蓄水位下兩種岸坡均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)為0.691～0.865；黃土岸坡最大位移集中于塌岸堆積體以上的坡腳處，土巖組合岸坡則集中在土-巖界面處，說(shuō)明了岸坡滑裂面剪出口位置，這與現(xiàn)場(chǎng)塌岸實(shí)際特征基本一致。

(3) 通過(guò)卡丘金圖解法對(duì)水庫(kù)長(zhǎng)期塌岸進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)庫(kù)區(qū)最終塌岸寬度以10.0～35.0 m為主，最大43.9 m，平均25.5 m；塌岸占地總面積為58.9 hm2，塌岸總方量為894.5×104m3，方量以3.0×104～32.0×104m3為主，平均12.5×104m3，且近壩區(qū)塌岸更嚴(yán)重，應(yīng)引起足夠重視并采取相應(yīng)的監(jiān)測(cè)和防治措施。