浅析土质水库岸塌岸预测方法及问题

刘 猛,陈福江,施春华

(1.四川众望安全环保技术咨询有限公司,四川 成都 610000;2.西南交通大学,四川 成都 610031)

1 水库塌岸的主要危害

水库蓄水常常引起一些工程地质问题,塌岸是其中之一。库岸在自然营力作用下总是在不断改变着,波浪和岸流一方面冲击或磨蚀着边岸,另一方面又将冲蚀下来的物质或其它来源的泥沙搬运至某些岸坡堆积起来,这两方面的作用可引起库岸的进退,改变着水下岸坡的坡度和深浅[1]。水库蓄水后,由于水位抬高,破坏了原有的平衡状态,库岸周边的坡地,受到水的浸湿及风浪、水流的冲蚀作用,发生坍塌,这就是水库塌岸。随着时间的延长,库岸不断的坍塌破坏,库岸线也逐渐后退,直到达到新的平衡状态为止。这一过程称为水库的库岸再造[2]。

水库塌岸所造成的危害主要表现为:(1)坍塌后,大量岩土体滑进库内,产生附加淤积,减少了有效库容,对库容较小的水库影响较明显;(2)进坝的大体积滑坍塌体急速跌入水中,产生巨大的涌浪,对大坝造成冲击荷载,漫坝水体将威胁下游建筑物的稳定;(3)坍塌使库边大片的农田、村镇、工矿企业、道路、铁路破坏,大量滩地坍失;(4)坍塌体可堵塞引水建筑物进水口,支流的大规模崩滑体可堵塞河道,造成断流断航;(5)坍塌也可引起河势的改变[3],特别是对于库区上游段蜿蜒型河段,坍塌常引起主流易位,使港口航道不能正常运用,容易造成海事;(6)库岸坍塌破坏了原始岸坡的自然平衡,常常诱发大面积库岸滑坡、崩塌;(7)坍塌还可对坝下游河道的淤积产生不利影响[4]。库岸坍塌造成的危害极为严重,如何有效及时的防治库区地质灾害的发生尤为重要。

2 水库塌岸预测方法

2.1 传统塌岸预测方法

水库塌岸预测理论最早来源于前苏联,在二十世纪四五十年代,前苏联萨瓦连斯基、卡丘金、佐洛塔寥夫等研究了苏联的水库塌岸问题,提出的塌岸范围预测的基本计算方法和图解法。近年来,有关水库塌岸预测方法的研究仍在进行;现阶段,预测库岸塌岸的方法可分为定性分析方法和定量分析方法。

2.1.1 定性分析法

(1)模糊综合评判法[5]。岸坡稳定性模糊评价是指在建立评价指标体系的基础上,根据各指标对岸坡稳定性的影响程度给定一定的权重值,并应用不确定数学方法,按照某种数学关系准则(如最大隶属度原则),对岸坡稳定性等级给出综合性判断及预测结论(如稳定、不稳定等)。

(2)神经网络法[6]。神经网络模型是国际上前沿研究领域的新兴交叉学科,已在模式识别、自动控制等应用研究领域取得很好的效果。库岸稳定性评价是综合条件共同作用的结果,其影响因素复杂。而神经网络法基本原理是可以通过简单线性函数的复合来达到处理复杂非线性函数的目的,且可以实现多对象输入到多目标输出的数学处理能力。因此,将神经网络模拟技术应用于库岸塌岸预测问题的研究具有坚实的技术基础。

(3)工程类比法[7]、[8]。利用现阶段不同岩土体水下稳定坡角、水位变幅带坡角和水上稳定坡角,与将来水库蓄水后不同库水条件下的岸坡坡形类比,从而进行塌岸预测。图解中根据地质测绘与勘探资料,现场调查统计不同岩土体在天然河道的平均枯水位以下、库水涨幅带以及平均洪水位以上三带内岩土体的稳定坡角,然后根据各岩土层自然岸坡坡度统计值与前述类比原则,得出各岩土层在不同库水位状态下的稳定坡角建议值,最后采用图解法确定塌岸范围。

(4)佐洛塔寥夫法[7]～[11]。此方法为前苏联学者佐洛塔寥夫于 1955年提出,着重强调库水波浪作用,通过图解法确定最终塌岸宽度。

对于在大型水库的中、下游地段,松散物质堆积岸坡(如残坡积、崩坡积、滑坡堆积以及人工弃渣岸坡等),一般采用佐洛塔寥夫提出的图解法。该法认为:水库中下游地段,水面较广,波高增加,对库岸的破坏,波浪作用是主要的。

佐洛塔寥夫图解法考虑了水下堆积浅滩的影响,将下部起点设在堆积浅滩台坎前缘,并且假设以该点的深度在正常高水位以下浪高h处作为预测 10年期间的坍岸剖面,以该点深度位于保证率 5%枯水位以下 3 h(黏土类边岸)或 2 h(砂土边岸)深处作为确定最终坍岸剖面的起点。其作图方法与卡丘金方法基本相同,且还分别考虑了下游宽阔部位和上游狭窄部位两种情况。在实践中须查明有多少比例的冲蚀土可组成堆积浅滩,其实际运用较为复杂。

(5)平衡剖面法[7]～[12]。在水库风(波)浪和船行波的长期作用下,岸坡断面将逐渐调整至平衡位置,形成平衡断面。因此可以根据水库运行特征、形成波浪规模及其作用规律,结合岸坡岩土体工程地质特征,运用水力学、泥沙运动学等理论以及实际观察数据,建立基于经验的数学模型,预测平衡断面位置,从而获得水库塌岸范围。该方法要求较高,实用性较差。

(6)两段法[11]～[13]。王跃敏等人经过近 10年数十处水库塌岸的调查、研究,提出用“两段法”的塌岸预测设计。其原理为:预测塌岸线由水下稳定岸坡线和水上稳定岸坡线的连线组成时,水下稳定岸坡线由原河道多年最高洪水位及水下稳定坡角确定,水上稳定岸坡线由设计洪水位和毛细水上升高度及水上稳定坡角确定。

该法适用于我国南方山区的峡谷型水库,库面较窄,风浪作用较小,岸坡地层为松散物质堆积岸坡,并有较完整的水文气象资料等。但在使用“两段法”预测塌岸宽度的同时,还需与其他方法进行比较,全面验证其合理性,科学地取舍。

(7)岸坡结构法[14]。许强等人在近 3年对三峡库区数百段典型库岸的塌岸地质现场调查和预测分析的基础上,结合三峡库区和类比水库塌岸模式、塌岸参数以及实际塌岸范围的分析研究,提出了岸坡结构法。

岸坡结构法的主要原理就是根据岸坡上各种不同物质的水下堆积坡角、冲磨蚀角、水上稳定坡角和水库的设计低水位、设计高水位来进行预测,其理论类似图解法和类比法。该法适用于三峡库区这种山区河谷型、结构型水库的冲(磨)蚀型和坍(崩)塌型库岸,岸坡地层为黏性土、砂性土及岩石的全风化地层。

2.1.2 定量分析法

(1)卡丘金公式法[7]～[12]。E· F·卡丘金于 1949年提出岸坡最终塌岸预测计算公式,其实质是依据实测的洪枯水位变幅带各类岩性岸坡长期稳定坡角,根据几何关系用图解法求解岸坡最终塌岸预测宽度,其精度取决于计算参数的选定。

类似卡丘金法的计算公式很多,其本质是相同的,仅在考虑到计算参数时较多选自经验值,因此在实际预测时必须对类似水动力条件和类似岩土条件下的已有岸坡塌岸进行观测,以获得相应的较为可靠的计算参数。有时,参考水库蓄水前洪、枯水位变幅带岸坡形态数据,也具有较好的预测效果。此法适用于自然岸坡较陡,且由松软均质土体如黄土、砂土、砂质黏土以及黏土等组成的库岸的塌岸预测。目前,在水库塌岸预测中,多采用这种方法。

(2)动力法[7]-[10]。动力法是根据塌岸量与波能和岩石抗冲刷强度之间的关系建立预测公式:

式中:Q为库岸单宽内被冲刷的岩土体体积(m3/m);E为波浪作用于单宽库岸的动能(kN·m);KP为岩土体的抗冲刷系数(m3/t);t为水库运营年限;b为经验常数,取决于滨岸浅滩中堆积部分的宽度,变化于 0.45～0.95之间。该法依据物理原理,结合一定量的观测样本建立预测公式。在海洋工程科学领域,借助于室内试验模拟,以及某些海岸工程的实地观测,建立了相应的动力法预测方程,预测海岸线范围,供海岸工程加固设计使用。而在水库塌岸预测中应用较少。

(3)岩质库岸塌岸宽度预测的经验法[15]。维尼诺沃日洛夫曾经介绍过关于岩质库岸塌岸预测的经验方法,采用一定的经验计算公式来预测塌岸的宽度。这种塌岸预测经验法可用于软岩或者强风化岩质库岸的塌岸宽度预测。

(4)数值模拟法。数值模拟是在建立地质体工程地质模型及力学性态本构模型的基础上,采用数值分析方法,求解地质体(随时间的)变形(位移)、应力及破裂状态的变化过程,从而达到对地质体变形破坏,乃至运动进行全过程描述的目的。

魏玉虎运用快速拉格朗日分析法(FLAC)[16]、刘礼领(2003年)[17]运用离散单元法等对库岸进行了稳定性分析。其中,FLAC法采用离散元的动态松驰法,不需要求解大型联立方程组(刚度矩阵),另一方面,同以往的差分分析方法相比,它不但能处理变形问题(包括大变形),而且能模拟岩体沿某一软弱面产生的滑动变形。同时,FLAC还能针对不同材料特性,使用相应的本构方程来比较真实地反映实际材料的动力行为。数值模拟方法较准确地反映库岸受力变化,应用前景广阔。

(5)土力学法。对于滑移型岸坡的稳定性计算主要采用土力学方法,在进行稳定性计算之前,应根据岸坡水文地质、工程地质、岩体结构特征以及已经出现的变形破坏迹象,对岸坡的可能破坏形式和稳定性状态做出定量判断,确定破坏的边界范围、破坏的地质模型,对破坏趋势做出判断。

岸坡稳定性计算方法,根据岸坡类型和可能的破坏形式,可按下列原则确定:土质滑坡和较大规模的碎裂结构岩质岸坡宜采用圆弧滑动法计算;对可能产生平面滑动的岸坡宜采用平面滑动法进行计算;对可能产生折线滑动的岸坡宜采用折线滑动法进行计算。

2.1.3 其它方法

除了上述目前较常使用的方法外,如胡晓猛[4]、徐芳(2005年)[1]、李彦军(2006年)[20]、刘天翔 (2006年)等学者也在水动力学、可靠性分析等方面做出了有益探索。

2.2 传统预测方法存在的问题

目前,常用的塌岸预测方法主要有卡丘金法、佐洛塔廖夫法、土力学法等。这些方法多属于经验性或半经验性的[21],其原理多采用定性或半定量的模式,运用经验参数图解法确定塌岸范围,而没有反映出水流对库岸的动力作用。合理确定库水位变动作用下库岸水流作用动力场是库岸岸坡稳定性评价的关键[22]。水库岸坡稳定性受库水位变动的影响很大,水位变动对库岸斜坡稳定性的影响是通过改变库岸坡体内地下水动力条件而实现的,因而,研究库岸斜坡的水文地质概念模型是很必要的。目前在对水库斜坡的稳定性进行评价时主要存在以下几个方面的问题。

(1)塌岸预测方法需进一步完善。传统塌岸预测方法多采用经验法,即用岩土的稳定坡角图解塌岸范围,而这些方法没有反映出库岸塌岸发生的实时变化。由于库岸地质条件的复杂多变,加之库水位的不断变化,在以往直接应用以上各种塌岸预测方法进行水库塌岸预测时,造成其结果之间往往差别很大。

(2)对库区岸坡受河流冲刷下切、横向展宽的研究不够深入。塌岸是水流淘刷库岸、岸坡崩塌交替作用反复循环的一个过程。导致塌岸的原因主要有两方面因素:岸坡土质方面和河流动力方面。目前,工程上主要考虑土质因素,对河流动力因素考虑较少,缺乏在考虑河流动力条件下,分析库岸稳定性的方法与研究。因此,进一步加强对塌岸机理的研究,探索其形成原因和规律,对防洪减灾和江河治理具有重大的现实意义。

2.3 新塌岸预测方法

针对以上的讨论可知,传统的塌岸预测方法多为经验性的或仅考虑土力学原理,而未考虑河流对库岸的冲刷下切和横向变形作用的影响。近年来,一种建立在力学机理分析基础上的水动力学、土力学方法正逐渐发展起来。这种方法主要采用水动力学原理计算河床冲淤变形,然后用土力学原理分析库岸的稳定性,并计算库岸的崩塌量,适用于非黏性土岸坡和黏性土岸坡。

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