河道内水位变化对水磨沟水库岸坡稳定性的影响分析

雷鸣

河道内水位变化对水磨沟水库岸坡稳定性的影响分析

雷鸣

（新疆阜康市水利局，新疆阜康831500）

结合新疆阜康市水磨沟水库地质条件，通过构建有效的岸坡稳定性分析模型，并以实测岸坡稳定安全系数FS为基础，计算分析了河道内水位变化对岸坡稳定性的调整特点，这对预测崩岸险情以及指导水库岸坡除险加固工程设计具有重要意义。

河道水位变化；水库；岸坡崩塌；河岸稳定性

1 工程概况

水磨沟水库位于天山山脉北缘的冲洪积平原区内，库区及库区外围地形平坦开阔，地势南高北低，地面坡度较大，约1%。水磨河位于库区东侧，其发源地在天山山脉东段北麓阿布加哈斯木达拉山，海拔高程4238 m，河道全长52.1 km，河道平均纵坡为23.8‰，河流自南向北流经阜康市城关乡，消失于准噶尔盆地。水磨河属于典型的季节性河流。在汛期主流摆动较为频繁，且部分河段的河势常出现变化，使得河道岸坡有时出现崩岸情况。水磨沟水库建成后，由于水磨河上游河段来沙量的迅速减少，造成较为严重的河床冲刷现象；同时，上游河岸高度逐年增加，河道岸坡陡峭程度升高，岸坡稳定性下降，崩岸现象发生率明显增加[1]。

图1 崩塌形态示意图

2 岸坡稳定性计算

河岸岸坡的稳定性受到多方面因素的影响，包括土体物理力学性质、岸坡地质构造、渗流情况等。河道内水位的变化会通过渗流作用对岸坡土体性质产生作用，进而岸坡稳定性造成影响。因此，岸坡稳定性计算模型需要考虑前水位的变化，同时结合一维非稳定渗流计算，构建计算模型，研究不同水位时期的岸坡稳定性特点[2-3]。岸坡稳定性分析在原有Darby、Thorne计算模型基础上，考虑基质吸力对岸坡稳定性造成的影响[4]。岸坡崩塌后的形态如图所示，假设岸坡已经发生过平面滑动，且出现过崩塌，后期崩塌的滑动面通过坡脚。

岸坡稳定性安全系数Fs，其值小于1时岸坡将发生崩塌[5-6]，表达式为：其中：FR为潜在滑动面抗滑力，表达式为FD=Gsinβ+PVcosβ-Psinα，kN/m；FD为岸坡崩塌滑动力，FR=c′L+Stanφb+N-（）U tanφ′，kN/m；φ′为内摩擦角，°；C′为内聚力，kN/m2；β为坡角，°；α为侧向水压力P与滑动面内法线夹角，°；φ′为有效内摩擦角，°；L为滑动面长度，m。PV和PU分别为孔隙水压力在拉伸裂缝面上、滑动面上分力，kN/m。

（1）重力：

其中：γ、γsat为土体天然容重、饱和容重，kN/m3；Hg为基准面地下水深，以坡脚水平面作为基础参考，m；He为坡脚冲刷高度，m。

（2）孔隙水压力：

其中：γw为水的容重，kN/m3；hw、h′为地下水头和地面水头，m。

（3）基质吸力：

其中：ua为孔隙气压，/m2，本文取0；总基质吸力通过潜水面上滑动面积积分得到，S；Lup为潜水面上滑动面长度，m。

[61] 杨志荣：《中美南海战略博弈的焦点、根源及发展趋势》，《亚太安全与海洋研究》2017年第4期，第19页。

（4）侧向水压力：

其中：P为水压力，kN/m；Px、Py为河道水压力在x和y方向的分量，kN/m。

3 水磨沟水库典型岸坡稳定性分析

3.1 典型安全稳定计算参数确定

计算所用相关参数主要包括岸坡形态参数与岸坡土体力学参数，其中前者需由现场实测获得，后者需参考土工实验资料。本次研究以水磨沟断面右侧岸坡与公2断面左侧岸坡为对象进行安全稳定性分析。其中断面右侧岸坡位于水库上游2 km处，断面形态为W型，河槽宽度km，如下图2（a）所示，断面右侧岸坡相对更高，深槽高程落差达22.5 m；公断面地处水库下游3 km，断面形态为V型，河槽宽度1.3 km，如下图2（b）所示，断面深槽临近左岸，深槽高程落差达25.9 m。

现选择2011年34断面实测地形为对象，对岸坡形态参数的确定进行分析。首先对河岸边坡顶底高程进行确定。其中坡顶多以黏土层顶面为准；坡脚参照枯水位最低点与近岸河槽形态进行确定。如上图2（a）所示，将河槽枯水位下近岸面积A同水面宽度B的比值充当枯水期水深均值H，然后再将枯水位降低H后所得平面与河岸的交点作为岸坡坡脚高程。

3.2 2011年水文实测岸坡稳定性分析

2011年水磨沟水库进行蓄水作业后，上下游河道内水文变化出现明显改变，以往河道退水期多为10月，蓄水后提前至9月。下图3所示为34断面与公2断面2011年涨水及退水期水位变化统计图，公2断面处水文自2011年月起开始逐渐增加，5月中下旬开始进入洪峰期，水位最高达36 m，随后自月上旬开始，水文开始由34.5 m迅速回落，截止到10月中旬已降低至27.8 m，到12月中旬退水期结束，剩余水位为26.1 m。

上图3所示为34断面及公2断面岸坡潜水位与安全系数变化过程，其可按照不同时期分述为：

图2 34断面与公断面形态示意图

图3 水库河道水文、潜水位及安全系数变化分析统计图

（1）涨水期内，随着水文上涨，岸坡侧向水压不断增加，岸坡土体内潜水位逐渐增加，但整体仍相对较低，岸坡土体内孔隙水压力仍相对较小，基质具备良好吸力，岸坡稳定性较高，难以发生崩岸事故。实测所得两岸坡安全系数分别为1.25和3.68。

（2）洪峰期内，河道水文涨落变化显著，岸坡侧向水压波动明显，土体内潜水位进一步升高，使得土体内孔隙压力增大，基质吸力降低。整体分析而言，该时期岸坡稳定性有所下降，实测所得两岸坡安全系数分别降低为1.06和2.7，同时岸坡稳定安全系数还存在时升时降的特征，当河道水文发生迅速降低时，也随之减小。其中34断面岸坡稳定安全系数仅仅略大于1，可视其已发生岸崩。

（3）退水期内，岸坡土体内潜水位逐渐降低，但下降速度小于河道水位，导致孔隙水压力偏大，基质吸力不足，同时随着河道侧向水压的消失，岸坡稳定性进一步下降。实测所得两岸坡安全系数分别降低为0.88和1.62，而最小岸坡稳定安全系数Fsmin为0.83与1.39，因此该时期34断面岸坡已发生崩塌，公2断面岸坡仍保持相对完整。

综上所述，假设岸坡形态不发生改变，则水磨沟水库河岸边坡稳定安全系数在退水期最低，最易出现崩塌事故；在洪峰期内，若出现短时间内的水文快速下降，也存在发生崩岸的可能。34断面岸坡洪水期水位发生迅速降低时，降低至解决1，退水期进一步降低至小于1的0.88，表明存在岸崩现象；公2断面岸坡在洪峰期与退水期随均有所下降，但值始终高于安全临界值，表明其未曾发生崩岸现象。而根据对水磨沟水库以往汛期水文数据的调查显示，34断面岸坡在2011水文年内曾发生20 m的崩退现象，公2断面岸坡未曾发生崩岸现象，表明本文计算结果贴合实际状况。

4 水文升降速率对岸坡稳定性的影响

选取34断面右侧岸坡为对象，设定河道水文可大体划分为涨水、恒定与退水三个时期：水位最高与最低值分别为36m与24 m。鉴于河道内涨水与退水速率对岸坡稳定性的影响程度存在差异，因此分为两种情况进行讨论。

下图4（a）与图4（b）分别为34断面涨水与退水速率不同时的变化统计图。由图片分析可知：岸坡稳定安全系数最大值出现于张水器，且早于最高水位，这同土体内潜水位与河道内水位差值达到最大值相关。随着河道涨水速率（Vu）的增加，增大，而当河道退水速率（Vd）增加时，下降。如下图4（a），Vd不变而Vu分别为0.2 m/d、0.4 m/d和0.6 m/d时，Fsmax分别为1.91、2.05和2.08，而Fsmin分别为0.86、0.95和0.98，表明Fsmax与Fsmin均会随着涨水速率Vu的增加而增加；由下图4（b），Vu不变而Vd分别为0.2 m/d、0.4 m/d和0.6 m/d时，Fsmin分别为1.15、0.95和0.83，表现为Fsmin会随着退水速率Vd的增加而降低。

通过上述计算分析可知：水位无论是增加还是降低，其速率过快均十分不利于岸坡的稳定性，但鉴于退水期内河岸稳定性最低，因此退水过程中崩岸现象的发生几率更高。根据历年资料统计：自水磨沟水库全面蓄水以来，水库上下游岸坡发生岸崩的频率上升为蓄水前的3倍左右，可以说水文退水速率的增加，成为诱发退水期河岸崩退的重要因素之一。

5 结束语

图4 不同河道水位下断面岸坡稳定安全系数变化统计

（1）如仅考虑河道内水位变化因素，河道岸坡稳定性在不同河道水位条件下表现出明显的差异性，其岸坡稳定性表现为涨水期洪峰期退水期。稳定性越差，岸坡发生崩岸的几率也就越大。

（2）以2011年实测水位数据作为基础，计算得到在退水期断面的右岸岸坡稳定性系数在安全值以下，表明右岸已经出现崩岸；而公断面左岸稳定性系数均在安全值以上，岸坡较为稳定。计算结果与实际情况相同，表明结果准确性较高。当关键参数出现一定的变动时，结论仍然成立。

（3）水位变化速率对岸坡稳定性存在一定的影响，减小涨水速率与增加退水速率均将降低岸坡稳定性。因此，在一定程度上，水磨沟水库岸坡稳定性下降是由水库退水速率过快造成的。

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1673-9000（2017）02-0044-03

2016-12-08

雷鸣（1969-)，男，新疆阜康人，工程师，主要从事地下水灌溉工作。