基于多种库岸再造预测方法的分析及应用

马利伟，李涌泉

（四川省林业和草原调查规划院，四川 成都 610081）

1 引言

库区蓄水后，水位上升、水深加大、水面加宽。水位上升，库区水直接作用于岸壁 ，影响库岸边坡的稳定性。水深加大、水面加宽，在同样风速条件下，波浪对库岸的冲击淘蚀等破坏作用加强。在库区水位下降时，尤其是库水位的突然大幅消落时，库岸坡土体内产生很大的渗透压力，使土体产生渗透破坏，加速库岸坡体破坏。并且库区塌岸往往突发性强，时间短，对库区沿岸建筑物危害大。因此，在复建库区公路工程前，对库区蓄水后库岸边坡的稳定性及影响范围的评价预测十分必要［1］。

本文以溪古水电站库区复建公路工程K245+380～K246+100段为实例，分析计算蓄水后库岸边坡的稳定性，预测塌岸范围。

2 工程概况

溪古水电站正常蓄水位高程为2857m，死水位高程为2805m，水位变幅52m，总库容9776.6万m3，调节库容6996万m3。该库区公路复建工程起于九龙县城外S215线K242+907.16处，在K254+412.62接上S215线,路线全长10.22km。全线按照三级公路技术标准进行复建，设计速度30km/h，路基宽度7.5m，沥青混凝土路面，桥梁宽度9.0m，涵洞与路基同宽，桥涵设计荷载为公路-Ⅰ级，设计洪水频率1/100，隧道建筑界限为8.5m×4.5m，地震烈度为Ⅶ度。

K245+380～K246+100段边坡陡，距离蓄水位线较近，且主要为第四系下中更新统碎石土（Q1-2fgl）覆盖层，覆盖层厚度较大，有粘性土，碎石主要成分为板岩、砂岩，其余为砂质、泥质、粉土充填。该类岩土体在水作用下，物理力学特性变化显著，严重影响库岸边坡的稳定性。因此，预测分析蓄水后库岸边坡的预测塌岸范围，直接关系到复建公路工程的设计修建，对工程的设计建设都具有很强的指导意义。

3 场地的地质概况

3.1 地形地貌

工程区地处横断山北段，属青藏高原与四川盆地的过渡带，地势西北高、东南低，沿河两岸山峦重叠，山势巍峨，一般山脉海拔4000～5000m，东北面贡嘎山主峰高达7556m，拔河高1000～3000m。库区两岸山体雄厚，分水岭高程多在4600～4800m之间，拔河高1800～2000m，属高山峡谷地貌。

3.2 地层岩性

场地地层岩性概况如下。

（1）砾质粉质粘土：灰白色，稍密-中密，稍湿。该层主要分布于坡体表层，一般厚度为0.6～1.5m。

（2）碎石土：青灰色，碎石主要成分为板岩、砂岩，碎石呈棱角状～次棱角状，块碎石含量25%～60%，粒径2～9cm，其余为砂质、泥质、粉土充填，稍湿，稍密～中密，厚度1.5～60.0m。

（3）基岩：基岩出露，三叠系的变质砂岩、板岩，黄灰色，强风化～中风化，强风化带厚度0.5～1.5m。

3.3 地震

根据四川省地震局工程地震研究院提供的《四川省九龙县沙坪电站、一道桥电站、偏桥电站、五一桥电站、溪古电站、踏卡电站和斜卡电站工程场地地震安全性评价报告》，工程区场地地面50年超越概率10%的水平峰值加速度123cm/s2，基岩50年超越概率10%水平峰值加速度97cm/s2，地震动反应谱特征周期为0.45s，相应的地震基本烈度为Ⅶ度。

4 库岸再造预测

4.1 库岸再造预测方法

库岸再造预测中准确的塌岸不是一次可以完成的，是一个长期的过程，必须对水库运行期间的塌岸剖面进行跟踪式水准测量，用以检验、修正和再预测先期的长期预测结果［2］。

目前，预测方法主要分为计算法和图解法两类：计算法以Е·Г·卡丘金法及北京理正软件边坡稳定性评价方法最为普遍；图解法以Г·С·佐洛塔寥夫法及王跃敏等提出的两段法最为普遍［3，7］。本文以溪古水电站库区复建公路工程K245+380～K246+100段为实例，分别采用计算法Е·Г·卡丘金法及图解法Г·С·佐洛塔寥夫法对其库岸再造影响进行分析比较。

4.2 Е·Г·卡丘金法预测

Е·Г·卡丘金法预测塌岸最终宽度公式计算时，碎石土颗粒粗，坡脚处易形成堆积，修正系数N取值要进行调整；水位变幅采用对塌岸实际产生影响的变幅；坡脚处为平缓台地时，考虑到为堆积区，不会产生波浪冲刷，故波浪冲刷深度hp取值为0［4］。

复建公路沿线位于斜卡水电站库区地段，受库区水位影响较大，特别是地表为松散土体地段，塌岸变形直接影响路基边坡的稳定［5，8］。根据现场调查情况针对不同土质情况选有代表性地段作断面，按公式 ：St=N［A+hp+hB］Ctgα+（H-hB）Ctgβ-（A+hp）Ctgγ

进行计算，其中水库蓄水和消落水位为2857～2805m，变幅为52m计。

式中：St为塌岸最终宽度（m）； A为库水位变化幅度（m），取52m；N为与岸坡物质组成有关的经验系数；hp为波浪冲刷深度（m）；hB为浪击高度或浪爬高度（m）；H为正常蓄水位以上岸坡高度（m）； α为浅滩冲刷后水下稳定坡角（度）；β为岸坡水上稳定坡角（度）； γ为原始岸坡坡角（度）。

详见图1 覆盖层塌岸预测宽度计算示意图。

利用Е·Г·卡丘金法预测塌岸最终宽度公式计算。该路段距离蓄水位线水平距离2～70m，垂直距离5～25m，以K245+680典型断面计算，参数选取与其地质条件最为接近的的K245+380～起点填方段的希望小学工程工程点的勘察实验数据及现场实际经验综合取值计算。综合取值表如表1所示。

图1 覆盖层塌岸预测宽度计算示意图

表1 稳定坡脚取值表

现利用Е·Г·卡丘金法预测塌岸最终宽度公式计算，计算结果如表2所示。

表2 K245+380～ K246+100左库岸段边坡塌岸计算成果表

经上述计算可得，剖面1-1最终塌岸宽度52.7m，剖面2-2最终塌岸宽度60.49m，剖面3-3最终塌岸宽度68.28m。塌岸最大最终宽度为68.28m，而该区蓄水位线距离设计线路的水平距离为2～70m。塌岸问题对设计线路有很大影响。

4.3 Г·С·佐洛塔寥夫法预测

Г·С·佐洛塔寥夫法具体的预测步骤如下。

（1）绘制出预测地点的地形地质剖面。

（2） 标出水库正常高水位线与水库最低水位线。

（3）由正常高水位向上标出波浪爬高线，爬升高度 可取一个波高。

（4）由最低水位向下，标出波浪影响深度线。影响深度 取（1/3～1/4）波长，粘性土应大一些，砂土小些。

（5）在波浪影响深度线上选取a点，该点位于堆积浅滩带与浅滩外缘陡坡带之转折点处，该点的选取应使堆积系数 之值与图中所列数值相符。

（6）由a点向下，根据浅滩堆积物的岩性绘出外缘陡坡，使之与原斜坡线相交；其稳定坡度 ；粉细砂土和粘性土为＜8°～12°，卵石层和粗砂土为＜18°～20°。由 点向上绘出堆积浅滩的坡面线，与原斜坡线相交于b点：其稳定坡度 ：细粒砂土为l°～1.5°，粗砂小砾石为3°～5°。

（7）由b点作冲蚀浅滩的坡面线，与正常高水位线相交c点：其稳定坡度 视b、c间岸坡岩性而定。

（8）由c点作波浪爬升带的坡面线，与波浪爬升高度水位线相交于d点，其稳定坡度 按图2.8-3法采取。

（9） 绘制水上岸坡坡面线de； 据自然坡角确定。

（10）检验堆积系数与经验数据是否相符，如不符则向左或向右移动a点并按上述重新作图，直至适合为止［6］。

Г·С·佐洛塔寥夫法预测塌岸范围图解示意图如图2所示。

图2 Г·С·佐洛塔寥夫法预测塌岸范围示意图解

利用Г·С·佐洛塔寥夫法，通过工程地质类比及结合野外调查资料分析。该段因死水位线低于河道沟底高程，因此暂不考虑浅滩台坎及堆积部分的影响。依此按照Г·С·佐洛塔寥夫法预测塌岸线可得如图3、图4、图5所示。

图3 Г·С·佐洛塔寥夫法剖面1-1预测塌岸线

图4 Г·С·佐洛塔寥夫法剖面2-2预测塌岸线

图5 Г·С·佐洛塔寥夫法剖面3-3预测塌岸线

如上图所示，通过Г·С·佐洛塔寥夫法预测的蓄水后，剖面1-1最终塌岸宽度（正常蓄水位线以上）63.28m，剖面2-2最终塌岸宽度78.80m，剖面3-3最终塌岸宽度82.02m。塌岸最大最终宽度为82.02m，而该区蓄水位线距离设计线路的水平距离为2～70m。塌岸问题对设计线路有很大影响。

4.4 两种方法的比较分析

计算法Е·Г·卡丘金法及图解法Г·С·佐洛塔寥夫法预测结果如表3所示。

表3 两种方法预测结果分析表

依据上述两种方法预测结果表分析：两种预测方法对设计线路是否受影响的评价结果是一致的，塌岸问题对设计线路有很大影响；计算法Е·Г·卡丘金法比图解法Г·С·佐洛塔寥夫法的预测结果偏于保守乐观。

5 结语

本文以溪古水电站库区复建公路工程K245+380～K246+100段为实例，通过现有普遍的预测方法分析，分别采用计算法Е·Г·卡丘金法及图解法Г·С·佐洛塔寥夫法对其1-1、2-2、3-3等三个断面的库岸再造影响进行分析比较。主要获得以下几方面认识：

（1）Е·Г·卡丘金法及Г·С·佐洛塔寥夫法两种预测方法对设计线路是否受影响的评价结果是一致的，塌岸问题对设计线路有很大影响。

（2）该地区计算法Е·Г·卡丘金法比图解法Г·С·佐洛塔寥夫法的预测结果偏于保守乐观。