淺談庫岸倒塌的危害

隨著我國經濟的快速發展和西部大發展戰略的全面實施，許多水庫已經處于論證、設計或建設階段，大量港口和碼頭正在建設中。其中大部分位于西南和中部的山區，由于其豐富的水和電資源，庫庫重建和倒塌的預測尤為重要。水庫蓄水及運行過程中,庫岸所處的地質環境將發生顯著改變,自然平衡條件遭到破壞,從而引起岸坡變形失穩,庫岸線也逐漸后退,直至達到新的平衡狀態為止,這一過程稱為庫岸再造。庫岸再造是一個十分復雜的動力地質過程,受岸坡物質組成、結構特征、形態及水流等多因素控制,塌岸過程復雜,尚無法精確地通過數學計算式來表達。目前,庫岸塌岸預測方法有以佐洛塔廖夫為代表的條件類比圖解法、以康德拉捷夫為代表的數學分析法、平衡剖面法、動力法、徐瑞春的塌岸預測圖解的若干修正、超前信息法等。常用的方法以圖解法為主,包括卡丘金法、佐洛塔廖夫法、兩段法、岸坡結構法4種。范云沖等在系統分析庫岸再造相關因素的基礎上,簡要地介紹了水庫塌岸寬度預測的不同方法,并對這些方法進行了評價。馬淑芝等在劃分地質結構單元的基礎上,用穩態坡形類比法對巫山新城庫岸再造進行預測。王躍敏等通過外福鐵路線水口水庫庫岸的塌岸觀測研究,提出適合我國南方山區峽谷型水庫塌岸的兩段預測法。李彥軍從巖土統計參數分析入手,引入蒙特卡羅法在庫岸預測參數方面的應用,使巖土體參數的獲取簡便和可操作性,具有一定的實用價值。劉天翔、湯明高、許強等對三峽庫區庫岸劃分了不同塌岸類型,可用岸坡結構法對沖(磨)蝕型和坍(崩)塌型塌岸進行預測,用極限平衡搜索預測法和Flac3D數值模擬預測法對滑移型的塌岸進行預測。由于我國的地質地貌的關系及國家經濟發展的需要,大多數水庫修建在西南、中部山區,選擇合適的預測方法迫在眉睫,筆者從探討山區水庫塌岸過程、影響因素兩方面出發,對各種水庫塌岸預測方法進行比較,分析各方法的適用性。1影響山區水庫坍塌過程和影響因素1.1平衡剖面的形成階段水庫蓄水后,庫岸巖土體在地表水及地下水的浸泡和波浪的磨蝕作用下,發生軟化、崩解等現象,庫岸巖土體開始坍塌,使岸線逐漸向邊岸方向后移,促使磨蝕淺灘不斷的增長,波浪的回流則把破壞的物質搬運、分選并堆積下來,促使堆積淺灘不斷的向水庫方向增長。水位變幅帶的岸坡再造是一個磨蝕、搬運、堆積綜合作用的過程(圖1)。由于堆積淺灘的形成使近岸的坡角變緩,增加了波浪的破碎距離,磨蝕作用也相應的減弱。同時由于堆積淺灘的形成,使庫岸再造的起點向水庫方向移動,造成水庫再造線向庫內的平移,從而也減小了庫岸的再造量。對于典型的高山峽谷河流,其岸坡陡峻,在水位變幅帶內很難形成堆積部分,其淺灘部分全部由磨蝕淺灘組成。在此種情況下岸坡的磨蝕作用較形成堆積灘時要劇烈,更有利于岸坡的破壞。經過上述過程的重復作用,當岸坡的坡度和其相應的長度達到某一特定值時,在現有水文、水動力條件不變的前提下,岸坡的磨蝕作用力與其抵抗作用的能力相平衡時,岸坡的再造進入相對穩定狀態,水庫塌岸也就進入平衡剖面的形成階段。平衡剖面中這種跟一定的地層巖性條件與水文條件相適應的淺灘極限坡角稱為最終淺灘坡角。平衡剖面的結構由3部分形成:(1)水上岸坡;(2)淺灘;(3)淺灘前緣斜坡。1.2地下水流變學因素對于山區水庫而言,起主導作用的是現代地質作用,岸坡的破壞主要體現在巖土體在庫水作用下物理力學性質的變化,靜止庫水位時的浮托力,水位升降時的滲流力及地下水的潛蝕、溶蝕作用等因素[17,18,19,20,21,22]對岸坡穩定性的影響。導致水庫塌岸的因素可歸為內因和外因[21,22,23,24,25,26,27,28,29]。地形地貌、地層巖性及地質構造條件、風化程度等是促使庫岸再造的內因;庫水位升降、水文地質條件、波浪作用、水位變動作用、地震力作用、降雨、人類活動等是影響庫岸再造的外因。內因是庫岸再造的根本原因,外因是庫岸再造的重要影響因素,庫岸再造過程是各種內因和外因共同作用的結果。2水庫塌岸預測的研究水庫塌岸預測理論最早來源于前蘇聯。1935年,前蘇聯學者薩瓦連斯基首次提出了水庫塌岸問題,認為水庫塌岸是由于河道壅水后,水位抬高,吃水線與岸坡相接觸,岸壁的天然平衡條件遭到破壞而引起的。同時指出波浪是造成水庫塌岸的主要因素之一。薩瓦連斯基開啟了水庫塌岸預測研究的先河,從而帶動了一大批學者進行這方面的研究,也因此而產生了一系列對現今塌岸預測研究仍具有深遠意義的成果。1937年,什利亞莫夫開始研究水庫塌岸問題,他認為水庫塌岸的特征決定于3組因素:(1)水文因素;(2)地質地貌因素;(3)其他因素。在20世紀40~50年代,前蘇聯薩瓦連斯基、卡丘金、佐洛塔寥夫等研究了蘇聯的水庫塌岸問題,提出的塌岸范圍預測的基本計算方法和圖解法。近年來,有關水庫塌岸預測方法的研究仍在進行。現階段,預測水庫塌岸或水庫邊岸再造范圍和規模的方法可分為如下幾種。2.1庫岸塌岸預測利用現階段不同巖土體水下穩定坡角、水位變幅帶坡角和水上穩定坡角,與將來水庫蓄水后不同庫水條件下的庫岸岸坡類比,通過各土層不同的穩定坡角繪制庫岸剖面線來預測庫岸塌岸距離;根據水庫現今的庫岸岸坡剖面,通過一定的參數來計算并繪制待預測庫岸的塌岸剖面從而進行塌岸預測。目前,主要的圖解預測方法包括工程地質類比法、卡丘金法和卓洛塔寥夫法3種。2.1.1不同庫水條件下巖土層穩定性坡角由于現階段天然河道的平均枯水位、江水漲幅帶、平均洪水位分別與水庫運行期低水位、調節水位(即水位變動帶)、最高設計水位存在可類比性,因此可以通過地質調查,并統計現天然河道的平均枯水位以下、江水漲幅帶以及平均洪水位以上三帶內不同巖土體的穩態坡角。以此作為該巖土層在不同庫水位條件下的穩定坡角,進而類比圖解水庫蓄水運行時的庫岸再造范圍。根據實測岸坡剖面,自現江河枯水位起,首尾相連依次繪出在不同庫水位條件下相應巖土層的穩定坡角,并以各段穩定坡角連線代表最終庫岸再造邊界線,進而量取庫岸再造的最終寬度與高程。圖解中根據地質測繪與勘探資料,現場調查統計不同巖土體在天然河道的平均枯水位以下、江水漲幅帶以及平均洪水位以上三帶內巖土體的穩定坡角。采用調查統計的數據,按公式(1)計算各類巖土層在不同庫水條件下的穩定坡角。式中:α為一個統計范圍內該巖土層的穩定坡角;αi為單個統計點該巖土層的坡角;Li為單個統計順坡向之間的平面距離。因枯水位以下巖土層穩態坡角通常無法量取,可將江水漲幅帶穩態坡角按0.8的系數折減而得。然后根據各巖土層自然岸坡坡度統計值與前述類比原則,得出各巖土層在不同庫水位狀態下的穩定坡角建議值,最后采用圖解法求得塌岸范圍。類比圖解法是一種普遍適用的方法,可直接用于均質土質岸坡,但不能用于預測岸坡結構復雜的庫岸岸坡。2.1.2b浪高、潮涌水岸坡坡度及確定E.r.卡丘金在前人研究的資料的基礎上,根據多年的實測資料于1949年提出岸坡最終塌岸預測計算公式:式中:S為最終塌岸寬度,m;N為堆積系數(與土石顆粒成分有關的系數,土石顆粒愈粗,就愈加易于形成水下堆積岸坡,所以按卡丘金提供的經驗數據,砂土的N值為0.5,亞黏土的為0.6,黏土的為1.0;當原始岸坡較陡,庫水水深較大時,難于形成水下堆積階地,此時N實際應等于1);A為水位變化幅度,設計高水位與設計低水位差值,m;hp為波浪影響深度,m(設計低水位以下波浪影響深度一般取1~2倍浪高:如果浪高取0.5m時,浪高影響深度取1m);hσ為正常高水位以上岸坡的高度,m;α為最終磨蝕淺灘坡角;β為水上岸坡的穩定坡角;γ為原始岸坡坡角;hb為波浪爬升高度,設計高水位以上浪爬高度可按式(3)計算:式中:k為被沖蝕的岸坡表面糙度系數,一般砂質岸坡k取0.55~0.75,礫石質岸坡k=0.85~0.9,混凝土k=1,拋石k=0.775;坡度α可參照河谷邊岸平水位處河濱淺灘坡角值,當己知作用于該岸坡地帶波浪波高和組成岸坡土石顆粒成分時,也可根據各種顆粒成分沉積物的水下岸坡坡度與浪高的關系圖解確定;h為波浪波高,根據各庫區實際情況取值?？ㄇ鸾鸱ǖ膶嵸|是依據實測的洪枯水位變幅帶各類巖性岸坡長期穩定坡角,根據幾何關系用圖解法求解岸坡最終塌岸預測寬度,其精度取決于計算參數的選定。考慮到計算參數大多選自經驗值,因此,在實際預測時必須對類似水動力條件和類似巖土體條件下的已有岸坡塌岸進行觀測,以獲得相應的較為可靠的計算參數。有時參考水庫蓄水前的洪、枯水位變幅帶岸坡形態數據來計算,也具有較好的預測效果。該方法適用于小型水庫以及由松散沉積層——黃土、砂、砂質黏土與黏土所覆蓋的具有不高的岸坡地帶及平原地區水庫的塌岸預測;在山區河道型水庫的塌岸預測中,適用于水庫的中游和上游地帶,而預測水庫下游的結果往往與實際相差甚遠,實際塌岸寬度要比預測的小得多,卡丘金法的預測結果偏于安全。2.1.3水庫內最終岸坡的圖解法確定此法為前蘇聯學者佐洛塔寥夫于1955年提出,通過圖解法進行岸坡最終塌岸寬度預測。其原理為:對于水庫庫岸再造,波浪作用是主要的,庫岸再造后的岸坡可分為淺灘外緣陡坡、堆積淺灘、沖蝕淺灘、爬升帶斜坡以及水上岸坡帶五段,通過作圖得到上述5段岸坡,即為庫岸再造的最終岸坡。對于松散堆積岸坡(殘坡積、崩坡積、滑坡堆積以及人工棄渣岸坡),大型水庫的中、下游地段,一般采用佐洛塔寥夫提出的圖解法。該法認為:水庫中下游地段,水深較大,水面較廣,波高增加,對庫岸的破壞,波浪作用是主要的。佐洛塔寥夫圖解法考慮了水下堆積淺灘的影響,將下部起點設在堆積淺灘臺坎前緣,并且假設以該點的深度在正常高水位以下浪高h處作為預測10a期間的坍岸剖面,以該點深度位于保證率5%枯水位以下3h(黏土類邊岸)或2h(砂土邊岸)深處作為確定最終坍岸剖面的起點。其作圖方法與卡丘金方法相同,并且還分別考慮了下游寬闊部位和上游狹窄部位兩種情況,這種方法在實際運用中必須查明有多少比例的沖蝕土可組成堆積淺灘,因而實際運用較為復雜。2.2非滑動斜坡式人工—以康德拉捷夫為代表的數學分析法康德拉捷夫在1953年提出了一種塌岸寬度的計算分析方法,與卡丘金和卓洛塔廖夫的方法不同的是他認為淺灘表面的外形輪廓線不是直線和折線型,而是拋物線型。這種方法一般適用于巖性條件單一,由砂土和粉砂土等非黏性上組成的非滑動斜坡,并都不考慮泥沙縱向移動的情況。他建議用下面的公式計算任一時間的塌岸寬度:式中:l為水庫蓄水任一年的塌岸寬度,m;Wt為水庫蓄水任一年的塌岸體積,m3;L為水庫蓄水最終的塌岸寬度,m;W0為水庫蓄水最終的塌岸體積,m3;V0為水庫蓄水第1a的塌岸速度,m/a;t為計算年限,a;Wl為水庫蓄水第t年的塌岸體積,m3。該塌岸公式用來預測塌岸寬度,其難點在于各參數的確定。2.3考慮復雜工程地質模型的數值結果在水庫風(波)浪和船行波的長期作用下,岸坡斷面將逐漸調整至平衡位置,形成平衡斷面。因此可以根據水庫運行性質、波浪作用規律,以及岸坡巖土體工程地質特征,運用水力學、泥沙運動學等理論以及實際觀察數據,可以建立基于經驗的數學模型,用于預測此平衡斷面,從而獲得水庫塌岸的空間規模。平衡剖面法需要根據觀測和試驗數據,總結分析出各種水位變幅帶之間、波浪作用帶之間的穩定岸坡坡角與波浪要素間的關系曲線,以供繪制平衡斷面。該方法要求太高,實用性差。2.4氧比和kp/t動力法的預測依據是塌岸量與波能和巖石抗沖刷強度之間的“關系方程”:式中:Q為庫岸在單位寬度內被沖刷的巖土體的體積,m3/m;E為波浪作用于單位寬度庫岸的動能,kg·m;Kp為巖土體的抗沖刷系數,m3/t;t為水庫運營年限,a;b為經驗常數,取決于濱岸淺灘中堆積部分寬度,變幅為0.45~0.95。該法有一定物理依據,但“關系方程”的建立同時也需要一定量的觀測樣本。在海洋工程科學領域該方法已得到一定程度的應用,在水庫較少使用。2.5紅層塌岸預測基本原理由紅層構成的岸坡比由堅硬巖體構成的岸坡穩定性差,但又遠較由松軟土體構成的岸坡穩定性好。所以,預測紅層岸坡垮塌的方法不能照搬固結巖體或者松散土體岸坡垮塌的預測方法。徐瑞春在多年對四川盆地紅層河谷邊坡研究的基礎上,對紅層塌岸預測方法進行了一些有益的探索,提出了紅層塌岸預測圖解方法的若干修正。該法屬于經驗圖解法,其有效性有待進一步驗證。2.6水上穩定岸坡線該方法有王躍敏等提出。其原理為:預測塌岸線由水下穩定岸坡線和水上穩定岸坡線的連線組成時,水下穩定岸坡線由原河道多年最高洪水位及水下穩定坡角確定,水上穩定岸坡線由設計洪水位和毛細水上升高度及水上穩定坡角確定。該法適用于我國南方山區的峽谷型水庫,庫面較窄,風浪作用較小,岸坡地層為黏性土、砂性土、碎石類土、棄碴及巖石的全風化地層,有較完整的水文氣象資料等?！皟啥畏ā币彩且环N類比法,只是在確定水上穩定坡度角和水下穩定坡度角所選用的參數不同。在使用“兩段法”預測坍岸寬度的同時,還需用卡丘金法進行比較,全面驗證其合理性,科學地取舍。也就說其適用性還有待于進行大量的應用驗證。2.7坡結構法和庫岸結構法許強等通過三峽庫區數百段庫岸的塌岸地質現場調查和預測分析的基礎上,提出了岸坡結構法,并給出了詳細的圖解方法和預測步驟。岸坡結構法的主要原理就是根據岸坡上各種不同物質的水下堆積坡角、沖磨蝕角(水位變動帶內坡角)、水上穩定坡角和水庫的設計低水位、設計高水位來進行預測,也是一種圖解法和類比法。庫岸結構法采用3個坡度,主要是針對水庫調度,并沒有考慮波浪因素。該法綜合考慮了水庫的各水位之間存在的聯合作用,適合于三峽水庫這種山區水庫,水位變化主要源于水庫的調度。適用于沖磨蝕型和坍塌型塌岸。2.8邊坡預測的研究除了上述目前較常使用的幾種塌岸預測方法外,日本京都大學的NagataN等(2000)還開展了運用數值模擬方法進行了塌岸速率、塌岸范圍預測的嘗試,但由于塌岸形成機制的復雜,以及影響塌岸的水文動態都很難模擬,因此,這方面的研究還處在實驗階段。Elei,SebnemandPaulA.(2002)等對美國喬治亞州與南卡羅萊納州交界的Savannah河上的HartwellLake水庫塌岸進行了研究,并針對黏性土庫岸塌岸的長期觀測,從能量法的角度提出一預測長期塌岸速率的表達式:式中:ER為塌岸速率;kn為比例系數;Hb為近岸碎浪的波高。該方法在HartwellLake水庫塌岸的預測中得到了較好的應用,但該方法其實質仍然是能量法,其中的塌岸預測參數具有地域性的限制,并且還必須要有長期的觀測資料做支撐,故在山區庫岸塌岸預測中有一定的時間局限性及處理上的復雜性。根據官廳水庫塌岸預測,在前蘇聯學者提出的方法的基礎上,孫廣忠提出了一種水庫