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三峽庫區(qū)鐵水溝庫岸塌岸預(yù)測(cè)及防護(hù)措施分析

2015-01-30 06:04:30王金波楊儉波何鈺銘廖偉杰
資源環(huán)境與工程 2015年6期
關(guān)鍵詞:岸坡坡角庫岸

王金波,楊儉波,何鈺銘,廖偉杰,陳 雪

(湖北省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,湖北宜昌 443002)

三峽庫區(qū)鐵水溝庫岸[1]位于長江三峽水利樞紐工程庫首的長江左岸太平溪鎮(zhèn),緊鄰移民居民點(diǎn)、居民渡船碼頭及三峽物流中心太平溪新港。塌岸對(duì)該地區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)和港口、公共設(shè)施將造成嚴(yán)重危害,影響太平溪港和長江航運(yùn)的正常運(yùn)營。

1 地質(zhì)環(huán)境

1.1 氣象水文

太平溪集鎮(zhèn)地處中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,雨量適中。年平均降雨量1 192.70 mm,多集中于5—9月,占全年降雨總量的70%。

1.2 地形地貌

鐵水溝庫岸位于黃陵背斜核部南端侵蝕剝蝕低山區(qū),長江為本區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面。區(qū)內(nèi)溝谷縱橫交錯(cuò),主要河流為靖江溪及其支溝鐵水溝,溝谷切割深度20~100 m。溝谷及山脊岸坡自然坡角一般為10°~20°,沖溝溝頭處20°~30°,局部可達(dá)40°。人工填土邊坡坡高一般20~40 m、坡角為35°~40°。

1.3 地層巖性

出露地層為前震旦系變質(zhì)巖和第四系松散堆積物。變質(zhì)巖主要為黑云母石英閃長巖巖基、后期酸性、基性巖脈侵入體,為花崗巖脈及輝綠巖脈。第四系松散堆積物主要為人工填土、沖積及殘坡積碎石土。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)未見大的斷裂通過,由于基底受到多期構(gòu)造變動(dòng)的影響,各種方向的裂隙發(fā)育,主要發(fā)育6組裂隙:①N60°~70°E/SE∠60°~84°;②N41°~60°E/NW∠67°~86°;③N7°~ 12°W/NE∠23°~ 64°;④N46°~ 50°W/NE∠50°~62°;⑤N2°E/SE∠62°;⑥N82°W/NE∠84°。

2 庫岸基本特征

2.1 形態(tài)特征

鐵水溝庫岸總體呈指狀地貌,由多條近于平行、指向長江和靖江溪的山脊和沖溝相間而成,鐵水溝庫岸總長1 100 m(以175 m水位線為準(zhǔn))。共分為巖質(zhì)岸坡和土質(zhì)岸坡兩種類型,巖質(zhì)岸坡主要分布于山脊部位(2、4區(qū),6、7區(qū)局部),由全、強(qiáng)風(fēng)化黑云母石英閃長巖構(gòu)成,土質(zhì)岸坡主要分布于原溝谷(1、3、5區(qū),6、7區(qū)局部),由人工填土構(gòu)成(庫岸分區(qū)圖見圖1)。

圖1 鐵水溝庫岸分區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of partition of Tieshuigou reservoir bank

2.2 變形特征

鐵水溝岸坡變形破壞類型主要為:人工填土岸坡變形以下沉、拉裂、坍滑及流砂為主;全、強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)岸坡以塊體滑移、崩塌為主。

2.3 影響庫岸穩(wěn)定性的主要因素

影響庫岸穩(wěn)定性的因素可分為內(nèi)在條件和外部因素。內(nèi)在條件主要包括庫岸類型、坡面形態(tài)、物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu);外部因素主要包括降雨與地表水入滲、流水沖蝕、庫水位波動(dòng)、浪蝕、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及地震、人類工程活動(dòng)、加載等,其中外部因素為塌岸的誘發(fā)因素。

3 岸坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

3.1 岸坡穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)

人工填土岸坡,上部坡度較陡,多在35°~40°間,由于庫水的浸泡及浪蝕作用,整段庫岸發(fā)生多處明顯下座、崩塌現(xiàn)象,現(xiàn)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。巖質(zhì)岸坡整體穩(wěn)定性較好,僅坡體表層在侵蝕、剝蝕作用下產(chǎn)生小規(guī)模塊體滑移、崩塌。

3.2 岸坡穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)

計(jì)算模型采用工程地質(zhì)縱剖面圖為原型,本次計(jì)算取庫岸巖土分界面坡度最大剖面(3-3'剖面)進(jìn)行坡體整體穩(wěn)定性計(jì)算(見圖2),并取填土厚度最大剖面(5A-5A')搜索最危險(xiǎn)滑面(見圖3)。穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明,庫岸在水庫水位175 m、175 m回落至145 m期間、145 m 三種工況下,穩(wěn)定系數(shù)為 1.177 ~1.704,均處于穩(wěn)定狀態(tài)。但庫岸表層填土在庫水的浸泡及浪蝕作用下,穩(wěn)定系數(shù)為0.916~1.031,有下座、崩塌變形的可能。

圖2 3-3'穩(wěn)定性計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of stability 3-3'profile

圖3 5A-5A'剖面前緣穩(wěn)定性計(jì)算模型(搜索最危險(xiǎn)滑面)Fig.3 Calculation model of stability 5A-5A'profile

4 塌岸預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

4.1 預(yù)測(cè)方法

目前預(yù)測(cè)水庫庫岸再造規(guī)模的方法很多,本次鐵水溝庫岸再造預(yù)測(cè)采用較為簡(jiǎn)便而通用的佐洛塔廖夫法和計(jì)算法[2]。

4.1.1 佐洛塔廖夫法

佐洛塔廖夫法的基本原理是選取不同類型巖土的枯水位—洪水位作用區(qū)間(包括其上下一定坡段),做出實(shí)測(cè)或圖切地形地質(zhì)剖面,確定相應(yīng)巖土層河岸作用帶的穩(wěn)定坡角,以此坡角預(yù)測(cè)不同庫水位條件下(主要是水位變幅帶及其上下一定范圍的坡段)不同巖土層新的穩(wěn)定坡角和坡形,進(jìn)而獲得庫岸再造的最終寬度與高程。佐洛塔廖夫法預(yù)測(cè)塌岸圖解見圖4。

圖4 佐洛塔廖夫法預(yù)測(cè)塌岸圖解Fig.4 Diagram of Zolotaleov method

佐洛塔廖夫法預(yù)測(cè)的具體步驟如下:

(1)繪制出預(yù)測(cè)地點(diǎn)的地形地質(zhì)剖面。

(2)標(biāo)出水庫正常高水位線與水庫最低水位線。

(3)由正常高水位向上標(biāo)出波浪爬高線,爬升高度hB可取一個(gè)波高。

(4)由最低水位向下,標(biāo)出波浪影響深度線。影響深度hp取1/3~1/4波長,粘性土應(yīng)大一些,砂土小些。

(5)在波浪影響深度線上選取a點(diǎn),該點(diǎn)位于堆積淺灘帶與淺灘外緣陡坡帶之轉(zhuǎn)折點(diǎn)處,該點(diǎn)的選取應(yīng)使堆積系數(shù)Ka之值與圖中所列數(shù)值相符。

(6)由a點(diǎn)向下,根據(jù)淺灘堆積物的巖性繪出外緣陡坡,使之與原斜坡線相交,其穩(wěn)定坡度α1:粉細(xì)砂土和粘性土為<8°~12°,卵石層和粗砂土為 <18°~12°。由a點(diǎn)向上繪出堆積淺灘的坡面線,與原斜坡線相交于 b點(diǎn),其穩(wěn)定坡度 α2:細(xì)粒砂土為1°~1.5°,粗砂小礫石為3°~5°。

(7)由b點(diǎn)作沖蝕淺灘的坡面線,與正常高水位線相交于c點(diǎn),其穩(wěn)定坡度α3:視b、c間岸坡巖性而定。

(8)由c點(diǎn)作波浪爬升帶的坡面線,與波浪爬升高度水位線相交于d點(diǎn),其穩(wěn)定坡度α4按圖1法采取。

(9)繪制水上岸坡坡面線de;α5據(jù)自然坡角確定。

(10)檢驗(yàn)堆積系數(shù)與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否相符,如不符則向左或向右移動(dòng)a點(diǎn)并按上述重新做圖,直至適合為止。

4.1.2 計(jì)算法

計(jì)算法基本原理是:在系統(tǒng)、準(zhǔn)確地分析岸坡特征(巖土體構(gòu)成、物質(zhì)特性、形態(tài)參數(shù)、庫水位變動(dòng)幅度等)的前提下,結(jié)合實(shí)測(cè)剖面,查找相關(guān)參數(shù)表,然后將其代入符合該類庫岸特性的塌岸最終寬度計(jì)算公式中,求得最終塌岸寬度數(shù)值。

最終塌岸寬度的公式為(計(jì)算時(shí)按均質(zhì)庫岸考慮,見圖5、圖6):

式中:St為塌岸帶最終寬度(m);A為庫水位變化幅度(m);N為與土的顆粒大小有關(guān)的系數(shù);hp為波浪沖刷深度(m);hB為浪擊高度或浪爬高(m);H為正常蓄水位以上岸坡高度(m);α為淺灘沖刷后水下穩(wěn)定坡角(°);β為岸坡水上穩(wěn)定坡角(°);γ為原始岸坡坡角(°)。

圖5 均質(zhì)陡岸的塌岸寬度預(yù)測(cè)圖Fig.5 Forecast map of width of bank collapse about homogeneous steep bank 1.正常高水位;2.消落水位。

圖6 波高與各種土的淺灘坡角α的關(guān)系Fig.6 Relation of wave height and slope angle of shoal

4.2 預(yù)測(cè)參數(shù)的選定

4.2.1 風(fēng)速的確定

所需風(fēng)速采用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)中基本風(fēng)壓推算求得。

風(fēng)浪計(jì)算所需的風(fēng)速U即求得的平均最大風(fēng)速。

4.2.2 “有效吹程”的確定

在有限水域中,由于風(fēng)區(qū)寬度所起的限制作用,在決定吹程時(shí),應(yīng)采用“有效吹程”進(jìn)行計(jì)算。

式中:F有效為有效吹程;ri為計(jì)算點(diǎn)至對(duì)岸線的距離;αi為射線與風(fēng)向的夾角;xi為每條射線ri在風(fēng)向上的分量。

4.2.3 波高、波長及波周期的確定

根據(jù)上述所確定的風(fēng)速及有效吹程,波高、波長及波周期按官廳水庫公式確定如下:

4.2.4 風(fēng)浪爬高的確定

爬高計(jì)算公式采用蒲田試驗(yàn)站公式:

式中:KΔ為斜坡的糙率滲透性系數(shù);KW為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

上述浪高值尚未考慮行船產(chǎn)生的波浪因素,鑒于本庫岸位于三峽水庫永久船閘引航道及太平溪新港岸坡,過往船只頻繁,故需將行船產(chǎn)生的波浪與風(fēng)浪疊加。

4.2.5 各類坡角的確定

本次勘查采用地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)與圖解相結(jié)合的方法,對(duì)水庫運(yùn)行期死水位(145 m)、調(diào)節(jié)水位(即水位變動(dòng)帶)、正常高水位(175 m)時(shí)岸坡區(qū)巖土體水下穩(wěn)定坡角和水上穩(wěn)定坡角進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),結(jié)合佐洛塔廖夫推薦的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),確定了用于預(yù)測(cè)巖土體穩(wěn)定的坡角。

4.3 塌岸預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)上述預(yù)測(cè)方法,在正常蓄水條件下,鐵水溝庫岸各庫岸段塌岸預(yù)測(cè)范圍及規(guī)模見表5。塌岸預(yù)測(cè)典型剖面見圖7。

預(yù)測(cè)成果表明,在庫區(qū)水位長期145~175~145 m間往復(fù)運(yùn)行時(shí),岸坡最終塌岸寬度為11.07~133.80 m,其中庫岸5區(qū)塌岸最為強(qiáng)烈,寬度達(dá)133.80 m。人工填土庫岸塌岸進(jìn)程快,巖質(zhì)庫岸塌岸主要在全、強(qiáng)風(fēng)化帶中,其進(jìn)程較慢。

表5 正常蓄水(145~175 m)塌岸預(yù)測(cè)Table 5 Bank collapse prediction of normal storage(145~175 m)

圖7 塌岸預(yù)測(cè)典型剖面圖Fig.7 Typical profile of bank collapse prediction

5 防護(hù)措施

根據(jù)鐵水溝庫岸現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及塌岸預(yù)測(cè)結(jié)果,土質(zhì)岸坡塌岸約占塌岸總方量的93.86%,巖質(zhì)岸坡影響較小。鐵水溝庫岸防護(hù)工程僅針對(duì)土質(zhì)岸坡進(jìn)行,巖質(zhì)岸坡不采取防護(hù)措施。防護(hù)措施為:坡面整形+干砌石護(hù)坡+格賓石籠壓腳+漿砌石排水溝+馬道+監(jiān)測(cè)工程[3]。

首先對(duì)土質(zhì)岸坡進(jìn)行坡面整形,每15 m高設(shè)一級(jí)馬道,坡面采用干砌石護(hù)坡,坡腳設(shè)格賓石籠壓腳,坡肩及坡面兩側(cè)分別設(shè)置橫縱排水溝[4]。

6 主要結(jié)論

鐵水溝庫岸緊臨三峽大壩,根據(jù)庫岸穩(wěn)定性分析,庫岸在水庫水位175 m、175 m回落至145 m期間、145 m三種工況下,均處于穩(wěn)定狀態(tài)。但庫岸表層填土在庫水的浸泡及浪蝕作用下,有下座、崩塌變形的可能。

塌岸預(yù)測(cè)成果表明,正常蓄水條件下,土質(zhì)岸坡塌岸方量較大,塌岸物質(zhì)一旦匯入鄰近太平溪港及永久船閘上游航道,將對(duì)航道形成堵塞;巖質(zhì)岸坡影響較小。

庫岸防護(hù)工程主要針對(duì)填土岸坡進(jìn)行,庫岸防護(hù)將會(huì)防止庫岸再造,維護(hù)坡面設(shè)計(jì)形態(tài),有效消除或減少影響庫岸坡體穩(wěn)定性的不利因素,有利于當(dāng)?shù)氐囊?guī)劃建設(shè)發(fā)展及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè),有利于該地區(qū)居民安居樂業(yè)和社會(huì)和諧穩(wěn)定。

[1] 郭峰,王金波,雷深涵,等.湖北省三峽庫區(qū)后續(xù)地質(zhì)災(zāi)害防治夷陵區(qū)鐵水溝庫岸勘查報(bào)告[R].宜昌:湖北省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,2012.

[2] 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作指揮部.三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工程地質(zhì)勘查技術(shù)要求[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,2014.

[3] 郭峰,王金波,雷深涵,等.湖北省三峽庫區(qū)后續(xù)地質(zhì)災(zāi)害防治夷陵區(qū)鐵水溝庫岸防護(hù)工程施工圖設(shè)計(jì)[R].宜昌:湖北省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,2012.

[4] 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作指揮部.三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)技術(shù)要求[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,2014.

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