羅紅星，徐偉然,2

(1.云南省交通投資建設集團有限公司，昆明 650200；2.云南大永高速公路有限公司，云南 大理 671000)

0 前 言

庫岸穩(wěn)定問題是水利水電工程安全與環(huán)境研究領域具有悠久歷史的基礎科學問題之一，是人類對于水資源興利除弊方面的重要挑戰(zhàn)，眾多工程技術人員與學者長久以來想弄清楚并量化科學評估，努力做到避免其在時間作用下威脅到工程建構筑物。因此，庫岸穩(wěn)定性評價是涉水工程亟需解決的工程基礎問題。

當前對于庫岸破壞機制和穩(wěn)定性計算與評價的研究主要集中在以下幾個方面：①利用歷史長觀資料，研究庫岸侵蝕機理和塌岸速度及寬度[1-6]；②利用室內(nèi)和現(xiàn)場模型試驗，揭示塌岸機理和預測塌岸寬度[7-12]；③利用數(shù)值模型和理論計算方法，預測塌岸范圍和變形破壞機理[13-17]。總體而言，對于重要工程，還需要借助水力學模型試驗，對其進行評價；目前尚未有統(tǒng)一的計算理論和方法，多數(shù)為地區(qū)經(jīng)驗公式。本文以濤源金沙江大橋跨越魯?shù)乩畮斓囟螏彀稙檠芯繉ο?，利用歷史庫岸調(diào)查、塌岸寬度預測經(jīng)驗公式和slide極限平衡法等定性和定量相結合的方法，評價庫岸穩(wěn)定性，探討庫岸穩(wěn)定和工程結構的相互影響機制，建議最優(yōu)選址方案，并給出兼顧整體和局部穩(wěn)定、當前與長期穩(wěn)定的工程建議措施。

1 工程概況及計算方案設計

1.1 濤源金沙江橋橋址工程地質(zhì)條件簡介

濤源金沙江大橋位于華麗高速公路K76+307處，為跨越金沙江所設，是整條路線的控制性工程之一。橋址區(qū)有省道(S220)及通村公路通達，交通條件便利。橋位處地勢起伏較大，為典型的“V”形河谷地段，河谷內(nèi)為魯?shù)乩娬拘钏畮煅蜎]區(qū)，江面寬度約400 m，永勝岸為陡坡接隧道，大理岸地勢較緩，接路基。橋梁跨徑布置為(70+150+550+150+70) m，橋梁全長1 001 m(含兩岸橋臺)。濤源金沙江大橋軸線為南北向，南岸為大理岸，位于濤源鎮(zhèn)永德醫(yī)院東側上方的緩坡階地上，起點里程K75+732；北岸為永勝岸，位于寨子村東上側的金沙江大轉彎凸出山嘴上，止點里程K76+668，橋址及剖面位置平面圖見圖1。

圖1 橋址及剖面位置平面圖Fig.1 Plan of the Taoyuan bridge site and profile

擬建橋址區(qū)高程介于1 180～1 280 m之間，屬構造侵蝕堆積地形地貌區(qū)；小里程大理岸地表為坡地，大里程岸永勝岸地表為裸露突兀小山脊。

擬建橋址區(qū)范圍內(nèi)地層巖性十分復雜，自上而下分別如下：①第四系全新統(tǒng)崩坡積層(Qcol+dlh)，粉質(zhì)黏土、紅黏土(單元層代號為①-1)，角礫土(單元層代號為①-2)，碎石土夾塊石(單元層代號為①-3)，塊石(單元層代號為①-4)。②第四系更新統(tǒng)沖洪積層(Qal+plp)，粉質(zhì)黏土(單元層代號為②-1)，粉細砂土(單元層代號為②-2)，粉土(單元層代號為②-3)。泥盆系(D2)，灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r(單元層代號為②-3)，未鉆穿。橋軸線、索塔和歷史主滑斜剖面工程地質(zhì)縱斷面揭示的地層空間關系見圖2。

圖2 典型工程地質(zhì)縱斷面圖Fig.2 Typical engineering geologic profiles

根據(jù)勘察土工試驗成果、原位測試(標準貫入試驗及動力觸探試驗等)、數(shù)值反分析并結合工程類比，綜合確定各巖土層的主要物理力學指標見表1。

本項目地處揚子亞板塊之鹽源～麗江陸緣拗褶帶。地表構造線以南北走向為主，北西向與北東向次之。在邊界斷裂或板內(nèi)差異活動明顯的程海斷裂上常發(fā)生6級以上強烈地震，形成小江、通海～石屏、中甸～大理和南華～楚雄等強震帶。據(jù)歷史記錄，區(qū)內(nèi)曾發(fā)生過5.0級以上地震30余次、6度以上地震近20次、7級大地震2次。公元1550年永勝地震達7.25級、1915年永勝地震烈度達10度，為滇西地區(qū)之冠，1925年3月16日大理7.1級地震(波及鳳儀、彌渡、祁云、賓川、蒙化、鄧川等7縣，縱100余km，橫40余km)，1996年2月3日麗江7級大地震。

表1 主要巖土層計算參數(shù)建議值Tab.1 Computing parameters for main strata

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306-2015，測區(qū)地震動峰值加速度為0.30 g，地震動反應譜特征周期期0.45 s，與之對應的地震基本烈度為Ⅷ度。

擬建橋址區(qū)主要地表水為魯?shù)乩畮?，地下水為上部土層的松散孔隙水，以及下部灰?guī)r巖層中的基巖裂隙水或巖溶水。

1.2 魯?shù)乩畮爝\行情況簡介

魯?shù)乩娬疚挥谠颇鲜〈罄碇葙e川縣與麗江地區(qū)永勝縣交界的金沙江中游河段上。電站正常蓄水位1 223 m，總庫容17.18 億m3，電站總裝機容量2 160 MW，裝設6臺單機容量360 MW的混流式水輪發(fā)電機組，屬一等大(1)型工程。

K76+000～+600段以濤源金沙江大橋跨越金沙江河谷及魯?shù)乩娬舅畮煅蜎]區(qū)，該濤源金沙江大橋距離下游魯?shù)乩娬緣沃芳s21 km。庫水位年變化幅度在10 m以內(nèi)。

1.3 計算工況設計

庫岸穩(wěn)定性的計算與評價共包括兩部分：①水庫塌岸預測；②庫岸邊坡穩(wěn)定性評價。現(xiàn)將該部分研究涉及的計算方法、計算理論和評價標準，論述如下。

1.3.1 水庫塌岸預測

庫岸再造是一個十分復雜的地質(zhì)歷史過程,受諸多因素的控制和影響,塌岸預測難度很大，經(jīng)驗方法眾多，本文選擇王躍敏提出的適用于我國南方山區(qū)的峽谷型水庫的兩段法進行塌岸寬度預測，其原理見圖3。

圖3 兩段法預測塌岸寬度圖解Fig.3 Diagram of Two-segment method for bank slump width prediction

以原河道多年最高洪水位與岸坡交點A為起點, 以α為傾角繪出水下穩(wěn)定岸坡線, 該線延伸至設計洪水位加毛細水上升高度的高程點B, 再以B點為起點, 以β角為傾角繪出水上穩(wěn)定岸坡線, 該線與原岸坡的交點C即為水上穩(wěn)定岸坡的終點。水上穩(wěn)定岸坡線的起點B的高程所對應的原岸坡點D與該線終點C之間的水平距離, 即為“兩段法”預測的坍岸寬度Sk,使用“兩段法”首先要解決以下問題:

(1)從水庫的洪、枯水面線圖及回水曲線圖中, 準確地計算出各庫岸段的設計洪水位, 確定沿庫岸的最高淹沒邊界；

(2)對岸坡地層取多組試樣試驗, 以得出較準確的c、φ、γ、γs、H′試驗結果, 確保β、α計算準確；

(3)對條件相似的水庫資料, 應現(xiàn)場調(diào)查、收集多組β、α數(shù)據(jù), 再與計算出的數(shù)據(jù)比較選用。

通過綜合計算法計算水上穩(wěn)定坡角，用增大內(nèi)摩擦角的方法來考慮凝聚力c的影響，用式(1)計算φ0。

φ0=arctan[tanφ+c/(γH)]

(1)

經(jīng)過王躍敏的研究，其推薦的不同土性和巖性的物理力學性質(zhì)下的水下穩(wěn)定坡角統(tǒng)計列于表2。

表2 水下穩(wěn)定坡角調(diào)查結果統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of underwater stable slope angle

1.3.2 再造庫岸邊坡穩(wěn)定性計算

庫岸邊坡等級參考公路路基設計規(guī)范(JTG D30-2015)以及相關的滑坡防治工程技術要求，并考慮其可能造成的危害及對濤源金沙江大橋基礎的影響，邊坡防治等級擬定為1級邊坡。

計算采用《公路路基設計規(guī)范》JTG D30-2015推薦的極限平衡法，對于圓弧滑面，采用簡化Bishop法；對于非圓弧滑面，采用嚴格滿足力和力矩平衡的Morgenstern-Price法。

邊坡安全控制標準，參考《公路路基設計規(guī)范》(JTG D30-2015)中高速公路、一級公路的路塹邊坡相關要求以及相關滑坡防治工程技術要求，并考慮其可能造成的危害大小，擬定為1級邊(滑)坡，其安全系數(shù)控制標準為1.20～1.30。參考水利行業(yè)標準《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》(SL386-2007)，按一級邊坡考慮，庫水驟降條件下邊坡安全系數(shù)為1.20～1.25。對于地震荷載下邊坡安全系數(shù)控制，《公路工程抗震規(guī)范》(JTG B02 2013)規(guī)定，高速公路路基邊坡高度大于20 m的，邊坡抗震穩(wěn)定安全系數(shù)不應小于1.15；邊坡高度小于等于20 m的，邊坡抗震穩(wěn)定安全系數(shù)不應小于1.1。

計算工況分為3類，①自然條件：考慮包括巖土體自重、孔隙水壓力和作用在邊坡表面的外荷載。②庫水驟降：考慮庫水由正常蓄水位降低5 m和10 m兩種情況。③地震作用：依據(jù)場區(qū)地震評價結果，地震工況下水平地震加速度取0.3 g。地震荷載依據(jù)公路工程抗震設計規(guī)范處理方法如下：

Ens=CiC2KnGs

(2)

式中：Ens為水平地震荷載；Ci為重要性修正參數(shù)，取Ci=1.3；C2為綜合影響系數(shù)，C2=0.25；Kn為水平地震系數(shù)；Gs為重力。

2 基于歷史調(diào)查的庫岸穩(wěn)定性評價

2.1 歷史調(diào)查資料揭示的庫岸穩(wěn)定性

根據(jù)歷史資料的搜集和整理，發(fā)現(xiàn)該區(qū)庫岸經(jīng)歷過多期次規(guī)模不一的改造，整體上隨著時間的推移，庫岸趨穩(wěn)。

經(jīng)調(diào)查，歷史上該區(qū)庫岸經(jīng)歷過多期不同地質(zhì)作用的大規(guī)模改造，其中改變最大的是活動斷裂造成的長達數(shù)百米的錯動變形，地形上形成該區(qū)河道出現(xiàn)明顯彎道；同時造成大規(guī)模崩塌滑移，形成堰塞湖；后來又經(jīng)歷多次規(guī)模不一的崩塌滑移，隨著時間的推移，后期的庫岸再造從規(guī)模和穩(wěn)定角度來看越來越小(圖4)。

圖4 活斷層作用、歷史多次滑塌及堰塞證據(jù)Fig.4 Historical evidences of multiple faults, landslides and dammed lakes

根據(jù)調(diào)查獲取的已爆破拆除老橋和魯?shù)乩畮煳唇ㄔO及蓄水淹沒時期的工程區(qū)照片，見圖5。

對于糖尿病患者而言，胰島β細胞功能障礙和胰島素抵抗是其發(fā)病的關鍵因素，因此在防治糖尿病的過程中，關鍵在于延緩細胞功能衰退、減輕胰島素抵抗以及積極控制并發(fā)癥等。目前臨床常用的降糖藥物為二甲雙胍，其可減少肝糖生成率，增加外周組織攝取和利用糖的能力，可增加胰島素受體親和力和數(shù)量，可減輕體重以及胰島素抵抗]。本文的研究中，治療前，兩組血糖指標比較無顯著差異，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；治療后，觀察組血糖指標較對照組顯著改善，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。兩組治療期間均為出現(xiàn)嚴重不良反應，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。因此可見，糖尿病采用二甲雙胍與吡格列酮聯(lián)合治療具有積極作用和價值。

圖5 老路運行時期初始庫岸照片F(xiàn)ig.5 Historical evidences of initial reservoir banks in old road running period

可以看出，濤源金沙江大橋橋址區(qū)在老橋運行時期，魯?shù)乩畮焐形葱藿?，庫岸地形坡度較緩，河流下切侵蝕作用下，已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，庫岸基本穩(wěn)定。居民臨水而居可以佐證。老橋基座位置的基巖說明該期岸坡底座穩(wěn)定，沒有大規(guī)模庫岸問題。

2.2 現(xiàn)狀調(diào)查揭示的庫岸穩(wěn)定性

2.2.1 河流侵蝕崩塌

在擬定公路旁鉆孔中出現(xiàn)(高程在1 200 m以下)約10 m厚的湖相松散砂沉積，該沉積物可能是堰塞湖下侵沉積的松散砂層，后有崩塌堆積覆蓋在松散砂土層之上，也有可能是原有出現(xiàn)在標高1 230 m附近普遍存在的原湖相沉積層在河流下切時產(chǎn)生崩塌的殘留體(圖6)。總之，下邊坡在堰塞湖下切時產(chǎn)生崩塌。

圖6 鉆孔揭露的砂層Fig.6 Sand stratum presented by borehole

從剖面圖可以看到，水穩(wěn)性相對較差的粉砂層沒有和庫水直接接觸，而且埋藏在水庫運行水位之下，這些都是有利于減緩河流侵蝕造成的庫岸崩塌作用。而且水庫的運行，有利于形成靜水沉積，原河床底部容易堆積砂卵石層，形成水下坡腳的反壓，這些都是有利于庫岸穩(wěn)定的因素。總體而言，粉砂層對于庫岸穩(wěn)定性的影響相對有限。后期有條件時，還是要加強該層位的安全監(jiān)控。

粉細砂及粉土層水平層狀明顯，并多以泥質(zhì)弱膠結、近半成巖狀為主，該粉細砂及粉土層在平面上分布較廣，層位整體較穩(wěn)定，故粉細砂及粉土層整體穩(wěn)定性較好，對岸坡穩(wěn)定較有利。

2.2.2 庫岸再造現(xiàn)象

魯?shù)乩畮煜鄬λ缮彀叮貏e是在金沙江特大橋附近庫岸已有部分崩岸現(xiàn)象，見圖7。

圖7 典型塌岸Fig.7 Historical evidences of typical bank slump

崩塌主要發(fā)生在松散碎石土和湖相沉積地層位置，這些地層本身水穩(wěn)定較差，在庫水位變化范圍內(nèi)容易形成沖刷、掏蝕破壞，整體規(guī)模有限。

2.3 未來一段時期庫岸穩(wěn)定判據(jù)

圖8 坡面巖體穩(wěn)定判據(jù)Fig.8 Stable proof of rock mass on slope surface

雨痕揭示該巖體豎向表面基本保持長期穩(wěn)定，說明較長時間內(nèi)坡面沒有明顯變形，證明陡崖上該巖體至少有幾十年、上百年是相對穩(wěn)定的。

但也要注意到,在暴雨、地震等極端情況下，陡崖坡面局部孤立的塊石或者危巖也存在移動或掉落的可能，即現(xiàn)狀暫時穩(wěn)定的危巖，對下方通過的路橋安全也存在潛在安全隱患，所以建議對危巖和威脅性較大的孤石進行清除或加固，確保公路后期運營安全。

3 基于塌岸預測和再造庫岸邊坡穩(wěn)定性評價的庫岸穩(wěn)定性評價

以索塔剖面為例，說明塌岸預測方法和再造庫岸穩(wěn)定性計算過程。

(1)基于兩段法的索塔剖面水庫塌岸預測(圖9)。如果考慮填土的水下穩(wěn)定坡角，填土的水下穩(wěn)定坡角(填土)18°；水上填土的穩(wěn)定坡角19°。由于目前庫水位以下坡形的角度小于18°，因此取水下坡形的最緩角度14°，得到庫岸再造范圍為51 m。

如果假設庫水位以下的填土全部被庫水沖蝕走，那么考慮碎石土的水下和水上穩(wěn)定坡角，分別為28°和31°，填土的水上穩(wěn)定坡角為19°，那么得到庫岸再造范圍為82 m。

圖9 索塔剖面塌岸預測計算圖(單位：m)Fig.9 Bank slump computing map for cable bent tower profile

(2)考慮再造庫岸的索塔剖面穩(wěn)定性計算(圖10)?？紤]到水庫運行出現(xiàn)的不確定因素，結合活動斷裂影響帶的影響，這些不利因素的組合，可能造成再造庫岸邊坡的穩(wěn)定性出現(xiàn)問題，所以后續(xù)再計算分析了再造庫岸邊坡的穩(wěn)定性評價，計算考慮了自然、水位驟降、地震作用等3類工況，計算過程和結果如下所示。

庫岸邊坡穩(wěn)定性綜合評價及其對工程選址的影響評估，在塌岸寬度加再造庫岸邊坡潛在滑移范圍的基礎上進行，結果統(tǒng)計列于表3和表4。

橋梁、道路及其附屬結構的選址，必須在此距離之外。此處距離特指當前水位坡腳到結構物中心或者邊線的水平距離。由表3可知，不同工況下，塌岸預測寬度不同，基于此的再造庫岸邊坡的穩(wěn)定性也存在失穩(wěn)的可能，滑移規(guī)模不同。表4可知，濤源金沙江大橋兩岸庫水影響可控，不需要采取特殊的加固措施。

4 綜合評價結論與建議

4.1 結 論

(1)基于歷史和現(xiàn)狀穩(wěn)定性調(diào)查的庫岸穩(wěn)定性評價研究表明：該區(qū)庫岸在歷史上經(jīng)歷過多起斷裂活動影響、多次崩滑堆積地形改造、古堰塞湖沉積地形改造和長期蠕變滑移變形，近期趨于穩(wěn)定。

圖10 索塔剖面庫岸再造邊坡穩(wěn)定性計算圖(單位：m)Fig.10 Stability computing map of slope changed by bank slump for cable bent tower profile

剖面塌岸寬度自然地震水位驟降5m水位驟降10m大理索塔51m1．901．251．861．8182m1．571．201．531．48大理軸線0m1．321．151．241．16大理斜剖面0m2．201．381．681．6089m1．160．901．081．00大理錨碇0m1．551．051．331．16永勝軸線0m1．451．191．391．35

表4 庫岸穩(wěn)定性評價結果統(tǒng)計表Tab.4 Statistical table of bank stability estimation results

(2)坡面穩(wěn)定性調(diào)查中的近于垂直發(fā)育的雨痕、孤石基座鹽痕、變形現(xiàn)象、不同時期庫岸坡面地形等證據(jù)均支持未來一段時期內(nèi)庫岸邊坡整體穩(wěn)定，不會發(fā)生大規(guī)模滑移破壞。

(3)塌岸預測結果和庫岸再造邊坡在最不利組合工況下的潛在滑動范圍和安全系數(shù)計算結果看，該區(qū)橋梁及其附屬結構的選址是可行的。

(4)當前庫岸坡腳均堆積有不同規(guī)模的歷史填土，其存在具有一定的反壓坡腳作用，未來建設和水庫運行過程中，嚴禁在該部位改變現(xiàn)狀地形和對其進行開挖清除作業(yè)。

(5)粉砂層水穩(wěn)性較差，從目前地質(zhì)剖面看，其埋深相對較大，水上和水下坡面也沒有出露，未來建設和水庫運行過程中，鄰水側嚴禁切穿揭露該層；如必須切穿，則應評估其不利影響，并對其及時采取封閉和加固措施。

4.2 建 議

應該注意到工程區(qū)臨近程海斷裂帶，應該對構造活動和側后方高陡邊坡的活動性進行長期安全監(jiān)控或者定期巡查，以確保安全預警和防災減災。

施工運營期間，定期巡查，嚴禁在現(xiàn)狀庫岸和斜坡陡峻部位坡腳進行開挖和采掏活動。

安全監(jiān)控應采取施工安全監(jiān)測和長期穩(wěn)定性監(jiān)控有機結合的原則，以檢驗工程措施的合理性，積累區(qū)域構造活動對工程安全影響的基礎數(shù)據(jù)，為今后類似工程積累經(jīng)驗，同時為公路的安全運行管理提供指導。

□

[1] 彭仕雄. 水庫塌岸預測的現(xiàn)狀及沖堆平衡法[J]. 巖石力學與工程學報, 2014,33(11):2 332-2 340.

[2] Henshaw A J, Thorne C R, Clifford N J. Identifying causes and controls of river bank erosion in a British upland catchment[J]. Catena, 2013,100(2):107-119.

[3] 王 遜, 陳偉濤. 塌岸地質(zhì)災害遙感監(jiān)測方法研究[J]. 安全與環(huán)境工程, 2010,17(1):10-13.

[4] 李永樂. 三門峽水庫庫岸坍塌成因分析與防治措施研究[J]. 水土保持學報,2003,(6):129-132.

[5] 繆吉倫, 肖盛燮, 彭 凱. 庫岸再造機理及坍岸防治研究[J]. 重慶交通大學學報(自然科學版), 2003,22(2):124-126.

[6] 陳天富, 林建平, 馮炎基. 新豐江水庫消漲帶岸坡侵蝕研究[J]. 熱帶地理, 2002,22(2):166-170.

[7] Dey L, Barbhuiya A K, Biswas P. Experimental study on bank erosion and protection using submerged vane placed at an optimum angle in a 180° laboratory channel bend[J]. Geomorphology, 2017, 283:32-40.

[8] 劉小紅. 香溪河段公路岸坡再造機理試驗與應用研究[D]. 北京：中國地質(zhì)大學, 2015.

[9] Ming-Hui Y U, Wei H Y, Song-Bai W U. Experimental study on the bank erosion and interaction with near-bank bed evolution due to fluvial hydraulic force[J]. 國際泥沙研究(英文版), 2015,30(1):81-89.

[10] 李邵軍, KNAPPETT J A, 馮夏庭. 庫水位升降條件下邊坡失穩(wěn)離心模型試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2008,27(8):1 586-1 593.

[11] 白興平,羅貫軍,符文熹. 某水庫崩積坡坍岸模型模擬預測[J]. 水利水電技術,2014,(2):104-107.

[12] 陳曉平, 黃井武, 吳宏偉,等. 庫岸古滑坡離心模型試驗研究[J]. 巖土工程學報, 2011,33(10):1 496-1 503.

[13] Iwasaki T, Shimizu Y, Kimura I. Numerical simulation of bar and bank erosion in a vegetated floodplain: A case study in the Otofuke River[J]. Advances in Water Resources, 2015,93:118-134.

[14] 槐文信, 王增武, 錢忠東,等. 二維垂向射流沙質(zhì)河床沖刷的數(shù)值模擬[J]. 中國科學:技術科學, 2012,(1):72-81.

[15] 楊耀中, 盧丙清, 徐佩華. 基于三維數(shù)值計算理論的塌岸預測研究----以雅瀘高速公路K92+332～765段為例[J]. 中國勘察設計, 2010,(7):56-58.

[16] 許 強, 劉天翔, 湯明高,等. 三峽庫區(qū)塌岸預測新方法-岸坡結構法[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2007,34(3):110-115.

[17] 馬淑芝, 賈洪彪. 利用穩(wěn)態(tài)坡形類比法預測基巖岸坡的庫岸再造[J]. 地球科學, 2002,27(2):231-234.