深大水库高陡土质库岸塌岸预测图解模型研究

文章编号:1006 2610(2019)01 0018 04深大水库高陡土质库岸塌岸预测图解模型研究张　晖1,2,付建伟1,2,薛会师1,2(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安　710065;2.国家能源水电工程技术研发中心高边坡与地质灾害研究治理分中心,西安　710065;)摘　要:茨哈峡超高坝的库区土质岸坡,以松散-弱胶结的Q 3砂砾石为主,多呈台阶型近直立状,坡高300m 以上,且部分库段构成水下岸坡的主体㊂对该类高陡砂砾石库岸进行塌岸预测,目前尚无可借鉴的工程实例,且常用的预测方法大多适用性较差㊂在塌岸机理研究结论的基础上,从 两段法”塌岸预测图解法的基本思路出发,结合实际地质条件㊁水库运行方式和 库岸结构法”适用性,对两段法图解模型的预测起始点㊁水位波动带进行修正,对水上㊁水下稳定坡角进行选择研究,提出了较适于茨哈峡水库高陡土质岸坡的 三段法”塌岸预测图解模型㊂关键词:高陡土质岸坡;塌岸预测;预测起始点;库水位变幅带; 三段法”图解模型中图分类号:TV622;TU457 文献标志码:A DOI :10.3969/j.issn.1006-2610.2019.01.005Study of Graphical Model for predicting Collapse of High -steep Soil Bank in Deep ReservoirZHANG Hui 1,2,FU Jianwei 1,2,XUE Huishi 1,2(1.PowerChina Northwest Engineering Corporation Limited ,Xi'an 710065,China ;2.National Energy and Hydropower Engineering Technology R&D Center ,High Slope and Geological Hazard Research and Control Sub-center ,Xi'an 710065,China )Abstract :The soil bank slope at the reservoir area of the Cihaxia super-high dam is mainly composed of loose-wet cemented Q 3sand gravel ,which is mostly stepped and nearly vertical ,with a slope height of more than 300m ,and some reservoir sections constitute the un⁃derwater bank.For the collapse prediction of this kind of high-steep sand gravel bank ,no engineering project is available for reference ,and the ordinary prediction methods are mostly poorly applicable.On the basis of the conclusion of the research on the mechanism of bank collapse ,starting with the basic idea of the "Two-section Method"bank collapse prediction graphic method ,combined with the actual geological conditions ,the operating mode of the reservoir and the applicability of the "Reservoir Bank Structure Method",the prediction starting point and the water level fluctuation zone of the graphical model of the Two-section Method are corrected ,and the selection of the stable slope angle above the water level and underwater is studied ,thus proposed the graphical model of the "Three-section Method"col⁃lapse prediction applicable for the high-steep soil bank slope of the Cihaxia Reservoir.Key words :high-steep soil bank slope ;bank collapse prediction ;prediction starting point ;reservoir water level fluctuation zone ;"Three-section Method"graphical model 收稿日期:2018-04-24 作者简介:张晖(1971-),男,西安市人,高级工程师,主要从事水电站工程地质问题研究.0　前　言水库塌岸是水库周边岸坡土体因蓄水及水位升降㊁波浪冲刷及风浪爬高作用下不断发生坍落破坏等库岸再造的地质现象,随着时间的延续,库岸线逐渐后退,直至达到新的平衡[1-2]㊂水库塌岸预测理论在中国来源于前苏联,近年来随着大型水库项目的建设与运行,塌岸预测理论与方法有了一定的发展,但常用的方法仍为类比图解法㊁计算图解法㊁动力法㊁经验法等,且每种预测方法均有一定的适用条件,不同适用条件下,各方法的预测结果往往差别很大[3-4]㊂青海黄河茨哈峡水库部分库岸为松散-弱胶结以Q 3砂砾石为主的土质岸坡,多呈台阶型近直立状,坡高300m 以上,且部分库段构成水下岸坡的主体㊂水下高陡土质岸坡蓄水后不稳定-稳定性较差,国内外目前尚未检索到类似茨哈峡土质岸坡结工程地质与测量 西北水电㊃2019年㊃第1期 ===============================================构特点的水库实例或塌岸预测先例,且常用的预测方法对这类岸坡塌岸预测适宜性较差,作为水库塌岸影响区的一个重要问题,塌岸预测研究对工程建设的意义不言而喻㊂本文以青海黄河茨哈峡水电站为例,在塌岸机理研究成果和对目前常用塌岸预测方法适用条件进行系统分析的基础上,对较为适宜超高土质岸坡塌岸预测的 两段法”和 库岸结构法”加以改进,提出了对茨哈峡水库土质岸坡进行塌岸预测的较为适用的 三段法”图解模型㊂该塌岸预测方法及研究成果可供类似工程借鉴㊂1　工程概况1.1　工程简介茨哈峡水电站位于青海省兴海县与同德县交界处的茨哈峡峡谷内,是龙羊峡水电站以上㊁海拔3000.00m以下河段(黄河)最大的梯级水电站,正常蓄水位2990.00m,最大坝高257.5m,装机容量2600MW㊂水库为高山峡谷型,坝前水位抬升约240m,回水长75km,库容44.7亿m3㊂1.2　水库基本地质条件概况茨哈峡水库区按地形地貌㊁岸坡特征等特征总体可划分为上游峡谷库段和下游平台库段㊂其中下游平台库段长约39km,两岸顶普遍分布有区域Ⅲ级夷平面平台,前缘高程3140.00~3200.00m,台面宽1~3km,向岸内缓慢抬高,至平台后缘接基岩高山斜坡㊂正常蓄水位高程低于平台前缘150~ 210m,库岸相对高差350~400m,两岸坡度45°~ 60°(局部70°~90°)㊂本库段天然河水位高程为2760.00~2840.00m,蓄水后抬高水位较大,岸坡水文地质条件改变明显,是土质岸坡塌岸预测的重点地段㊂该库段土质岸坡最低分布高程仅约2770.00m,在死水位以下高百米以上,局部可达200m,且水上边坡也较高㊂岸顶为较为平缓的台地,岸坡为近于直立的台阶状峻坡,总体坡度53°~79°,剖面上多呈 台阶状”陡-缓-陡地形,表部小冲沟极为发育㊂构成土质岸坡的土层主要为第四系上更新统河湖相沉积的洪积砂卵砾石层㊂该层天然状态下干燥㊁密实,断面可见多层近水平状钙质胶结或弱泥质胶结层,其内卵砾石磨圆度较好㊂2　常用塌岸预测图解方法及其应用条件对比分析2.1　常用塌岸预测图解方法库岸再造是一个复杂的动力地质过程,受自然条件的复杂性和多变性制约,当前塌岸预测的方法多属于经验性或半经验性[5],目前水库塌岸预测仍主要采用卡丘金法㊁佐洛塔寥夫法㊁两段法及库岸结构法图解预测方法㊂卡丘金(1949年)依据实测的洪㊁枯水变幅带岸坡各岩土层的稳定坡角,通过几何关系,利用图解法求解塌岸宽度的一种方法[6-7]㊂佐洛塔寥夫(1955年)认为波浪力是库岸再造的主要作用力,再造后的岸坡可分为堆积浅滩㊁冲蚀浅滩㊁浅滩外缘陡坡㊁爬升带斜坡及水上岸坡带5段,通过作图得到上述5段岸坡,即为库岸再造的最终岸坡[7]㊂两段法系王跃敏等(2000年)通过大量实地调查㊁研究提出的一种塌岸预测方法㊂该方法认为预测塌岸线由水下稳定岸坡线和水上稳定岸坡线的连线组成,预测塌岸宽度即为水上稳定岸坡线的起点所对应的同高度的原始岸坡点与该线终点间的水平距离[8]㊂水下稳定岸坡线由原河道多年最高洪水位及水下岸坡的稳定坡角确定,水上稳定岸坡线由设计洪水位㊁毛细水上升高度及水上岸坡的稳定坡角确定[9]㊂库岸结构法是刘天翔等(2006年)针对三峡库区冲蚀型和坍塌型库岸提出的塌岸预测方法,其主要原理是根据岸坡各岩土层的冲磨蚀角㊁水下堆积坡角㊁水上稳定坡角,并结合水库设计低㊁高水位来进行预测,也是一种图解㊁类比法[9]㊂2.2　各种塌岸预测图解方法的应用条件对比分析水库蓄水后塌岸宽度的预测成果是否与实际相符,关键在于塌岸预测参数特征值的确定㊂表1对各种塌岸预测图解方法的适用条件及缺陷进行了综合比较㊂3　超高土质岸坡塌岸预测的图解模型选择及模型参数修正研究 图解法预测塌岸范围的关键是预测方法的确定及预测模型控制点(预测起点和正常蓄水位以上影91西北水电㊃2019年㊃第1期===============================================响高度线)和控制角度(各岩土类型水上㊁水下稳定坡角)的选择㊂为此,根据已有库岸塌岸预测方法的对比分析,选择出适合于超高土质岸坡塌岸预测的图解模型,并根据其不同于其它库岸的特点对模型参数进行修正㊂表1　各种塌岸图解预测方法适用条件及缺陷表3.1　预测方法选择卡丘金法㊁佐洛塔寥夫法㊁两段法㊁库岸结构法等现有预测水库塌岸或水库边岸再造范围和规模的方法均有一定的应用基础㊂由于水库塌岸随不同的岸坡结构㊁岩土类型和不同的影响因素将会呈现不同的塌岸变形破坏模式,不同类型的水库㊁不同的塌岸地质条件下的库岸再造过程也是迥异的,上述塌岸预测方法都是前人针对特定研究对象的水库而提出的,均有一定的适用条件,因此直接运用以上方法进行超高坝水库土质岸坡塌岸预测时,结果往往差别很大或理论依据站不住脚㊂为此,在仔细推敲和研究现有的4种塌岸预测图解方法的基础上,结合茨哈峡库岸独有的地质水文特点,选择最适用茨哈峡水库土质岸的塌岸预测图解模型㊂综合分析认为,卡丘金法㊁库岸结构法没有考虑预测起点以下岸坡的稳定性,佐洛塔寥夫法高陡岸坡岸边堆积浅滩㊁堆积特征及堆积系数难以确定㊂两段法虽然没有考虑水动力条件,但充分考虑了库水以下至河床岸坡的变形破坏直至达到稳定,两段法的基本思路比较适合于茨哈峡土质岸坡的塌岸预测,其不足之处是没有考虑库水位变幅带的影响㊂另外茨哈峡水库洪水历史最高水位在低部基岩河槽,而易塌岸高陡土质岸坡高于历史最高水位㊂因此,根据茨哈峡水库的具体特点,需对预测起点进行修正并考虑水位变幅对塌岸的影响㊂3.2　预测起点修正在进行塌岸预测起点确定时,两段法选择历史最高洪水位作为蓄水后预测起点㊂茨哈峡水库易塌岸的岸坡主要为2种结构类型,即土质结构岸坡和土岩混合结构岸坡㊂土质结构岸坡主要分布在各大冲沟,因冲沟历史最高洪水位作用岸坡时间短,未达到水下稳定坡角,因此采用此水位作为预测起点存在预测宽度偏大且不合理的问题㊂综合考虑水库水深㊁悬移质及岸坡塌岸物质的堆积作用及库水位变动对岸坡的影响等,预测起点开始于河水位以上水下稳定坡角与不稳定坡角的交点位置,水库堆积作用对库岸稳定的影响可结合水下稳定坡角选择考虑㊂土岩混合结构岸坡主要分布在主河道,历史最高洪水位远低于基岩面,以历史最高洪水位作为预测起点明显不合理㊂预测起点总体开始于土层与稳定基岩的接触部位,同时土层按水下稳定坡角考虑㊂3.3　库水影响带的修正两段法塌岸预测未考虑库水动力条件影响㊂而水库正常运行过程中库水位是动态的,一般最低至设计死水位,最高至设计洪水位,存在一个库水位变幅带㊂在库水位涨落过程中变幅带岸坡土体干湿交替㊁力学强度变化大,当库水再度消落时,将增加地下水的动水压力,变幅带库岸的稳定性将显著降低,同时变幅带库岸长期受波浪冲刷及侧蚀作用,稳定性进一步恶化㊂最低水位以下库岸,虽然岩土体在库水的长期浸泡下,抗剪强度低,但随库水位上升,地下水位将壅高,地下水位坡降变缓,动水压力降低,暂时有利于库岸稳定㊂可见,库水变幅带岸坡与最低水位以下岸坡所受的水环境影响明显不同,同时库水变幅带为卡丘金法塌岸预测的水下段㊂据此,在茨哈峡水库塌岸预测过程中对两段法进行较大调整㊂将两段法水下段分成2段,即水位变幅带段和最低水位以下段㊂其中水位变幅带段包括下部波浪影响深度和上部波浪影响高度范围,以下为最低水位以下岸坡段㊂02张晖,付建伟,薛会师.深大水库高陡土质库岸塌岸预测图解模型研究===============================================对两段法修正后,进行了茨哈峡土质结构及土岩混合结构岸坡的塌岸预测(见图1)㊂茨哈峡水电站正常蓄水位2990.00m,校核洪水位2994.00m,校核洪水位即为本水库塌岸预测的高水位;水库死水位2980.00m,即为本水库塌岸预测的最低水位;水库区波浪爬高及影响深度经类比分别取1.2m 和3m㊂由图1可见,稳定岸坡线明显分为3段,即水上稳定岸坡线㊁水位变幅带稳定岸坡线及最低水位以下稳定岸坡线㊂图1　茨哈峡水库 三段法”预测塌岸图解3.4　水上(下)稳定坡角选用哈峡水库三段法预测塌岸图解模型需提供水下岸坡稳定坡角㊁水位变幅带岸坡稳定坡角及最低水位以下岸坡稳定坡角3个参数㊂水下岸坡稳定坡角和水上岸坡稳定坡角与两段法相对应,水位变幅带岸坡稳定坡角为卡丘金法水下浅滩冲刷后稳定坡角㊂茨哈峡水库下库段高陡砂砾石土质岸坡分布较多,岸线较长,经历了漫长的地质历史时期,经地质调查目前均为稳定性较好的边坡,水上岸坡稳定坡角经大量剖面实测斜坡坡角统计平均值(53°),并据砂砾石土层的物质组成和结构特征进行工程类比,获得茨哈峡砂砾石土质岸坡塌岸预测的水上岸坡稳定坡角为53°~56°㊂茨哈峡水库主要塌岸的砂砾石层土质岸坡,岸坡坡脚部位,现天然河道平均枯水位㊁河水涨幅带㊁平均洪水位均基本在基岩河槽,现今黄河河水的涨落基本不涉及上部砂砾石层土体岸坡,从而无法统计出茨哈峡土质岸坡水下稳定坡角,因此主要利用试验资料及已运行水库工程类比进行参数取值,同时利用圆弧法搜索计算等获得塌岸预测水下稳定坡角进行佐证,结果为32°~36°㊂水位变幅带岸坡稳定坡角取最小值32°,最低水位以下岸坡稳定坡角取35°~36°㊂4　结　语通过对4种常用塌岸预测方法的适用性的对比分析认为,两段法适用条件及基本思路比较适合于茨哈峡深大水库高陡土质岸坡的塌岸预测㊂结合茨哈峡土质岸坡的独特地质结构及其它方法对两段法塌岸预测起点及库水影响带进行了修正,并提出了茨哈峡水库超高土质岸坡 三段法”预测塌岸图解模型㊂(1)塌岸预测起点修正:两段法选择历史最高洪水位作为蓄水后预测起点㊂茨哈峡水库易塌岸的岸坡主要为2种结构类型,即土质结构岸坡和土岩混合结构岸坡㊂土质结构岸坡预测起点开始于河水位以上水下稳定坡角与不稳定坡角的交点位置㊂土岩混合结构岸坡预测起点开始于土层与稳定基岩的接触部位㊂(2)库水影响带的修正:两段法塌岸预测没有考虑库水动力条件的影响,库水变幅带岸坡与最低水位以下岸坡所受的外部环境的影响明显不同,据此,将茨哈峡水库塌岸预测水下段分成两段,即水位变幅带段和最低水位以下段㊂(3)运用本文提出的 三段法”预测塌岸图解模型,进行了茨哈峡水库土质及土岩混合岸坡塌岸预测,基本符合对本库岸塌岸机理的研究结论,在2016年中国水利水电建设工程咨询有限公司,对‘黄河茨哈峡水电站可行性研究阶段库岸稳定㊁水库塌岸㊁浸没等水库影响区专题报告(咨询稿)“咨询中,得到了专家认可㊂本方法可在类似工程中进行推广应用㊂参考文献:[1]　李智毅,杨裕云.工程地质学概论[M].武汉:中国地质大学出版社,1994:293-296.[2]　张咸恭.专门工程地质学[M].北京:地质出版社,1988:236-240.[3]　张咸恭,王思敬,张倬元,等.中国工程地质学[M].北京:科学出版社,2000:289-291.[4]　彭土标.水力发电工程地质手册[M].北京:中国水利水电出版社,2011:227-234.[5]　RA Bagnold.An approach to the sediment transport problem fromgeneral physics[J].US Geology Survey Professional Paper,1966,422(01):231-291.[6]　张倬元,王士天,王兰生.工程地质分析原理[M].北京,地质出版社,1994:482-488.[7]　汤明高.山区河道型水库塌岸预测评价方法及防治技术研究--以三峡水库为例[D].成都:成都理工大学,2017:88-95.[8]　王跃敏,唐敬华,凌建明.水库坍岸预测方法研究[J].岩土工程学报,2000,22(05):569-571.[9]　刘天翔,许强,黄润秋,等.三峡库区塌岸预测评价方法初步研究[J].成都:成都理工大学学报,2006,33(01):77-83.12西北水电㊃2019年㊃第1期===============================================。