三峡水库塌岸预测模型研究

三峡水库塌岸预测模型研究

库水崩塌是指水库储存后，库水凹陷受到水库洪峰、波浪和船行波浪的影响，以及水和茎侵蚀的变化，这加剧了水库围岩的风化，降低了抗剪强度，降低了库水位，降低了库水位。湖水的动水压由库引发。库岸侵蚀、崩塌和滑移重建变形，导致库岸侵蚀、坍塌和滑移。三峡工程举世瞩目,其蓄水后对库岸再造和塌岸情况的预测就显得尤为重要。据水利部长江水利委员会2001年调查统计,三峡水库蓄水位175m,干、支流库岸总长5311km。库区133个城镇库岸总长462.166km,约占三峡水库库岸总长的8.7%。第二期规划已治理受135m蓄水影响的库岸79km。第三期规划两省市(重庆市、湖北省)上报需工程治理库岸259段363km。第三期规划阶段地质调查库岸787段358.8km。三期实际规划工程治理库岸407段,总长169.5km。多年来,库岸坍塌又是鲜有人涉足的工程技术领域,对于这方面的研究不多。目前,国内外对塌岸的研究主要集中于一般土质(黄土、砂土)岸坡,,对山区型水库库岸稳定性的研究成果较少;现行的塌岸预测方法基本仅适用于平原地区冲(磨)蚀型库岸,对山区河谷型的三峡水库库岸适用性差,这一点在三峡库区三期塌岸规前勘察过程中显得异常突出。因此,急需建立起一套适合三峡库区使用的塌岸预测方法体系。本文拟对此问题进行初步研究。1慢行走形结构面在大量的现场地质调查和勘探的基础上,考虑库水位的变化及水库库岸变形破坏的机理,三峡库区塌岸类型可划分为冲(磨)蚀型、坍(崩)塌型和滑移型三种类型。a.冲(磨)蚀型:在库水、地表水及其他外营力的作用下,岸坡表面物质逐渐被搬运带走,从而使岸坡坡面产生缓慢后退的再造形式。一般发生在地形较缓的土质岸坡及基岩岸坡的全-强风化带中。此种再造类型具有缓慢性及持久性,规模一般较小。b.坍(崩)塌型:岸坡坡脚在库水长期作用下软化或被淘蚀,岸坡上部失去支撑,从而造成局部下错坍塌。此种类型一般发生在地形较陡的土质岸坡及基岩岸坡严重卸荷裂隙发育带内,具有突发性,特别是在暴雨期间或库水位急剧变化时最易发生。c.滑移型:在库水作用及其他因素的影响下,岸坡沿某一软弱结构面产生一定规模的整体性滑移失稳。此种再造类型具有规模大、危害性强等特点。沿岸滑坡堆积体和中陡倾基岩面上的松散覆盖层在库水作用下,其稳定性均有所下降,滑移型再造一般发生在此类库岸。2预测三楼坍塌的方法2.1自然地质条件的优化目前预测水库塌岸或水库岸坡再造规模的方法主要有类比法、动力法和统计法。由于自然地质条件的复杂多变性,迄今为止的预测方法多属于经验性或半经验性的,还没有严格的物理和数学方程能够解决此类问题。但这些基于工程实践的预测方法,在实际工作中仍然被广泛地使用。2.1.1岸坡最终塌岸预测宽度的计算卡丘金于1949年提出岸坡最终塌岸预测计算公式,其实质是依据实测的洪、枯水变幅带各类岩性岸坡长期稳定坡角,根据几何关系用图解法求解岸坡最终塌岸预测宽度,其精度取决于计算参数的选定。考虑到计算参数大多选自经验值,因此,在实际预测时必须对类似水动力条件和类似岩土体条件下的已有岸坡塌岸进行观测,以获得相应的较为可靠的计算参数。有时参考水库蓄水前的洪、枯水位变幅带岸坡形态数据来计算,也具有较好的预测效果。适用于黄土类土层及平原地区水库的塌岸预测。2.1.2种水位场景的岸宽度预测此法为前苏联学者佐洛塔寥夫(Г.С.золатарев)于1955年提出,通过图解法进行岸坡最终塌岸宽度预测。对于松散堆积岸坡(残坡积、崩坡积、滑坡堆积以及人工弃渣岸坡),大型水库的中、下游地段,一般采用佐洛塔寥夫提出的图解法。该法认为:水库中下游地段,水深较大,水面较广,波高增加,对库岸的破坏波浪作用是主要的。塌岸后的岸坡可分为浅滩外缘陡坡、堆积浅滩、冲蚀浅滩、爬升带斜坡以及水上岸坡带等。2.1.3考虑复杂的模型在水库风波浪和船行波浪的长期作用下,岸坡断面将逐渐调整至平衡位置,形成平衡断面。根据水库运行性质、波浪作用规律,以及岸坡岩土体工程地质特征,运用水力学、泥沙运动学等理论以及实际观察数据,可以建立基于经验的数学模型,用于预测此平衡断面,从而获得水库塌岸的空间规模。该方法要求太高,实用性差。2.1.4单位宽度法kp动力法的预测依据是塌岸量与波能和岩石抗冲刷强度之间的“关系方程”:Q=E⋅Kp⋅tbQ=E⋅Κp⋅tb式中:Q为库岸在单位宽度内被冲刷的岩土体的体积(m3/m);E为波浪作用于单位宽度库岸的动能(t·m);Kp为岩土体的抗冲刷系数(m3/t);t为水库运营年限;b为经验常数,取决于滨岸浅滩中堆积部分宽度,变幅为0.45~0.95。该法有一定的物理依据,但“关系方程”的建立同时也需要一定量的观测样本。在海洋工程科学领域该方法已得到一定程度的应用,在水库较少使用。2.1.5水下稳定岸坡线和水上稳定岸坡线的组成王跃敏等经过近10年数十处水库塌岸的调查、研究,提出用“两段法”的塌岸预测设计。其原理为: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时,水下稳定岸坡线由原河道多年最高洪水位及水下稳定坡角确定,水上稳定岸坡线由设计洪水位和毛细水上升高度及水上稳定坡角确定。该法适用于中国南方山区的峡谷型水库,库面较窄,风浪作用较小,岸坡地层为粘性土、砂性土、碎石类土、弃碴及岩石的全风化地层,有较完整的水文、气象等资料。2.2预测结果不太合理三峡库区地质条件复杂多变,直接应用以上各种塌岸预测方法进行三峡水库岸预测时,部分塌岸预测的结果不太合理,有时其结果甚至相差很远。所以本文在通过全面而系统地类比已建水库塌岸资料和对三峡库区百余处库岸的塌岸范围预测基础上,总结出在进行像三峡库区这种山区型库岸的塌岸预测时,应该根据库岸的不同类型,建立适合的塌岸预测模型。2.2.1下堆积坡角n经过大量的实例预测验证和分析,在总结前人经验和思路的基础上,针对冲(磨)蚀型和坍(崩)塌型库岸,提出了适合三峡库区这种山区型水库的预测方法——岸坡结构法。岸坡结构法的主要原理就是根据岸坡上各种不同物质的水下堆积坡角、冲磨蚀角、水上稳定坡角,和水库的设计低水位、设计高水位来进行预测,也是一种图解法和类比法。图1中:θ1和θn代表不同物质的水下堆积坡角;α1和αn代表不同物质的冲磨蚀坡角;β1和βn代表不同物质的水上稳定坡角;A,B,C为水位线与塌岸再造线的交点;D为塌岸再造线与地形线之间的交点;E为设计高水位与地形线之间的交点;L,M,N为物质分界线与塌岸再造线的交点;b为塌岸再造宽度。塌岸预测特征角度的确定:首先大量调查待预测库岸段各种物质的水下堆积坡角、冲磨蚀角和水上稳定坡角,然后进行统计,求其加权平均值。具体图解为:以死水位与岸坡交点A为起点,以不同物质的水下堆积坡角θ1,θ2,…,θn为倾角依次作线,该线延伸至与设计低水位线相交于点B;再以B点为起点以不同物质的冲磨蚀坡角α1,α2,…,αn为倾角依次作线,该线延伸至与设计高水位线相交于点C;又以C点为起点以不同物质的水上稳定坡角β1,β2,…,βn为倾角依次作线,该线延伸至与岸坡地形线相交于点D,则D与E两点之间的水平距离即为预测的塌岸宽度b(图1)。该法适用于三峡库区这种山区河谷型、结构型水库的冲(磨)蚀型和坍(崩)塌型库岸,岸坡地层为粘性土、砂性土、碎石类土、弃碴及岩石的全风化地层。该法易于操作,便于工程人员使用。根据大量的预测结果,可以看出塌岸预测的结果合理,基本符合地质判断。2.2.2预测结果不不符对于滑移型的塌岸类型来说,传统的折线型预测方法从原理和变形破坏机制上来说就不适用,所以预测的结果会与实际情况极不相符。为此通过大量的实例研究,本文提出了极限平衡搜索预测法和FLAC3D数值模拟预测法,应用在这种塌岸类型中是较为合适的,而且两种方法的预测结果基本一致。(1)土坡稳定性验算极限平衡法搜索预测法是建立在极限平衡理论基础上的一种塌岸预测的新方法。它是以条分法为基础,将土坡划分为多个土条,分析各个土条所受的各种下滑力和抗滑力,用土条上的全部抗滑力矩与滑动力矩之比来定义土坡稳定性安全系数,而不必考虑岩体的应力应变关系以及边坡的变形。因此,该方法具有概念明确,算式简洁,计算速度快等优点;再加上现有相关软件可以根据不同的塌岸类型,建立库岸模型,选取适当的方法(如Bishop条分法、Janbu条分法、Morgenstern-Price法、有限元法等)自动搜索出岸坡在正常蓄水后最不利设计工况下的最不稳定破裂面,并计算出其安全系数。所以能快速而简便地进行塌岸范围的预测,以达到塌岸预测的目的。(2)flac数值分析方法的优缺点FLAC是力学计算的数值方法之一,快速拉格朗日差分分析是将计算域划分为若干单元,单元网格可以随着材料的变形而变形。这种算法可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形,尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析等领域有独到的优点。FLAC程序的基本原理和算法与离散元相似,在求解过程中,FLAC采用了离散元的动态松弛法,不需要求解大型联立方程组(刚度矩阵)。同时,同以往的差分分析方法相比,FLAC还可以模拟岩土体沿某一软弱面产生的滑动变形。正因为其自身的这些优点,可以将这种方法引用到塌岸预测中来,通过FLAC3D数值模拟计算出在三峡蓄水后最不利设计工况下岸坡坡体上的位移量和最大剪应力集中区,从而确定岸坡的稳定性和最不稳定的破裂面(即滑面)位置,建立塌岸预测的数值计算模型。这两种预测方法适用于三峡库区这种山区型水库库坡在库水作用、降雨及其他因素的影响下,将有可能沿着软弱结构面或已有的滑动面向江河发生整体滑移的库岸。3岸基评估方法的应用和研究3.1岸坡结构法-卡丘金法的预测结果选取三峡库区一个较为典型的坍(崩)塌型的例子,即重庆市北碚区文星湾1-1’剖面(图2),用岸坡结构法和传统预测方法中最有代表性的卡丘金法、两段法分别对其进行预测,以评价岸坡结构法和传统预测方法在预测三峡库区这种坍(崩)塌型库岸时的适用性。该库岸位于重庆市北碚区文星湾大桥下游100m马鞭溪右岸,为土质岸坡,岸坡上植被发育,岸坡顶部为居民区,岸坡中前部为第四系人工堆积层和冲积层,其上可见小范围的浅层滑塌现象,第四系堆积层厚度较大,结构松散-稍密,库岸岸坡在天然状态下整体稳定性较好。该库岸的粉质粘土(Q4al)水下稳定坡角为14°,冲磨蚀角18°,水上稳定坡角26°,人工填土(Q4ml)的水上稳定坡角28°,原始岸坡坡角34°。卡丘金法塌岸预测宽度为57.5m,两段法的预测宽度为46.7m,岸坡结构法的预测结果为32.2m,用三种方法进行该剖面的塌岸宽度预测的结果见图2。从三种方法的预测结果可以看出,对于三峡库区冲(磨)蚀型、坍(崩)塌型塌岸预测来说,卡丘金法和两段法的预测塌岸范围明显偏大,而岸坡结构法的预测结果较为符合实际和地质判断。同时,作者还将这三种方法用来评价和预测了三峡库区其它60多处冲(磨)蚀型、坍(崩)塌型的土质岸坡,其总体规律与该剖面的预测结果比较一致。总的来说,卡丘金法和两段法对于三峡库区这种塌岸类型的岸坡的预测结果普遍偏于安全,而岸坡结构法的预测结果更加合乎常理和地质规律,所以可以用它来进行三峡库区冲(磨)蚀型、坍(崩)塌型的塌岸预测。但是,在实际的工程应用中,可以结合卡丘金法和两段法等传统预测方法的预测结果进行校核和综合判断预测。3.2传统预测方法预测结果的对比选取三峡库区一个较为典型的滑移型的例子,即重庆市南岸区兰草溪2-2’剖面(图3)。主要用极限平衡搜索法和FLAC3D数值模拟对其进行预测,并与卡丘金法、两段法等传统预测方法的预测结果比较,以评价这两种方法在预测三峡库区这种滑移型库岸的适用性。该库岸位于重庆市南岸区峡口镇兰草溪。兰草溪左岸,为土质岸坡,岸坡上陡中缓下稍陡,岸坡中后部分布有人工堆积体,人工堆积体厚度较大,第四系覆盖层结构松散,坡体顶部为公路和民房,该岸坡在天然状态下的稳定性较差。该库岸的水下休止角23°,冲(磨)蚀角15°,水上稳定坡角32°,原始岸坡坡角33°。3.2.1岸坡两侧法改变用卡丘金法预测的塌岸宽度为79.1m(图3),这个预测宽度也就意味着岸坡后部的基岩也会随水位的上涨最终坍塌;但是在实际情况中这几乎是不可能的。而两段法更是完全画不出塌岸的范围。对这种类型的库岸来说,两段法是完全失效的,卡丘金法明显偏于保守,这两种方法均不适用于滑移型库岸的塌岸预测。3.2.2稳定性验算根据极限平衡法的原理和该库岸的物理力学参数(表1),对该剖面进行塌岸预测(图4)。可以从结果图中看出:当三峡水库蓄水至175m正常运营期间,按最不利设计工况考虑岸坡的稳定性系数仅为1.078;也就是说该库岸在暴雨期间或库水位急剧变化时较容易发生滑移失稳,说明该岸坡受水位上升的影响较大,塌岸迹象较为明显。3.2.3水位上升过程中岸坡的稳定性下面重点研究和模拟该库岸在三峡水库蓄水至175m以后的稳定性和预测坍塌范围(图5、图6)。从蓄水后的位移图和剪应变增量图可以看出:当水库蓄水至175m水位后,在水库的正常运营期间,岸坡的最大位移达到了16~18.5cm,岸坡出现了明显的贯通的剪应力集中带,即出现了明显的滑面,说明水位的上涨对岸坡的影响较大,使岸坡的稳定性明显降低。三峡蓄水后应对该岸坡加以相应的治理措施。3.2.4基于极限平衡法和flac3数值模拟方法的对比通过以上的分析,我们得到了这几种典型方法对该滑移型库岸的预测宽度