塌岸过程的物理模拟试验研究

塌岸过程的物理模拟试验研究

在水库的储存和运行期间，水库周围的地质环境发生了显著变化，自然平衡条件受到破坏，岸壁的磨损、侵蚀和坍塌。水库逐渐撤退到新平衡，即坍塌。国内外对水库塌岸进行了大量的研究,并从不同角度提出了诸如卡丘金法、佐洛塔寥夫法、王跃敏法等塌岸范围预测方法。但用这些方法只能预测评价岸坡稳定后最终塌岸范围,未考虑塌岸的具体发展演化情况。事实上,塌岸作为一个长期的渐进过程,与一般事物发展演化一样,有一个孕育、产生、发展、稳定的过程。欲对塌岸范围进行准确合理地预测评价,必须了解和掌握塌岸的这一过程。为了能在短时间内了解并掌握水库塌岸的时间效应和具体的发展演化过程,本文以三峡库区典型库岸段为地质原型,采用物理模型模拟的手段,对水库岸坡在长期库水作用下的具体塌岸发展演化过程和规律进行了系统地研究,并以此探讨水库塌岸的时间效应。1模型建立与观测物理模拟的地质原型为三峡库区典型的均质土坡。试验时考虑了影响岸坡破坏的内在主要因素如物质成分、岸坡坡角,外在因素为库水位变动和波浪作用。为重点研究水库塌岸随时间延续的发展演化规律,采用恒定坡角在恒定水位条件下受波浪作用的物理模拟模型。模型的几何比为1∶130,高度为0.6m,宽度为1.5m,长度为1.8m。坡体物质成分采用在三峡库区常见的库岸材料粉质粘土,不对其物理力学参数作调整。模型岸坡原始坡角取40°,模拟坡高取50m,模拟库水位156m,模拟浪高1~1.5m。建模过程中先把粉质粘土捣碎,然后将材料逐层铺放,喷水压实,最后按几何尺寸做出坡体。试验过程中采用定期观测,并在观测期间对坡体施加人工波浪作用。试验中记录坡体的变形破坏现象,停止波浪作用后,观测水下坡角、波浪侵蚀带宽度、后缘水上坡体的变化情况,然后利用几何关系计算出塌岸的宽度。通过分析塌岸随时间发展演化情况来研究塌岸的时间效应和发展规律,故对塌岸宽度与各因素的关系在此不作研讨。2试验结果表1整个试验过程历时五个半月,塌岸在试验开始三个月后就基本达到了稳定状态,为了研究的科学性与严谨性又将试验延长了两个月。坡体在水的浸泡和波浪的作用下从浅表层开始破坏,并不断向坡体内部发展。由于波浪的冲磨蚀作用,在试验中,岸坡表面的部分细粒物质被水带走并形成浪蚀龛(凹岩腔),波蚀的物质被波浪携带,搬运到坡脚,在水下形成堆积浅滩。由于长时间的作用,坡体不断形成浪蚀龛(凹岩腔),上部坡体在自重作用下不断发生坍塌,坡顶处产生了拉裂缝。坍塌的物质被波浪携带、搬运到坡脚,使水下坡角发生变化。波浪侵蚀带也不断发展,达35cm以上。最终由于波浪无法作用到坡体,且水上坡体没有继续破坏迹象时终止试验。部分试验数据见表1。图1为塌岸宽度、波浪侵蚀带宽度和坡脚前移量(水下堆积坡坡长)随时间变化的趋势图。3坍塌的发展过程与分析3.1塌岸的发生和稳定塌岸随时间延续呈现出明显的阶段性。从塌岸发生到稳定大体经历了4个阶段:①表层冲刷、②浅层磨蚀、③深层掏蚀、④岸坡稳定(图2,图3)。(1)波浪侵蚀带后果在波浪作用下,坡体表层松散的、强风化的碎屑物质迅速破坏(图4),被波浪搬运到坡脚堆积,形成浅滩,坡度变缓(但水深坡陡的岸坡难以形成浅滩)。在波浪侵蚀带后缘处形成了小陡坎(图5)。该阶段的特点是破坏速度快,波蚀带的宽度小,坡体物质大多是波浪直接冲刷破坏,物质搬运距离远,水下坡体内凹,坡角略微变缓。(2)坡体物质破坏由于浅层物质比表层物质结构紧密,塌岸发展速度有所减缓。波蚀带不断发展,坡体物质也主要受波浪冲刷磨蚀而破坏,因下部破坏而上部发生坍塌的现象开始出现。部分坡段出现浪蚀龛(凹岩腔)。该阶段的特点是破坏速度减缓,波蚀带变宽,坡体物质被磨蚀发生坍塌,水下坡体呈内凹状,水下坡角继续变缓。(3)水坡面沉积相由于波蚀带的宽度增大和坡体内部强度增加,波浪的破坏作用大大降低。波浪对波蚀带后缘处坡体的作用以掏蚀为主,使坡体在水面附近形成了大量的浪蚀龛(图6)。由于凹岩腔的不断加深,上部坡体在重力作用下和因饱水后强度降低而产生突然的、较大规模的坍塌(图7)。坍塌物质难以被及时搬运到更远的地方,水下坡角反而会因物质的不断堆积而变陡。该阶段的特点是塌岸呈阶梯状跳跃式发展,波蚀带继续变宽,后缘坡体被掏蚀,浪蚀龛不断发展并伴有突发的坍塌,水下坡体呈外凸状。(4)塌岸的发展规律波蚀带的宽度很大时,波浪在越过波蚀带后,已经很难对水上坡体造成破坏。后方坡体经过变形破坏后达到了稳定状态。水下坡体由于没有新的物质堆积,形态不会发生大的变化。在没有其他因素的作用下坡体逐渐趋于稳定状态。该阶段的特点是塌岸缓慢,各部分坡体不会发生大的变形,塌岸最终稳定。可以看出塌岸具有明显的时间效应,呈现出阶段性。当然这四个阶段并不是截然分开的。塌岸的每个阶段都有冲刷、磨蚀、掏蚀、坍塌失稳的现象发生,这是一个连续发展的过程。总体规律是坡体表面比坡体内部容易被破坏,冲刷带越宽塌岸越慢,破坏到坡体内部容易形成突然的大规模坍塌。现实中库水位是变化的,这只是改变了波浪在消涨带上的作用位置。在不同的位置上其发展规律是相同的,只不过由于作用时间长短和其波蚀与堆积情况的不同其所处的阶段不同而已,但整个岸坡的塌岸规律是不变的,其发展仍具有明显的阶段性。从塌岸发展的规律来看,第三阶段是关键阶段。第三阶段对于不同条件的边坡其持续时间、规模、形式等会有较大的差异。对于比较松散的岸坡,例如砂质岸坡,由于其自稳能力较差,在波浪作用下不易形成凹岩腔。坡体将随着坡脚的破坏而不断地发生坍塌或流土,表现出比较连续的破坏。而对于比较紧密的岸坡,诸如粘土质岸坡,由于坡体材料紧密、坡体自稳能力强,可以经受库水比较长期的作用。塌岸表现出阶梯状跳越式的发展。对于坡岸越陡的边坡在波浪的作用下容易形成陡坡和凹岩腔,也越容易发生突然的大规模的坍塌或滑移。从某种程度上说这个阶段决定了塌岸发展的速度、塌岸模式与规模大小。3.2坡体破坏稳定性分析从最终岸坡的几何形态特征可得出塌岸的终止条件为:当水下和水上坡体均达到稳定,波浪不能通过涨消带对坡体造成破坏时岸坡即达到稳定(图8)。塌岸宽度可以表示为:S=a+b+c−d−e(1)S=a+b+c-d-e(1)冲刷稳定坡的宽度可以表示为:b=(Hp+Hb+ΔH)ctgθ(2)b=(Ηp+Ηb+ΔΗ)ctgθ(2)实际中一些库岸难以形成水下堆积体,此时水下堆积体坡度接近于原始坡度。3.3塌岸预测的监测一般水库水位变化幅度大,冲刷稳定坡角多较小,这样冲刷稳定坡的宽度较大。且岸坡破坏的外动力因素主要体现在涨消带(波浪侵蚀带)上。冲刷稳定坡宽是塌岸宽度的主要组成部分。塌岸预测现大多采用经验或半经验的方法,其参数一般选择的是塌岸终止时的特征值。预测时,要将预测结果与水库最终的稳定情况比较才能作出塌岸预测是否偏大的结论,否则判断是不严谨的。进行监测的时候,除观测塌岸的发展情况外,还要注意消涨带上波浪的作用(主要是波浪对岸坡物质的搬运情况),以便准确判断塌岸是否达到终止条件。对于坍塌型的岸坡,如果完成前两个阶段,波浪将作用于坡脚,掏蚀形成凹腔,使坡体发生较大规模的坍塌,这时治理难度较大。故应较早采取坡面防护工程。4深层拾蚀阶段(1)塌岸具有明显的时间效应,大体可以分为表层冲