摘 要:通过对汾河水库的实地调查,查清了该库目前存在的地质灾害,其中不稳定斜坡6处,滑坡6处,文章以汾河水库为例探讨库岸边坡特征及进行库岸边坡稳定性分析的方法,并对库岸边坡坍塌的预测和治理提出建议。
关键词:边坡特征;库岸边坡;稳定性分析
Abstract: The author passes the field investigation of Fen river storehouse correctly, having investigated the geological calamity existing at present in this storehouse, unstable slope among them is 6 the place,6 landslides, the article takes Fen river storehouse as an example, have probed into the bank slope characteristic of the storehouse and carried on the bank slope stability analysis of the storehouse method,it is and at storehouse bank the slopes put forward suggestion of prediction and the administration that collapse.
Key words: slope characteristic ; bank slope of the storehouse; stability analysis
汾河水库地处山西省中西部,太原市西北的吕梁山区腹地,属于太原市郊区范围。自从建库以来,水库周边地区不断地有地质灾害,而且库岸处于湿陷性黄土区,库区塌岸问题普遍存在。据调查,水库在蓄水初期、高水位情况下、汛期洪水到来之时, 塌岸现象反映得最为强烈。库区塌岸不仅侵蚀了大片耕地还影啊到库区附近居民住宅的安全对群众生命财产和正常的生产、生活,同时也是水库泥沙淤积的重要来源之一。
1 地质灾害现状
1.1 水库库岸坍塌地质灾害
汾河水库地处娄烦县境内的黄土丘陵沟壑区,为第四纪沉积层,有很厚的黄土覆盖层,库岸为地形变化复杂的黄土丘陵和土石山区。由于黄土的垂直节理发育和崩解性、湿陷性,并且在外在的因素影响下、在蓄水浸泡和水浪淘蚀作用下,库区塌岸现象极其严重。据实测,库区塌岸线总长70 km,已坍塌土方3 529万m3,毁坏耕地约
33 518 hm2,目前尚有47 km的库区塌岸线仍然坍塌严重[6],在库岸两侧形成较为严重的库岸坍塌。汾河水库左岸新修的公路路面出现许多裂缝,尤其是靠近库岸的公路更是严重。
1.2 影响水库库岸边坡坍塌的因素
水库库岸大部分为第四纪黄土属于湿陷性黄土构成库岸的第四纪黄土,黄土状亚砂土、亚黏土和黏土,垂直节理发育,在自然状态下极限稳定坡角在以上,特别是黄土所具有的湿陷性,受库水的长期浸泡,很容易形成塌岸。首先是库岸土体的物理力学指标和水理性质发生了变化,自身结构遭到破坏,引起土粒分散和位移,见图1。
随着孔隙水压力的增加,土体内摩角、凝聚力减少,抗剪强度骤然降低。同时,随着库水位骤涨陡落以及水位降低后补给河流的地下水出流,能洗掉土体颗粒间易溶的胶结物,使土体黏结力降低,极细颗粒随地下水逸出。这样岸壁土体在动水压力作用下,基底失去平衡,在上部重力作用下,即造成陡崖立岸的崩塌或座塌。暴雨径流侵蚀、风蚀冻融以及地震等影响,加速了塌岸的进程。如此恶性循环是库岸坍塌持续发生、发展的根本原因所在[2]。
1.3 水库库岸边坡坍塌的形成机理及稳定性分析
调查采用毕肖普等将边坡稳定安全系数Fs定义为沿整个滑裂面的抗剪强度τf,与实际产生的剪力T之比,即
在滑动土体n个土条中任取一条记为i,作用于土条上的各种力见图3,土条上作用的已知力有:土条自身重量Wi,水平作用力(例如地震惯性力)Qi,作用于土条两侧的孔隙压力(水压力)Ui、及Ui+l,以及作用于土条底部的孔隙压力Ur。另外,当滑裂面形状确定以后,土条的有关几何尺寸如底部坡角αi,底长Li以及滑裂面上的强度指标Ci,tgφi也都是定值。
从图2可知,共计有5n～2个未知量,而我们所能得到的只有各土条水平方向及垂直方向力的平衡以及力矩平衡共3n个方程。因此,边坡的稳定分析问题实际上是一个高次超静定问题,平衡方程不足,在数学上是不能求解的,可是在工程上又必须解出来。如果把土条取得极薄,土条底部Ti及Ni合力作用点可近似认为作用于土条底部的中点,ai为已知。这样未知量又减少了n个,与方程数相比,还有n-2个未知量无法求出,要使问题得解就必须建立新的条件方程。这有两个可能的途径:一种是引进土体本身的应力—应变关系,但这会使问题变得非常复杂;另一种就是作出各种简化假定以减少未知量或增加方程数,这样的假定大致有下列3种。
(1)假定n-1个Xi值。最简单的就是毕肖普在他的简化方法中假定所有的Xi均为零。
(2)假定Xi与Ei的交角或条间力合力的方向(这个方向通常均需要通过试算加以确定)。
(3)假定条件力合力的作用点位置。例如简布提出的普遍条分法。
作了这些假定之后,超静定问题就可以转化为静定问题,问题可以得解。而且,一般来说,这些方法都并不一定要求滑裂面是个圆柱面,但各类方法的计算步骤大都仍然非常复杂,一般均需试算或迭代。如果考虑土条间力的作用,可以使稳定安全系数得到提高,但任何合理的假定其求出的条间力必须满足下列两个条件:
(1)在土条分界面上不违反土体破坏准则。亦即由切向条间力得出的平均剪应力应小于分界面土体的平均抗剪强度,或每一土条分界面上的抗剪安全系数F0必须大于1(作为平衡设计,Fr应不小于Fs)。
(2)一般地说,不允许土条之间出现拉力。
研究表明,为减少未知量所作的各种假定,在满足合理性要求的条件下,其求出的安全系数差别都不大,能够满足工程要求。但需指出,采用极限平衡法来分析边坡稳定,由于没有考虑土体本身的应力—应变关系和实际工作状态,所求出的土条之间的内力或土条底部的反力均不能代表边坡在实际工作条件下真正的内力或反力,更不能求出变形。我们只是利用这种通过人为假定的虚拟状态来求出安全系数而已。
1.4 分析结果
根据平衡分析方法得出结果:所有库岸都会受到水库水位升降的影响:一是在直陡段,岸坡高度7 m～26 m,坡度大于70°,如:西岸的峰火沟两侧、娄烦镇以北和库区东岸的羊圈庄村一带,此段受水面沉降的影响和波浪的冲击比较大,较容易产生滑坡和崩塌;二是缓坡+直陡段,岸边有一段缓坡,坡长7 m～15 m,坡度在30°左右,缓坡以上是直陡岸坡,高度5 m～17 m,坡度大于70°,如:西岸大坝至峰火沟一线此段库岸比较稳定易发生小的坍塌,也可有产生滑坡的可能性;三是缓坡段,岸边均为缓坡,坡度在28°左右,如库区东岸大坝至羊圈庄村、盐市崖至庙湾乡和西岸西街村两侧此段水面沉降的影响最大,容易出现地面塌陷,是比较容易发生滑坡的地段;四是一般段,岸坡高1 m～3 m,坡度在45°左右,如:库区东岸的常家坡一带,此段比较稳定,会产生一些面塌陷,受波浪影响水土流失比较严重。
2 汾河水库库岸边坡的防治建议
通过对库岸的稳定性分析结果和水库库岸地质灾害现状,结合水库库区的地质因素、水文因素、地形因素和其他因素,可以使我们对库岸的灾害进行准确预测,这一工作也是多数大中型水库在开展的工作项目,目的是进行坝区附近的地质处理,对于库区塌岸的防治和治理较少涉及采取水图保持综合防治措施解决塌岸,不仅要通过预测分析确定塌点、塌宽及分布情况,更主要的是通过预测分析来摸清库岸坍塌演变情况,掌握塌岸发育、发生、发展的规律,为确定防治方案提供依据。
(1)尽量排除滑坡区域内的地表水或防止滑坡区域外的地表水流入滑坡区。主要采取设置滑坡体外的截流沟,以阻止滑坡体外的水流入;开挖滑坡体表排水沟以排除雨水或滑坡体内涌出的泉水,防止其渗入滑坡体内;做好滑坡区的生态建设,如植被保护和绿化等。
(2)尽量引出滑坡体内的地下水。对于滑坡体内的地下水可疏而不可堵,将其排出至关重要。主要采取建截水墙、钻水平孔洞、盲洞、渗管、渗井、垂直钻孔等多种方式将滑坡体内的水排除。
(3)尽量防止河水、库水对滑坡体坡脚的冲刷。主要在滑坡体上游严重冲刷的地段修筑促使主流偏向对岸的“丁字坝”;在滑坡前缘抛石或铺设石笼等。
(4)削坡减载。对于有些岸坡“头重脚轻”而在前方又没有可支撑岸坡的,可使滑体外形得到改善,重心降低,从而提高滑体的稳定性。
3 结论
水库库区岸坡坍塌是目前水库运行中面临的一个较为棘手的问题,本文通过对娄烦县汾河水库地质灾害进行了实地调查,基本查清了该水库库岸边坡地质灾害的现状特征,从各种因素考虑并通过各种方法对库岸边坡进行稳定性分析得出了库岸边坡初步给出了各类灾害的分布规律和形成机制,得出以下主要结论:汾河水库库岸大部分由湿陷性黄土覆盖,由于黄土的特性,所库岸坍塌主要受库水位变化和波浪作用的影响。库水位变化使土体产生渗透变形, 波浪对岸壁土体进行淘刷,即岸壁再造运动以及对塌落物质进行搬运加速了塌岸的进程。再就是降雨和冻融同时加速了库岸再造过程,这些都对库岸边坡造成了很大的威胁,只有对水库进行工程治理和水土保持综合防治才能从根本上减少库岸边坡对水库的威胁。
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