利用 BSTEM模型分析库岸边坡形态对其稳定性的影响

冉 冉,刘艳锋

(西北大学 城市与环境学院,陕西西安 710127)

0 引言

库岸稳定性取决于最大崩塌临界机制的驱动力和抵抗力的平衡,具体二者的平衡又取决于库岸几何形态和结构、库岸岩土物质组成、水流特性、库岸植被措施以及气候条件等[1-2]。其中最直观的是边坡形态,在其他条件相同情况下,坡度越大越危险,库岸坡高越高越容易产生崩塌[3]。文献[4]通过对河道崩岸影响因子的量化分析,得出在自然因素中,水流动力条件占主导地位,河床边界条件其次。影响库岸边坡稳定性的地形因子也很多,如坡度、坡长、坡高、坡脚坡度、库岸形态等。库岸边坡是库岸稳定性的最基本条件,表征地形的主要指标是坡度和坡高以及库岸形态。为此,本文选取三峡库区忠县石宝镇段为例,利用 BSTEM模拟分析库岸边坡形态对其稳定性的影响,将有助于研究库区崩岸侵蚀的危险性,对库岸防治措施具有指导作用。

1 研究区概况

长江三峡水库位于我国内陆腹心,地处东中西三大自然经济梯度带的过渡区域,是区域社会经济发展的枢纽,也是长江流域重要的生态屏障。自从三峡水库采取“蓄清排洪”的运行方式后,水位季节性的变化在库区形成了两条落差为 30m的季节性涨落带,称为三峡库区消落带,面积达 349 km2。在人工调度下,三峡库区消落带成为水位反复周期变化的干湿交替区,在浪涌、径流等作用下,增加了消落带库岸的不稳定性,易发生崩岸现象,进而风浪冲击、水流冲刷造成土壤侵蚀。

地表组成物质是侵蚀的对象,其性状直接影响水土流失的强弱。消落带基岩类型主要为紫色岩、碳酸盐岩和石灰系等地层的泥盆。消落带土壤类型和分布受母岩的控制,分布相对集中[5]：河流阶地、丘陵谷地和盆地土壤以冲积土、紫色土和水稻土为主;山地土壤主要是石灰土和以砂泥岩为母质的沙砾石,天然河漫滩上主要分布砾石裸地和沙滩。石灰土一般质地粘重,透水性差,易于产生地表径流;而在紫色砂泥岩地区发育的紫色土结构水稳性很差,遇水极易分散、崩解,为易蚀性土壤,且土层浅薄,耕作层以下即为母岩层,土壤容蓄水量少,径流系数高,在失去植被保护、降雨较大的情况下,易发生强烈的侵蚀。

2 研究方法

2.1 实地调研测量

在三峡库区忠县石宝镇段,沿着江边根据库岸剖面自然形态采用目测法,在 145 m水位时选取了 9个典型岸段,用皮尺测量了岸段长,岸高、坡脚长度,用罗盘测量了岸坡、坡脚坡度等参数,以便用 BSTEM模型中对岸段边坡形态分析。

2.2 BSTEM模型

BSTEM(Bank Stability and Toe Erosion Model)模型是由美国国家泥沙实验室(NSL)提出的,用来预测河岸稳定性及坡脚侵蚀速率,经历了多次修改,目前用的是版本 5.0。模型整合了河岸稳定性分析和坡脚侵蚀两种过程,即两个模块：BS(Bank Stability)和 BTE(Bank Toe Erosion)。该模型主要通过对河岸几何形态的模拟,结合极限平衡方法,分析土壤抗剪强度,确定河岸安全系数 Fs,并根据土壤可蚀性和临界剪切力计算坡脚侵蚀速率及总量。

岸坡稳定性模块(Bank Stability)模块结合三个极限平衡函数来计算库岸稳定系数 Fs。模型通过库岸边坡形态参数运行宏命令生成河岸剖面,然后结合库岸土壤类型特征、植被覆盖、地下水位及孔隙水压力等计算得安全系数 Fs。若Fs＞1.3,则说明库岸稳定;若 1.0≤Fs≤1.3,则说明库岸条件稳定;若 Fs＜1.0,则说明库岸不稳定的。

坡脚侵蚀模块(Bank Toe Erosion)通过计算临界剪切力和不同物质组成的土壤可蚀性,并结合水流参数、库岸形态等参数确定库岸坡脚侵蚀速率及总量。

E=kΔt(ι0-ιc)

其中,E为侵蚀距离(m),k为可蚀性因子(m3/Ns),Δt为时间间隔(s),ι0为平均边界剪切力(Pa),ιc为临界剪切力(Pa)。

3 研究内容

3.1 库岸边坡形态类型

坡形是指一个斜坡的垂直剖面形态,一般可以直观地将它们划分为直线型坡、凸型坡、凹型坡,以及由 3种坡形不同组合而成的复合型坡[6]。斜坡的坡形直接地反映了在内外营力作用下坡体演变的历史过程。凸型坡和凹型坡反映地壳急剧隆升或者河流急剧下切的演变历史;直线型坡则意味着内外营力处于平衡状态[7]。因此不同坡形所反映的内外营力也同样控制着崩塌的发生状态。对三峡库区库岸斜坡而言,水库水位的抬升类似于地壳的下降;其水库附近的坡形将决定崩塌应力调整的方式。

根据调查范围内沿三峡库区忠县岸段的岸坡分布特征,可将库岸段划分为以下四种坡型,如表 1,图 1所示：

表1 岸坡类型划分表

图1 岸坡类型示意图

3.2 库岸崩塌的形式

库岸崩塌破坏是各种因素综合作用的结果,但由于影响因素组合不同,变形破坏的具体方式、响应机制有别。一般有三种崩塌机制：剪切崩塌、悬垂崩塌和张力崩塌[1]。根据库岸的变形破坏方式,结合影响因素和形成机制可划分为若干类型。三峡库区的库岸崩塌主要受三峡水库蓄水后,水位的骤然升降,使库岸前缘的大部分坡体处于河水浸泡下,导致岸坡发生破坏。按照产生的力学机理和破坏模式,可将其分为长缓坡倾倒式崩塌、短陡坡滑落式崩塌、悬臂坠落式崩塌、冲刷回旋式崩塌四种(如图 2a-d所示)。其破坏机理如下：

图2 消落带库岸崩塌类型

1)长缓坡倾倒式崩塌：库岸土体在自重力、地下水及库水位、径流等因素共同作用下,沿某一软弱面产生一种以水平运动为主的破坏形式,即发生滑落式崩塌。

2)短陡坡滑落式崩塌：土体在张裂缝作用下,加上坡脚水流淘刷作用,土体由顶部发生剪切滑落,形成崩塌。

3)悬臂坠落式崩塌：坡脚易侵蚀性土壤浸泡在水中,水流与浪涌相互作用对底部进行不断地淘刷,而上部粘性土体逐渐形成悬臂式。继续掏挖、冲刷,悬垂土体在重力和剪切力作用下发生坠落崩塌。

4)冲刷回旋式崩塌：底部受水流、浪涌冲刷,上部土体张裂,发生小块崩塌,在浪涌与降雨径流作用下冲刷翻滚带走,使得库岸不断后退。

BSTEM模型主要模拟了短陡坡滑落式崩塌(b)和悬臂坠落式崩塌(c)两种由于剪切发生的崩塌类型,因此本文也只考虑了这两种崩塌方式。

3.3 库岸边坡形态对其稳定性的影响

从库岸查勘中可知,三峡库区忠县崩岸段库岸,其上层粘性土层一般都呈现直立状,这是崩岸中岸坡土体下滑时剪切的结果,而且在水流作用下总是保持相对稳定状态,指导下一个崩岸发生[8]。库岸边坡形态指岸坡的高度、长度、坡度、坡脚长、坡脚坡度、平面形态、剖面形态以及临空条件等。边坡形态对库岸的稳定性有直接影响。

3.3.1 岸高对库岸稳定性的影响

在三峡库区忠县石宝镇段145m水位状态下,沿江边根据库岸坡面自然形态选取了 9个典型岸段,各参数如表2 所示。

表2 典型岸段边坡形态参数表

对于一般边坡来说,根据统计资料[9]表明,绝大多数崩塌发生在坡高大于 20m的边坡上,坡高越高,崩塌的概率越大。而对于三峡库区库岸来说,多为蓄水前的梯平地或是坡耕地,属土质边坡,所以岸高较低,基本在 1～5 m之间。由于有水位骤降、水流、浪涌冲刷的作用,降低了较低土质库岸稳定性,也容易发生崩塌。

考虑到边坡物质对其稳定性的影响,用直剪试验分情况分层测试了边坡物质的抗剪强度。三峡库区忠县岸段为均质易蚀性粘土物质,但含水量不同,抗剪强度参数有所不同,因此,分 45°和 60°情况下用同一组参数 ,75°和 90°情况用同一组参数。结果如表3 ：

表3 直剪试验强度参数表

分层为从岸顶向下,分别为 1,2,3,4,5。

根据所选岸段,分别在坡度相同的情况下(45°、60°、75°、90°),都为均质易蚀性粘土岸段 ,分 1.2 m、2.8 m、3.5 m、4.5m、5m五个不同高度,在 BSTEM模型中运行,模拟得出库岸形态、剪切角和剪切高度,进而评估库岸稳定性。模拟得出的库岸安全系数 Fs越大,说明库岸越稳定。若 Fs＞1.3,表明库岸稳定;若 1.0≤Fs≤1.3,表明库岸条件稳定,即稳定但仅有较小的安全容限;若 Fs＜1.0,则说明库岸不稳定,需要采取措施防治崩塌造成水土流失。

表4 不同高度、不同坡度下的Fs值

结果表明(表 4),库岸都处于稳定状态,但 Fs值差异很大。库岸越高,坡脚掏挖侵蚀越容易造成上部悬空,库岸越容易由稳定变为不稳定,Fs值越小;库岸越低,Fs值越大,库岸更容易保持稳定状态。

3.3.2 坡度对库岸稳定性的影响

从表 4可以看出,相同高度下,坡度越大,库岸越不稳定,Fs0值越小;坡度越小,库岸越稳定,Fs值越大。此外,在相同高许下,随着坡度的变化,Fs值变化并不是很明显;反之,在相同坡度下,随着高度的增加,Fs值变化却很大。尤其是高度为 1.2 m时,Fs值很大,而在 2.8 m时 Fs值不到 4。在高度为 5 m时,随着坡度从 45°增加到 90°,Fs值仅减小了0.45。可见,岸高对库岸稳定性的影响更大。

3.3.3 库岸坡面形态对其稳定性的影响

依据上述库岸类型,分别对四种坡面形态进行模拟,分析其稳定性,并计算坡脚侵蚀量。模拟的四种坡面形态如图3a-d所示。

a)凹型岸段,岸高 5 m,坡度 55°,坡脚长 4m,坡脚坡度25°,得出 Fs为 2.30,稳定。

b)凸型岸段,岸高 5m,坡度 75°,坡脚长 2 m,坡脚坡度80°,得出 Fs为 2.02,稳定。

c)上凸下凹型岸段,岸高 5m,坡度 45°,坡脚长 2m,坡脚坡度 85°,得出 Fs为 2.97,稳定。

d)上凹下凸型岸段,岸高 5m,坡度 90°,坡脚长 2 m,坡脚坡度 75°,得出 Fs为 1.84,稳定,但 Fs值较低。

图3 四种坡面形态及临界崩塌面示意图

由上可见,模拟的四种典型情况,Fs都大于 1.3,稳定,但从值的分布来看,区别明显,上凹下凸型岸段 Fs则最小,上凸下凹型岸段 Fs值最大。

库岸边坡是由岸高、坡度、岸段长、坡脚长、坡脚坡度等因素相互组合而成,即组合方式决定了库岸的边坡形态,也决定了库岸的稳定性。在分析不同形态库岸的稳定性时,除了考虑岸高和坡度之外,坡脚长与坡脚坡度也有很大影响。

4 结论与讨论

1)从模拟结果看出,坡度越陡,库岸越容易失稳,坡度越缓,库岸越稳定;而坡高越大,库岸也越不容易稳定;剖面上呈凹型的岸段较呈凸型的岸段稳定,上凸下凹型的岸段比上凸下凹型的岸段稳定;同是凹型的岸段,坡度越缓越有利于稳定。可见,坡度和岸高是库岸边坡形态指标中对其稳定性影响的关键因子。

2)影响库岸稳定性的因素除了边坡形态之外,还有库岸物质组成、植被覆盖、涌浪作用、降雨径流、地下水,以及人类工程活动等。边坡形态、库岸物质组成、地下水等是库岸稳定性的内在条件,而植被覆盖、浪涌作用、降雨径流及人类工程活动是其外在驱动因素。

3)研究库岸坡形形态对其稳定性的影响,对评价库岸的稳定性及影响因素至关重要;分析其失稳的关键因子,为针对不同岸段采取相应有效防治措施提供有力依据。

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