近坝库岸边坡稳定分析

柳申周

（山西省水利水电勘测设计研究院 太原 030024）

0 引言

山西省是砂页岩广泛分布区，有半数以上水库建在这些地区。坝址一般选在河谷较窄河段，两岸边坡一般较陡，大部分边坡下部为基岩，上部为黄土覆盖。近坝库段库水位涨落幅度大，水库蓄水对库岸边坡的浸润和频繁的水位升降，岩土体产生的渗透压力对库岸稳定的影响十分显著。近坝库岸靠近或直接与大坝接触，岸坡一旦坍滑，不仅淤塞水库，而且对水库安全运行将造成影响。张峰水库是砂页岩地区近坝库岸边坡可能发生坍滑的一例。张峰水库位于山西省晋城市沁水县郑庄镇张峰村沁河干流上。张峰水库属大（2）型二等工程，大坝最大坝高66.1 m，正常蓄水位位于坝顶以下4.8 m，总库容3.89亿m3。

1 近坝库岸工程地质条件

张峰水库大坝左岸上游近坝库岸为沁河Ⅲ级基座阶地，阶地基座前缘基岩面位于正常蓄水位以下23～27 m，基座之上堆积0.5～4.8 m厚的底砾石层，底砾石层之上发育厚5～40 m的淡红色低液限黏土层。在库水的长期作用下，将造成土体淘蚀破坏，影响坝肩土体稳定。

大坝左岸近坝库岸为沁河流向由东-西方向折向由北西-南东方向形成河流凸岸的三角形地带。上游沁河左岸岸坡呈东-西方向，岸坡下陡上缓，下部为岩质岸坡，地形坡度50～80°，上部为土质岸坡，地形坡度 10～45°。下游沁河左岸岸坡呈北西-南东方向，沿Ⅲ级基座阶地前缘有基岩出露，形成陡坎，阶地上为土质岸坡，岸坡下缓上陡，地形坡度8～27°，发育一条较大的黄土冲沟。

1.1 基岩工程地质条件

大坝左岸近坝库岸基岩由三叠系下统刘家沟组（T1l）紫灰色较坚硬的细砂岩与紫红色较软弱的粉砂岩互层夹砾岩组成。基岩面位于正常蓄水位以下23～27 m，南部基岩面较低，由南向北和由西向东方向逐渐抬高，其东北部基岩面最高。从基岩陡坡观察，基岩岩层产状略向上游倾斜，倾向NW，倾角 3°～6°。节理裂隙主要发育两组，其中走向 N20°～40°E 的一组节理裂隙相当发育，N30°～50°W一组发育数量虽少，但裂隙较宽，且延伸长，岸边部位因风化及卸荷作用而张开，裂隙面宽度一般为1～15 mm，最大达20 cm，除隙壁有钙质薄膜外，大部分为砂土及风化砂岩碎屑充填。强风化岩层厚0.8～3.1 m，砂岩风化厚度小，泥岩风化厚度大，弱风化岩层厚10～15 m。岩体整体稳定性较好。

1.2 底砾石层工程地质条件

Ⅲ级基座阶地之上断续分布有底砾石层，在顺河方向上是连续的，底砾石层靠近阶地前缘较厚，远离岸边逐渐变薄，厚度0.0～4.8 m，厚度悬殊大。底砾石层上部多为级配不良砂层，局部砂层中夹大量钙质结核，局部砂层呈半胶结状态；下部多为混合土卵石，多数胶结较差或呈半胶结状态。砂层颗粒组成粒径0.5～0.25 mm含量占21%，粒径0.25～0.05 mm含量占62.5%，粒径小于0.05 mm含量占16.5%，不均匀系数Cu=3.16，干密度ρd=1.42～1.58 g/cm3；混合土卵石层颗粒组成：粒径大于200 mm颗粒含量占7.75%，粒径200～20 mm含量占51.5%，粒径20～2 mm含量占25.75%，粒径2～0.05 mm含量占12.5%，粒径小于0.05 mm含量占2.5%，不均匀系数Cu=31.5～50.0，干密度ρd=2.11 g/cm3。渗透系数2.33～20.45 m/d。

1.3 土层工程地质条件

左岸Ⅲ级基座阶地上覆为第四系中更新统（Q2pl）浅红、棕红色低液限黏土层，含有多层钙质结核层，下部局部夹有块碎石，厚度3～40 m。低液限黏土颗粒组成：砂粒含量占1.4%～7.6%，粉粒含量占71.6%～83.4%，黏粒含量占14.0%～19.1%，干密度 ρd=1.57 g/cm3，孔隙比 e=0.725，不均匀系数Cu=4.75～8.88，曲率系数Cc=1.18～2.32。渗透变形类型为流土，允许水力比降为0.505。

上部土层即地表1～4 m范围内土层为中等～高压缩性，属湿陷性土层，湿陷系数为0.038～0.144。下部土层即地表1～4 m以下土层为低—中等压缩性土，属非湿陷性黄土，较密实，硬塑—坚硬。

2 土质边坡稳定性分析

大坝左岸上游的土质岸坡，在库水长期作用下，土体受库水浸润和冲刷将产生坍岸，对坝体安全造成影响。岸坡土体受水的浸润饱和，土体强度降低，加之动水压力、地震作用等不利条件影响，局部有产生边坡失稳的可能。

土质岸坡最终坍岸预测剖面见图1，坍岸宽度预测采用《水利水电工程地质手册》［1］公式：

式中：St——坍岸带最终宽度，m，正常蓄水位与岸坡交接处至预测坍岸带边缘；

N——与土的颗粒大小有关的系数；

A——库水位变化幅度，m，取正常蓄水位至阶地前缘基岩面之间的差值；

hp——波浪冲刷深度，m；

hB——波浪爬高，m；

H——正常蓄水位以上岸坡高度，m；

α——浅滩冲刷后水下稳定坡角，（°）；

β——岸坡水上稳定坡角，（°）；

γ——原始岸坡坡角，（°）。

图1 左岸近坝库岸土质岸坡坍岸预测剖面

参数选取：N一般与岸坡岩性有关，对于低液限黏土，N取0.6，β取45°；波高按1 m取，hp一般相当于1～2倍波高，hp取 2 m，hB大体为 0.1～0.8倍波高，hB取 1 m，α 取 8°；A是库水位变化幅度，该地段取正常蓄水位至基岩面之间的差值27 m；γ取15°,H取13 m。经计算，坍岸宽度为78.7 m。

据手册中图解法，从阶地前缘基岩面波浪冲刷深度P1点按照水下稳定坡角（α取8°）做线，与正常蓄水位浪击爬高相交于P3点，在P3点按照岸坡水上稳定坡角（β取45°）做线，与岸坡相交于P4点，正常蓄水位与岸坡交接处P2点至P4点之间距离即为上游岸坡最终坍岸宽度，最终坍岸宽度为79.7m。

可见，在库水的冲蚀作用下，这将使两冲沟间山梁的宽度更加减小，易造成两冲沟的连通，从而对左坝肩稳定构成不利影响。因此，应采取防护措施。

3 边坡工程地质评价与建议

底砾石层与上覆低液限黏土层构成双层结构，在库水的长期作用下，受库水浸润和冲刷将发生坍岸。岸坡土体受水的浸润饱和，土体强度降低，在不利条件作用下，造成土体淘蚀破坏，影响岸坡土体稳定，局部有产生边坡失稳的可能。

为了保证大坝左岸近坝库岸的稳定，确保大坝左坝肩安全，对大坝左岸坝轴线上游岸坡土体应采取砌石护坡，护坡高程应达到水库大坝坝顶高程处。建议对大坝左岸上游近坝库岸应清除或夯实上部土层，临时开挖边坡1:0.75，水下永久性护坡边坡 1:2.5～1:3.5。

［1］李立武、吕庆安等.《水利水电工程地质手册》.北京:水利电力出版社.1985，690