盖孜河塔什米力克引水工程边坡稳定分析

苏 阳

(新疆喀什噶尔河流域管理局，新疆 喀什 844000)

1 引言

边坡稳定性问题经常出现在水利工程建设中，边坡的稳定性将直接关系到水利工程的正常使用。周创兵[1]认为水电边坡较为高陡、规模巨大且需要长期的安全运行。因此，以高陡边坡生命周期为研究对象，分析复杂工况下，边坡的变形演化过程和稳定性情况。张社荣等[2]对国内典型的滑坡进行总结分析，概化出数值模拟模型，对边坡稳定性系数进行分析，结果表明：强降雨会造成边坡应力变化，在临空位置易产生破坏，长期降雨造成边坡岩土体孔隙中孔压增大，较容易产生深层滑动破坏。王小东等[3]以高精度的DEM数据和GIS 为基础数据，采用瑞典条分法对成层非均质库岸边坡进行稳定性分析计算，使稳定性计算呈现出可视化效果。张文杰等[4]认为库水位的周期性变化便会引起岸坡稳定性产生变化，以渗流理论为基础，研究水位变化对岸坡安全系数的影响，结果表明：岩土体的渗透性是水位升降时影响岸坡稳定性的主要因素。余神光等以高桩码头岸坡为研究对象，分析三种方法（条分法、强度折减法、Spencer 法）下，岸坡稳定性差异，结果表明：条分法与强度折减法之间的误差小于10%。郑洪春等[6]以理论计算为基础提出了一种新的岸坡稳定性的计算方法。结果表明：在考虑承压水的影响作用下，水位变化对岸坡稳定性产生较大的影响。以盖孜河塔什米力克引水工程边坡为例研究水位变化对河道岸坡稳定性的影响。

2 工程背景

喀什噶尔灌区地处新疆西南地区，位于塔里木盆地西部边缘，南接昆仑山，北靠西天山，西边紧邻帕米尔高原，东侧连接塔克拉玛干大沙漠。喀什噶尔灌区主要分为三个部分：克孜河子灌区、库山河子灌区、盖孜河子灌区。盖孜河东岸输水干渠处于疏附县塔什米里克乡西部，源头起于盖孜河塔什米里克渠首，往东北方向延伸至盖孜河三道桥渠首上游25 km处，整个引水通道长约24 km。经过现场调查该段岩土体类型主要为卵石土，表层为填土，密实度较好，渗透性较差。

3 岸坡安全系数分析

3.1 计算方法

目前常用的河岸岸坡稳定性计算方法有3 种。（1）水平层法，主要为楔形塌岸计算模式，将成n 层的岸坡进行n-1 次迭代计算，获取安全系数；（2）垂直切片法；（3）拉伸剪切法，以方法（1）为基础，假设塌岸角度为90°以此来计算安全系数，计算方法如式（1）所示。

式中：L 为总层数；i 为层数；c,φ 为内聚力和内摩擦角；P 为塌岸长度；O 为外界水压力；W 为岩土体自重。

利用岸坡稳定性型和河流断面形式结合岸坡岩土体强度参数计算岸坡的安全系数判断其稳定性情况。研究表明：Fs＞1.3 时岸坡处于稳定状态；1≤Fs≤1.3 时岸坡处于条件稳定状态；Fs＜1 时岸坡处于不稳定状态。

图2 不同退水速率下岸坡安全系数

3.2 稳定性计算条件

稳定性计算需要考虑岸坡的内外影响因素。内因主要为：岩土体组成类型、强度等。外因主要包括：水压力、护岸工程、人工扰动、植被覆盖等。具体计算条件如下：（1）枯水期。该条件下河流水位较低，岸坡破坏土体部分位于水面以上，部分位于水面以下。假设水面以上岩土体不受水的影响。位于水面以下的岩土体，其容重使用饱和容重来计算。（2）洪水期。该条件下，河流水位处于一个相对较高的水平，可假设岩土体均位于水面以下。此时全部土体均需要考虑水作用的影响。（3）涨退水期。水位上升或下降过程中，岩土体含水率将会发生改变，其力学性质也将随之改变。若水位变化速率较快，则岩土体力学强度变化较小，反之，岩土体强度变化较大。该过程岸坡稳定性计算参数的选取可通过强度参数的改变幅度来反应水位变化的速率。

4 不同工况下边坡稳定性计算

4.1 枯水期、洪水期稳定性

根据式（1）计算不同水位时，岸坡的安全系数。计算结果见图1。由图1 可知，该地区岸坡安全系数随着水位升高逐渐降低。当水位高于20 m 时，将淹没整个岸坡，安全系数小于1，边坡极易产生破坏。当水位较低时，安全系数大于1.3，此时岸坡稳定性较好。水位较低时，岩土体基本全部位于水位线以上，且新疆地区相对较为干燥，处于空气中的岩土体含水率较低，岩土体c,φ 值较大，因此，在岸坡破坏面上的抗破坏能力较强。随着水位上升，土体不断被洪水淹没直至整个岸坡被洪水淹没，被淹没部分岩土体自身强度降低，且容重增大，岸坡破坏面上的抗破坏能力减弱，同时，水位上升产生水流方向的侧向水压力，这将对边坡破坏产生一定的抵抗作用；水位上升时的安全系数是同时考虑岩土体强度和侧向水压力两者相互作用的结果。

图1 不同水位下岸坡安全系数

4.2 退水期稳定性计算

根据式（1）计算不同退水速率时，岸坡的安全系数。计算结果见图2。由图2 可知，退水速率较慢的情况下，该岸坡安全系数较大，退水速率越快，安全系数越低。且在相同水位时，不同的退水速率会产生不同的安全系数。在水位变化较快时，该岸坡易产生破坏，这是由于退水速率较快时，不能保证岩土体中地下水完全的排出，此时，岩土体内部含水率最大，强度最低，破坏面下滑力增强，且失去了水流通过时的侧压力，因此，这种情况下，岸坡极易产生破坏。

4.3 涨水期稳定性计算

根据式（1）计算不同涨水速率时，岸坡的安全系数。计算结果见图3。由图3 可知不同涨水速率下安全系数变化不同。涨水速率越快，安全系数变化较小，因为在水位变化时，表层覆盖的填土渗透性较差，水位快速上涨，但洪水并未完全渗透进入岸坡岩土体中，此时，坡体内部岩土体含水率处于一个相对较低的水平且强度变化较小，同时较高的水位会产生相对较大的侧向水压力，这对岸坡稳定性起到正相关作用。

图3 不同涨水速率下岸坡安全系数

5 结论

（1）河道岸坡的稳定性与河水水位、水位变化速率、河岸岸坡岩土体类型组成密切相关。其稳定性是自身岩土体强度和河流水位综合作用的结果。

（2）退水速率越快，该类型河流岸坡安全系数较大。退水初期，河岸安全系数变化较慢，当坡体内部地下水完全排出时，安全系数会恢复至一个相对较高的水平。

（3）涨水速率越快，该类型边坡安全系数降低速度较慢。洪水位的快速上涨，使得坡体内部并未形成饱和状态，岩土体强度变化幅度较小，且受到水流侧压力的作用，岸坡稳定性相对较好。