冰水堆积物塌岸模式与塌岸预测

冰水堆积物塌岸模式与塌岸预测

摘要：某高速公路路线通过水电站冰水堆积物岸坡，在水库运行期间，路基外侧冰水堆积物岸坡将出现一定程度的塌岸与库岸再造。本文对冰水堆积物岸坡的塌岸模式进行了系统的分析，研究分析表明，岸坡的失稳具有整体性，塌岸模式为淘蚀－坍塌。进而，针对工程地质条件和岸坡结构特征较特殊的冰水堆积物岸坡，采用适合坍塌类塌岸预测的两段法和适合整体失稳评价的极限平衡法对该段岸坡进行塌岸预测比较，计算分析表明，采用极限平衡法进行该岸坡的塌岸预测是相对较可靠的。 关键词：冰水堆积物；塌岸预测； 1 引言

某高速公路线路通过水电站冰水堆积物岸坡。水电站蓄水与运行期间，路基外侧冰水堆积物在波浪对岸壁的冲刷、淘蚀等作用下，将改变它的物理、力学及水理性质，使其失去原有的稳定平衡条件，进而不可避免的出现一定程度的库岸再造现象。而水电站蓄水后，离上方的高速公路路面高差仅20m，水平距离15m，那么就存在岸坡冰水堆积物坍塌失稳是否会影响到上方高速公路安全运行等诸多问题。因此，需要在系统研究分析岸坡变形失稳模式的基础上，对岸坡的塌岸范围做出预测。 2 地质环境背景 2．1 地形地貌

该段高速公路位于大渡河左岸，水电站库岸与原g108线之上。

岸坡总体走向为n20°～25°e，倾向se，自然条件下呈缓－陡－缓形态，高程780m以下为大渡河左岸的宽缓平坦河漫滩，高程790～900m之间坡度较陡，一般在50°以上，局部呈直立状，高程900～1060m之间坡度较缓，一般在13～28°之间。 2．2 地层岩性

根据现场调查和勘探资料，岸坡区内出露的主要地层岩性由老至新分述如下：

（1）震旦系上统苏雄组（zsλ）流纹岩。 （2）第四系中更新统冰水堆积层（q1+2gl+fgl）。

据勘探资料显示，岸坡区内出露的冰水堆积物按其密实程度可分为稍密碎块石质土、中密碎块石夹土和密实碎块石。详见高速公路典型工程地质剖面简图（图1）。

（3）第四系全新统河流冲积层（q4al+pl）。 3 塌岸模式分析

从基本地质条件可知，该路段可能产生塌岸的冰水堆积物是中密碎块石夹土和密实碎块石。而密实碎块石的结构特征分析表明，其具有结构密实、碎块石之间具有完好的钙质胶结、土体力学强度高等特点，另外由于

图1典型工程地质剖面简图

该段岸坡直接出露于地表的密实碎块石较少，据此可以认为蓄水后由密实碎块石组成的岸坡出现失稳破坏事件的可能性较小，即

使出现破坏也主要是局部小规模的破坏。因此，本文主要探讨中密碎块石夹土的塌岸模式。

目前，国内外对塌岸的研究主要集中在一般土质（黄土、砂土）岸坡，对冰水堆积物岸坡的研究甚少。针对该段高速公路岸坡区的实际情况，我们对此段岸坡中密碎块石夹土的失稳破坏模式进行了分析。具体如下：

现场调查表明，原g108线在修建时曾对冰水堆积物岸坡进行过人工切坡，形成高切坡，详见图2。高切坡形成约40余年来（修建至今），在自然状态下稳定，仅在雨季，局部产生了少量碎落，整体处于稳定状态。而未切坡段，其自然坡度也是50～65°的高陡坡，同样处于稳定状态，这说明该类土体力学性能好，自稳能力强。 由于该类土体的力学性能好，自稳能力强，因此，即使在坡脚形成一定的凹腔，使该类土体悬空，其也能保持暂时的稳定。而水库蓄水后，库岸地质环境条件将发生较大改变，该类土体将受到库水浸泡、风浪冲击、水流侵蚀和干湿交替的长期作用，在这些作用下坡脚将不可避免的被淘蚀（图3）形成凹腔，随着淘蚀的加剧，凹腔逐渐扩大，岸坡的应力场将重分布，最终凹腔上部的土体自重将会超过凹腔上部土体与其他土体之间的粘结能力，进而这部分土体将坍塌失稳（图4）。

基于上述认识，岸坡区土体在蓄水后的变形破坏机制概括为淘蚀－坍塌。

图2 原108线旁冰水堆积物

图3 水流淘蚀冰水堆积物坡脚现象

图4 冰水堆积物坍塌失稳现象 4 岸坡的塌岸预测

现阶段，预测水库塌岸或水库边岸再造范围和规模的方法可分为：类比图解法、计算图解法、两段法和经验法等。由于自然地质条件的复杂多变性，还没有严格的物理和数学方程能够严格地解决这类问题，迄今为止的预测方法多属于半经验性的，而且各种塌岸预测方法有其自身的适用范围，但是，这些基于工程实践的预测方法，在实际的工作中仍然被广泛地应用，并具有一定的实际意义。 从第三章可知，该段岸坡的塌岸模式为淘蚀－坍塌，即属坍塌类塌岸岸坡。根据前人对此类塌岸预测的经验，坍塌类塌岸岸坡的塌岸预测多用图解法。由于该段岸坡工程地质条件、岸坡的结构特征较特殊，从已有的岸坡失稳和对岸坡的变形破坏机制分析可知，岸坡的失稳具有整体性，因此，针对该岸坡的实际情况，本文采用适合坍塌类塌岸预测的两段法和适合整体失稳评价的极限平衡法对该段岸坡进行塌岸预测比较，以求得到更准确的预测结果。 其中极限平衡法采用采用常用的垂直条分法，主要为bishop法、janbu法等综合分析，并选取天然状态、天然+行车荷载，天然+行车荷载+暴雨三种计算工况。

4．1 岸坡塌岸预测参数

根据前期勘察资料及实验数据，结合现场调查，综合给出了两段法塌岸预测参数及岸坡各岩土体的物理力学参数，详见表1、表2。

表1 两段法塌岸预测参数

表2 极限平衡法塌岸预测物理力学参数

4．2 塌岸预测及结果分析

根据相关参数，两段法和极限平衡法塌岸预测的高速公路各里程塌岸结果见表3、表4。 表3 塌岸宽度预测结果

表4 路基面坍塌宽度预测结果

从预测结果可知，两段法与极限平衡法的预测结果相差较大。对此，我们可以做出如下 评判：

（1）从两段法的理论基础、计算过程以及预测结果来看，两段法归根结底是一种经验预测方法，只要参数取值合理，对于蓄水位以下部分，两段法的预测结果是能够基本反应库岸再造特性的，但是，对于水位以上部分，由于两段法没有考虑土体的破坏模式，也

没有考虑水流、波浪对岸坡土体的独特侵蚀方式，另外，由于两段法自身的特点，其无法考虑公路行车引起的振动荷载对岸坡土体稳定性的影响，也无法考虑蓄水后地下水位线的抬升对岸坡蓄水面以上、地下水位以下土体的软化和力学作用，因此，两段法对于蓄水位以下部分土体的预测结果是比较可靠的，而对于蓄水位以上部分土体的预测结果却可能有较大的偏差。

（2）极限平衡法是建立在极限平衡理论基础上的一种塌岸预测新方法，它是以条分法为基础，将土坡划分为多个条块，分析各个条块所受的各种下滑力和抗滑力，用条块上的全部抗滑力矩与滑动力矩之比来定义土坡稳定性安全系数，而不必考虑土体的应力应变关系以及边坡的变形。因此，从其理论基础可知，极限平衡法不能反应岸坡在水流、波浪等长期、周期性作用下的渐进式失稳破坏，但是，极限平衡法对于水位以上岸坡土体以整体形式失稳的塌岸预测结果却较为可靠。

根据前文对该段岸坡土体可能的变形破坏机制分析可知，该段岸坡在蓄水后最可能的失稳模式是淘蚀－坍塌失稳，为整体式失稳（对于该段岸坡而言），而从两段法和极限平衡法的塌岸预测结果可知，该段高速公路将存在不同程度的路基面坍塌，即塌岸在水上部分的范围较大，因此，在对该段岸坡进行塌岸预测时，采用极限平衡法是相对较可靠的。

根据极限平衡法的塌岸预测结果，该段高速公路存在路基面坍塌的范围较大，因此，必须对该段岸坡进行治理。

5结论及治理建议 5．1 结论

（1）冰水堆积物具有力学性能好，自稳能力强的特性。 （2）冰水堆积物岸坡在水库蓄水后的变形破坏机制概括为淘蚀－坍塌。

（3）根据冰水堆积物的结构特征、工程地质条件以及变形破坏机制等，采用两段法、极限平衡法对该段岸坡进行塌岸预测比较，计算分析表明，极限平衡法预测塌岸的结果是相对较可靠的，因此，针对该岸坡的塌岸预测，采用极限平衡法的计算结果。

（4）根据极限平衡法的塌岸预测结果，该段高速公路存在路基面坍塌的可能，因此，必须对该段岸坡进行治理。 5．2 治理建议

综合考虑实际地质条件与各种工程措施的技术、经济、施工等诸方面的适宜性,建议在路基外测5～8m处实施一排预应力锚拉桩板墙的治理方案。 [ 参 考 文 献 ]

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作者简介：张敏（1985－），男，硕士，地质工程专业，现工作于广东省电力设计研究院，主要从事岩土工程勘察设计工作 注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。