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三峡水库塌岸预测模型研究 库水崩塌是指水库储存后，库水凹陷受到水库洪峰、波浪和船行波浪的影响，以及水和茎侵蚀的变化，这加剧了水库围岩的风化，降低了抗剪强度，降低了库水位，降低了库水位。湖水的动水压由库引发。库岸侵蚀、崩塌和滑移重建变形，导致库岸侵蚀、坍塌和滑移。 三峡工程举世瞩目,其蓄水后对库岸再造和塌岸情况的预测就显得尤为重要。据水利部长江水利委员会2001年调查统计,三峡水库蓄水位175 m,干、支流库岸总长5 311 km。库区133个城镇库岸总长462.166 km,约占三峡水库库岸总长的8.7%。第二期规划已治理受135 m蓄水影响的库岸79 km。第三期规划两省市(重庆市、湖北省)上报需工程治理库岸259段363 km。第三期规划阶段地质调查库岸787段358.8 km。三期实际规划工程治理库岸407段,总长169.5 km。 多年来,库岸坍塌又是鲜有人涉足的工程技术领域,对于这方面的研究不多。目前,国内外对塌岸的研究主要集中于一般土质(黄土、砂土)岸坡,,对山区型水库库岸稳定性的研究成果较少;现行的塌岸预测方法基本仅适用于平原地区冲(磨)蚀型库岸,对山区河谷型的三峡水库库岸适用性差,这一点在三峡库区三期塌岸规前勘察过程中显得异常突出。因此,急需建立起一套适合三峡库区使用的塌岸预测方法体系。本文拟对此问题进行初步研究。 1 慢行走形结构面 在大量的现场地质调查和勘探的基础上,考虑库水位的变化及水库库岸变形破坏的机理,三峡库区塌岸类型可划分为冲(磨)蚀型、坍(崩)塌型和滑移型三种类型。 a.冲(磨)蚀型:在库水、地表水及其他外营力的作用下,岸坡表面物质逐渐被搬运带走,从而使岸坡坡面产生缓慢后退的再造形式。一般发生在地形较缓的土质岸坡及基岩岸坡的全-强风化带中。此种再造类型具有缓慢性及持久性,规模一般较小。 b.坍(崩)塌型:岸坡坡脚在库水长期作用下软化或被淘蚀,岸坡上部失去支撑,从而造成局部下错坍塌。此种类型一般发生在地形较陡的土质岸坡及基岩岸坡严重卸荷裂隙发育带内,具有突发性,特别是在暴雨期间或库水位急剧变化时最易发生。 c.滑移型:在库水作用及其他因素的影响下,岸坡沿某一软弱结构面产生一定规模的整体性滑移失稳。此种再造类型具有规模大、危害性强等特点。沿岸滑坡堆积体和中陡倾基岩面上的松散覆盖层在库水作用下,其稳定性均有所下降,滑移型再造一般发生在此类库岸。 2 预测三楼坍塌的方法 2.1 自然地质条件的优化 目前预测水库塌岸或水库岸坡再造规模的方法主要有类比法、动力法和统计法。由于自然地质条件的复杂多变性,迄今为止的预测方法多属于经验性或半经验性的,还没有严格的物理和数学方程能够解决此类问题。但这些基于工程实践的预测方法,在实际工作中仍然被广泛地使用。 2.1.1 岸坡最终塌岸预测宽度的计算 卡丘金于1949年提出岸坡最终塌岸预测计算公式,其实质是依据实测的洪、枯水变幅带各类岩性岸坡长期稳定坡角,根据几何关系用图解法求解岸坡最终塌岸预测宽度,其精度取决于计算参数的选定。考虑到计算参数大多选自经验值,因此,在实际预测时必须对类似水动力条件和类似岩土体条件下的已有岸坡塌岸进行观测,以获得相应的较为可靠的计算参数。有时参考水库蓄水前的洪、枯水位变幅带岸坡形态数据来计算,也具有较好的预测效果。适用于黄土类土层及平原地区水库的塌岸预测。 2.1.2 种水位场景的岸宽度预测 此法为前苏联学者佐洛塔寥夫(Г.С.золатарев)于1955年提出,通过图解法进行岸坡最终塌岸宽度预测。对于松散堆积岸坡(残坡积、崩坡积、滑坡堆积以及人工弃渣岸坡),大型水库的中、下游地段,一般采用佐洛塔寥夫提出的图解法。该法认为:水库中下游地段,水深较大,水面较广,波高增加,对库岸的破坏波浪作用是主要的。塌岸后的岸坡可分为浅滩外缘陡坡、堆积浅滩、冲蚀浅滩、爬升带斜坡以及水上岸坡带等。 2.1.3 考虑复杂的模型 在水库风波浪和船行波浪的长期作用下,岸坡断面将逐渐调整至平衡位置,形成平衡断面。根据水库运行性质、波浪作用规律,以及岸坡岩土体工程地质特征,运用水力学、泥沙运动学等理论以及实际观察数据,可以建立基于经验的数学模型,用于预测此平衡断面,从而获得水库塌岸的空间规模。该方法要求太高,实用性差。 2.1.4 单位宽度法kp 动力法的预测依据是塌岸量与波能和岩石抗冲刷强度之间的“关系方程”: Q=E?Kp?tbQ=E?Κp?tb 式中:Q为库岸在单位宽度内被冲刷的岩土体的体积(m3/m) ;E为波浪作用于单位宽度库岸的动能(t· m) ;Kp为岩土体的抗冲刷系数(m3/t);t为水库运营年限;b为经验常数,取决于滨岸浅滩中堆积部分宽度,变幅为0.45~0.95。 该法有一定的物理依据,但“关系方程”的建立同时也需要一定量的观测样本。在海洋工程科学领