外福鐵路干線峽谷型水庫(kù)庫(kù)岸沉積環(huán)境預(yù)測(cè)方法研究

外福鐵路干線峽谷型水庫(kù)庫(kù)岸沉積環(huán)境預(yù)測(cè)方法研究

1序言2.1水下穩(wěn)定岸坡的起點(diǎn)高程隨著水位的升高，岸壁坍塌，與此同時(shí)，隨著沉積物的逐漸完成和水庫(kù)水位的上升，岸壁坍塌。筆者通過(guò)官?gòu)d水庫(kù)、三門峽水庫(kù)、劉家峽水庫(kù)、水口水庫(kù)、龔咀水庫(kù)等數(shù)十處水庫(kù)的坍岸實(shí)際調(diào)查,認(rèn)為水下穩(wěn)定岸坡的起點(diǎn)高程相當(dāng)于原河道的歷史最高洪水位,或蓄水后第一年的淤積高程,采用兩者較高值。這些數(shù)據(jù)可從當(dāng)?shù)厮牟块T或其提供的資料計(jì)算獲得。閩江干流多年最高洪水位見表1。2.2水下穩(wěn)定岸坡角確定方法有兩種:一種是工程地質(zhì)調(diào)查法,根據(jù)現(xiàn)有的水庫(kù)資料調(diào)查分析,得出不同種巖層所形成的水下岸坡傾角,來(lái)確定預(yù)測(cè)庫(kù)岸邊坡的水下岸坡角。通過(guò)數(shù)十處水庫(kù)的調(diào)查,發(fā)現(xiàn)不同巖層組成的水下穩(wěn)定岸坡角也不相同,但總的規(guī)律為細(xì)顆粒材料所組成的水下穩(wěn)定岸坡角比粗粒顆材料小,地層越密實(shí)所形成的水下穩(wěn)定岸坡角越大,見表2。另一種為綜合計(jì)算法,它是在地質(zhì)調(diào)查法的基礎(chǔ)上總結(jié)出來(lái)的,對(duì)于砂性土及碎石類土,取α=φ(內(nèi)摩擦角);對(duì)于粘性土,則用增大內(nèi)摩擦角的方法來(lái)考慮凝聚力c的影響,使α=φ0(綜合內(nèi)摩擦角),用剪切力公式計(jì)算φ0,即φ0=arctan[tanφ+c/(γsH)]φ0=arctan[tanφ+c/(γsΗ)]式中γs為水下岸坡地層的飽和容重;H為水下岸坡起點(diǎn)至岸坡終點(diǎn)的高度。φ,c,γs從試驗(yàn)中獲得,變量只有H,但對(duì)于某一具體岸坡,H是定量,φ0就隨之確定。筆者從外福線庫(kù)岸邊坡上取3種巖層試驗(yàn),計(jì)算結(jié)果見表3。與表2比較,兩種方法得出的結(jié)果相當(dāng)吻合,因而用φ0值代替α值符合實(shí)際情況。2.3水岸坡區(qū)的測(cè)量方法水上穩(wěn)定岸坡角指坍岸后庫(kù)岸在雨水沖刷、大氣濕熱、凍融破壞、地下水浸蝕等自然營(yíng)力作用下,達(dá)到最終自然穩(wěn)定的岸坡角。使用地質(zhì)調(diào)查法時(shí),應(yīng)在岸坡區(qū)進(jìn)行測(cè)量。由于庫(kù)岸破壞達(dá)到新的平衡需時(shí)很長(zhǎng),目前所實(shí)測(cè)的庫(kù)區(qū)水上岸坡角多為極限穩(wěn)定坡角,尚未達(dá)到最終穩(wěn)定,其數(shù)值一般大于自然穩(wěn)定坡角,見表4。而使用綜合計(jì)算法時(shí),c,φ選用天然快剪試驗(yàn)數(shù)值,γ選用天然容重,H為水上穩(wěn)定岸坡線所對(duì)應(yīng)的原岸坡高度。由表5可知,β的計(jì)算值均在地質(zhì)調(diào)查法的數(shù)據(jù)之外,其關(guān)系為實(shí)測(cè)值大于終止值,計(jì)算值與終止值接近,說(shuō)明綜合計(jì)算法具有實(shí)際意義。2.4岸坡巖土體細(xì)顆粒生長(zhǎng)的變化毛細(xì)水上升高度H′一般通過(guò)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查相結(jié)合來(lái)確定,其值與岸坡巖(土)體的顆粒直徑有關(guān),粗顆粒毛細(xì)水上升高度小,細(xì)顆粒相應(yīng)較高。外福線庫(kù)岸邊坡取樣試驗(yàn)結(jié)果見表6,沿庫(kù)岸調(diào)查量測(cè),其值與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,選用時(shí)取大值更為合理。2.5明顯的坡率成設(shè)說(shuō)有筆者通過(guò)數(shù)十處水庫(kù)的調(diào)查,發(fā)現(xiàn)庫(kù)岸邊坡基本上由水上部分及水下部分組成,坡率有明顯的坡段性,β>α0。因此,“兩段法”的適用條件為:我國(guó)南方山區(qū)的峽谷型水庫(kù),庫(kù)面較窄,風(fēng)浪作用較小,岸坡地層為粘性土、砂性土、碎石類土、棄碴及巖石的全風(fēng)化地層W4,有較完整的水文氣象資料等。3試驗(yàn)結(jié)果的分析和計(jì)算使用“兩段法”首先要解決以下問(wèn)題:①?gòu)乃畮?kù)的洪、枯水面線圖及回水曲線圖中,準(zhǔn)確地計(jì)算出各庫(kù)岸段的設(shè)計(jì)洪水位,確定沿庫(kù)岸的最高淹沒(méi)邊界;②對(duì)岸坡地層取多組試樣試驗(yàn),以得出較準(zhǔn)確的c,φ,γ,γs,H′試驗(yàn)結(jié)果,確保β,α計(jì)算準(zhǔn)確;③對(duì)條件相似的水庫(kù)資料,應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、收集多組β,α數(shù)據(jù),再與計(jì)算出的數(shù)據(jù)比較選用?！皟啥畏ā钡木唧w圖解為:以原河道多年最高洪水位與岸坡交點(diǎn)A為起點(diǎn),以α為傾角繪出水下穩(wěn)定岸坡線,該線延伸至設(shè)計(jì)洪水位加毛細(xì)水上升高度的高程點(diǎn)B,再以B點(diǎn)為起點(diǎn),以β角為傾角繪出水上穩(wěn)定岸坡線,該線與原岸坡的交點(diǎn)C即為水上穩(wěn)定岸坡的終點(diǎn)。水上穩(wěn)定岸坡線的起點(diǎn)B的高程所對(duì)應(yīng)的原岸坡點(diǎn)D與該線終點(diǎn)C之間的水平距離,即為“兩段法”預(yù)測(cè)的坍岸寬度Sk,見圖1。4岸坡防護(hù),讓橋臺(tái)穩(wěn)固“兩段法”在外福線水口水庫(kù)的庫(kù)岸邊坡坍岸預(yù)測(cè)中得到成功地應(yīng)用。水口水庫(kù)蓄水之前,預(yù)測(cè)的坍岸地段40余處,涉及橋臺(tái)及路基岸坡的防護(hù),用“兩段法”指導(dǎo)30余處防護(hù)工程的設(shè)計(jì)施工,迄今為止效果良好。而不防護(hù)的10余處只作重點(diǎn)監(jiān)測(cè),水庫(kù)蓄水后,未防護(hù)的10余處橋臺(tái)錐體發(fā)生了不同程度的坍岸,有的危及橋臺(tái)的安全,后用“兩段法”進(jìn)行設(shè)計(jì)整治,才遏制了坍岸的進(jìn)一步發(fā)展,橋臺(tái)得以穩(wěn)固。經(jīng)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì),“兩段法”預(yù)測(cè)的坍岸寬度與實(shí)際坍岸寬度較接近,而與卡楚金法預(yù)測(cè)的坍岸寬度相差甚遠(yuǎn),見表7。5卡楚金法與“片段法”的比較對(duì)于我國(guó)南方山區(qū)峽谷型水庫(kù),用“兩段法”預(yù)測(cè)其坍岸寬度比較接近實(shí)際,因而是比較成功的方法。通過(guò)對(duì)南方柘溪水庫(kù)、龔咀水庫(kù)、火石巖水庫(kù)、古田水庫(kù)及水口水庫(kù)的坍岸調(diào)查、分析、研究,也證明該方法是正確的。但在使用“兩段法”預(yù)測(cè)坍岸寬度的同時(shí),還需用卡楚金法進(jìn)行比較,全面驗(yàn)證其合理性,科學(xué)地取舍,既不能因預(yù)測(cè)坍岸范圍過(guò)寬而造成防護(hù)工程的浪費(fèi),又不能因預(yù)測(cè)坍岸范圍過(guò)小而造成防護(hù)工程的失敗,危及庫(kù)岸建筑物安全?？傊?要科學(xué)、全面、合理地選擇坍岸預(yù)測(cè)方法。2庫(kù)岸坍岸預(yù)測(cè)的“兩步法”外洋—福州鐵路線(外福線)下過(guò)溪至大箬段,位于閩江水口水庫(kù)左岸,該段岸坡較陡,工程、水文地質(zhì)條件較差。隨著水口電站的建成發(fā)電,水庫(kù)水位逐漸上升,庫(kù)岸產(chǎn)生坍岸破壞,距鐵路較近的庫(kù)岸段坍岸威脅著鐵路行車的安全。早在鐵路方案設(shè)計(jì)之初,坍岸問(wèn)題就擺在十分重要的位置。我國(guó)在庫(kù)區(qū)修建的鐵路為數(shù)不多,可借鑒的資料甚少,除前蘇聯(lián)的卡楚金等人的方法選載于有關(guān)手冊(cè)中之外,未見有其它有效的坍岸預(yù)測(cè)方法發(fā)表,特別是在山區(qū)水庫(kù)庫(kù)岸修建鐵路可借鑒的坍岸資料就更少?？ǔ鸱ㄟm用于黃土類土地層及平原地區(qū)水庫(kù)的坍岸預(yù)測(cè),用于南方山區(qū)峽谷型水庫(kù)的坍岸預(yù)測(cè),其結(jié)果經(jīng)往與實(shí)際相差甚遠(yuǎn),實(shí)際坍岸寬度要比預(yù)測(cè)的小得多。筆者經(jīng)過(guò)近10年數(shù)十處水庫(kù)坍岸的調(diào)查、研究,提出用“兩段法”來(lái)指導(dǎo)外福鐵路線的坍岸預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)。其原理為:預(yù)測(cè)坍岸線由水下穩(wěn)定岸坡線和水上穩(wěn)定岸坡線的連線組成時(shí),水