外福铁路干线峡谷型水库库岸沉积环境预测方法研究

外福铁路干线峡谷型水库库岸沉积环境预测方法研究

1序言2.1水下稳定岸坡的起点高程随着水位的升高，岸壁坍塌，与此同时，随着沉积物的逐渐完成和水库水位的上升，岸壁坍塌。笔者通过官厅水库、三门峡水库、刘家峡水库、水口水库、龚咀水库等数十处水库的坍岸实际调查,认为水下稳定岸坡的起点高程相当于原河道的历史最高洪水位,或蓄水后第一年的淤积高程,采用两者较高值。这些数据可从当地水文部门或其提供的资料计算获得。闽江干流多年最高洪水位见表1。2.2水下稳定岸坡角确定方法有两种:一种是工程地质调查法,根据现有的水库资料调查分析,得出不同种岩层所形成的水下岸坡倾角,来确定预测库岸边坡的水下岸坡角。通过数十处水库的调查,发现不同岩层组成的水下稳定岸坡角也不相同,但总的规律为细颗粒材料所组成的水下稳定岸坡角比粗粒颗材料小,地层越密实所形成的水下稳定岸坡角越大,见表2。另一种为综合计算法,它是在地质调查法的基础上总结出来的,对于砂性土及碎石类土,取α=φ(内摩擦角);对于粘性土,则用增大内摩擦角的方法来考虑凝聚力c的影响,使α=φ0(综合内摩擦角),用剪切力公式计算φ0,即φ0=arctan[tanφ+c/(γsH)]φ0=arctan[tanφ+c/(γsΗ)]式中γs为水下岸坡地层的饱和容重;H为水下岸坡起点至岸坡终点的高度。φ,c,γs从试验中获得,变量只有H,但对于某一具体岸坡,H是定量,φ0就随之确定。笔者从外福线库岸边坡上取3种岩层试验,计算结果见表3。与表2比较,两种方法得出的结果相当吻合,因而用φ0值代替α值符合实际情况。2.3水岸坡区的测量方法水上稳定岸坡角指坍岸后库岸在雨水冲刷、大气湿热、冻融破坏、地下水浸蚀等自然营力作用下,达到最终自然稳定的岸坡角。使用地质调查法时,应在岸坡区进行测量。由于库岸破坏达到新的平衡需时很长,目前所实测的库区水上岸坡角多为极限稳定坡角,尚未达到最终稳定,其数值一般大于自然稳定坡角,见表4。而使用综合计算法时,c,φ选用天然快剪试验数值,γ选用天然容重,H为水上稳定岸坡线所对应的原岸坡高度。由表5可知,β的计算值均在地质调查法的数据之外,其关系为实测值大于终止值,计算值与终止值接近,说明综合计算法具有实际意义。2.4岸坡岩土体细颗粒生长的变化毛细水上升高度H′一般通过试验与现场调查相结合来确定,其值与岸坡岩(土)体的颗粒直径有关,粗颗粒毛细水上升高度小,细颗粒相应较高。外福线库岸边坡取样试验结果见表6,沿库岸调查量测,其值与试验结果基本一致,选用时取大值更为合理。2.5明显的坡率成设说有笔者通过数十处水库的调查,发现库岸边坡基本上由水上部分及水下部分组成,坡率有明显的坡段性,β>α0。因此,“两段法”的适用条件为:我国南方山区的峡谷型水库,库面较窄,风浪作用较小,岸坡地层为粘性土、砂性土、碎石类土、弃碴及岩石的全风化地层W4,有较完整的水文气象资料等。3试验结果的分析和计算使用“两段法”首先要解决以下问题:①从水库的洪、枯水面线图及回水曲线图中,准确地计算出各库岸段的设计洪水位,确定沿库岸的最高淹没边界;②对岸坡地层取多组试样试验,以得出较准确的c,φ,γ,γs,H′试验结果,确保β,α计算准确;③对条件相似的水库资料,应现场调查、收集多组β,α数据,再与计算出的数据比较选用。“两段法”的具体图解为:以原河道多年最高洪水位与岸坡交点A为起点,以α为倾角绘出水下稳定岸坡线,该线延伸至设计洪水位加毛细水上升高度的高程点B,再以B点为起点,以β角为倾角绘出水上稳定岸坡线,该线与原岸坡的交点C即为水上稳定岸坡的终点。水上稳定岸坡线的起点B的高程所对应的原岸坡点D与该线终点C之间的水平距离,即为“两段法”预测的坍岸宽度Sk,见图1。4岸坡防护,让桥台稳固“两段法”在外福线水口水库的库岸边坡坍岸预测中得到成功地应用。水口水库蓄水之前,预测的坍岸地段40余处,涉及桥台及路基岸坡的防护,用“两段法”指导30余处防护工程的设计施工,迄今为止效果良好。而不防护的10余处只作重点监测,水库蓄水后,未防护的10余处桥台锥体发生了不同程度的坍岸,有的危及桥台的安全,后用“两段法”进行设计整治,才遏制了坍岸的进一步发展,桥台得以稳固。经实测资料统计,“两段法”预测的坍岸宽度与实际坍岸宽度较接近,而与卡楚金法预测的坍岸宽度相差甚远,见表7。5卡楚金法与“片段法”的比较对于我国南方山区峡谷型水库,用“两段法”预测其坍岸宽度比较接近实际,因而是比较成功的方法。通过对南方柘溪水库、龚咀水库、火石岩水库、古田水库及水口水库的坍岸调查、分析、研究,也证明该方法是正确的。但在使用“两段法”预测坍岸宽度的同时,还需用卡楚金法进行比较,全面验证其合理性,科学地取舍,既不能因预测坍岸范围过宽而造成防护工程的浪费,又不能因预测坍岸范围过小而造成防护工程的失败,危及库岸建筑物安全。总之,要科学、全面、合理地选择坍岸预测方法。2库岸坍岸预测的“两步法”外洋—福州铁路线(外福线)下过溪至大箬段,位于闽江水口水库左岸,该段岸坡较陡,工程、水文地质条件较差。随着水口电站的建成发电,水库水位逐渐上升,库岸产生坍岸破坏,距铁路较近的库岸段坍岸威胁着铁路行车的安全。早在铁路方案设计之初,坍岸问题就摆在十分重要的位置。我国在库区修建的铁路为数不多,可借鉴的资料甚少,除前苏联的卡楚金等人的方法选载于有关手册中之外,未见有其它有效的坍岸预测方法发表,特别是在山区水库库岸修建铁路可借鉴的坍岸资料就更少。卡楚金法适用于黄土类土地层及平原地区水库的坍岸预测,用于南方山区峡谷型水库的坍岸预测,其结果经往与实际相差甚远,实际坍岸宽度要比预测的小得多。笔者经过近10年数十处水库坍岸的调查、研究,提出用“两段法”来指导外福铁路线的坍岸预测设计。其原理为:预测坍岸线由水下稳定岸坡线和水上稳定岸坡线的连线组成时,水