官厅水库塌岸综合治理技术研究（李光远,邢妍娜）

关键词：官厅水库 塌岸 治理技术

中图分类号TV697.3+3 文献标志码A 文章编号1673- 4637 ( 2007) 05- 0047- 04

1 概述

官厅水库是新中国成立后兴建的第一座大型水库,建成运行50 多a 来, 发挥了巨大的社会及经济效益。由于库岸主要是砂土质岸坡, 稳定性差, 再加上风浪和冰冻作用, 建库以来塌岸不断, 尤其是在水库高水位运行时, 塌岸现象尤为严重。从20 世纪50 年代初期, 库区周边5 个乡镇的20 余个村寨和黑土洼月亮岛林场累计塌岸面积达233.1 hm2, 共损失百年海棠树25株, 枣树20 株, 山杏4 700 余株, 成材杨柳树3 400余株, 毁坏扬水站8 座, 公路2 km。塌岸给库区周围村镇造成巨大经济损失。

目前, 小七营、度假村、北寨库岸仍处于不稳定状态或极限平衡状态, 如不及时采取有效措施进行治理, 水库塌岸还会继续发生。官厅水库的塌岸主要带来下列问题。

(1) 水库周边耕地将进一步减少; 将使康野公路、丰沙铁路、京包铁路大桥遭受严重破坏, 从而直接威胁这些公路、铁路的运行安全。

(2) 水库运用过程中因塌岸问题, 有时不得已减少蓄水, 严重影响水库效益的发挥。例如1995 年汛后, 为了减少塌岸的不利影响, 水库不得不弃水4.3 亿m3。塌岸的发生严重影响了水库防洪和蓄水等正常功能的发挥。

(3) 塌岸的发生加快了水库淤积, 减少了兴利库容, 降低了水库的调节能力, 从而也相应地缩短了水库的使用寿命。

因此, 对官厅水库塌岸综合治理技术进行研究具有很强的现实意义。

2 塌岸发展及影响因素

2.1 塌岸发展

据官厅水库观测资料和2000 年勘察实测资料, 建库以来最大塌岸宽度约160m, 一般塌岸宽60 ～90 m。其中, 1959 年以前, 塌岸宽度在27.1 ～120.7m, 其塌岸速率为4.5 ～20.1m/ a; 1960—1999 年, 塌岸宽度为5.5 ～97.9m, 塌岸速率为0.13 ～2.45m/ a。此后, 官厅水库蓄水量锐减, 水位较低, 塌岸发展缓慢。

2.2 塌岸影响因素

通过对水库塌岸产生的原因分析, 影响水库塌岸的因素主要有岸坡物质组成、岸坡形态与方向、波浪、库水位变化、库岸流、冻融、水流冲刷及水库淤积等。

(1) 岸坡物质组成。岸坡物质组成及土层性质是影响水库塌岸的内在因素。官厅水库库岸以易崩解的黄土状土及湖积壤土、砂壤土等为主, 这正是官厅水库产生塌岸的主要原因。

(2) 库岸形态。库岸形态与方向对塌岸的影响主要表现在岸坡越高, 坡度越陡, 塌岸越严重; 与风向垂直的岸坡较其他方向的岸坡塌岸严重。该地区主导风向为N 及NW方向, 故这两方向风速较大, 所以走向为EW向和NE 向的岸坡塌岸现象较为严重。

(3) 水库水位的作用。水库水位发生变化, 波浪的影响范围也随之变化。随着库水位上升, 一方面使原来的水上浅滩处于水位以下, 促使浅滩再造, 并使库水直接作用于岸壁, 从而加速塌岸的进程; 另一方面库水位升高使水深加大, 水面加宽, 在同样风速条件下, 波浪对库岸的破坏作用更强。在库水位下降时,尤其是库水位的突然大幅消落, 造成岸坡土体内产生很大的渗透压力, 使土体产生渗透破坏, 进而发生塌岸。水库高水位运行时, 塌岸较为严重。

(4) 波浪作用。波浪对塌岸的影响主要表现为击岸波浪对岸壁土体的淘刷与磨蚀, 对塌落物质进行搬运。击岸波浪的浪高与风速、风向、风在自由水面的吹程及水深等因素有关。对于同一种类型的库岸来说, 水面越宽, 水深越大, 击岸波浪的波能就越大, 塌岸作用就越强烈。

(5) 其他因素。①土体冻融作用: 冻融作用破坏土层结构, 使土体发生裂缝或坍塌; 解冻时冻结土层的冰融化, 造成土层松散而塌落。②库岸流: 下游段库区, 由于水深大, 靠近库岸地区, 易形成较强的库岸流; 库岸流可对库岸产生冲刷, 并对塌落物质进行搬运, 加速塌岸进程。③水库淤积作用: 永定河是一条多泥沙河流, 水库淤积相当严重; 水库淤积, 加速了浅滩的形成, 抑制了塌岸的发展。

综上所述, 官厅水库塌岸是多种影响因素综合作用的结果, 库岸的物质组成和库岸形态对塌岸的范围、速度起着决定性作用。库水的作用、波浪、冻融及冰的作用、库岸流、水库淤积等也对库岸稳定产生影响。其中波浪及库水位变化是重要的控制性因素。

3 塌岸类别划分及分布

3.1 库岸区段划分

官厅水库区大体呈“丫”字形分布, 根据库区形态和库岸稳定程度可划分为3 个区。其中I 区—大坝—妫水河铁路桥之间库区, 由第四系山前冲洪积及河湖相松散堆积物组成, 冲沟发育, 库岸岸壁较高,坡度较大, 外营力作用较强, 为库岸再造多发区和不稳定区。以I 区为重点研究区域。依I 区地形地貌、库岸形态及塌岸特征的不同, 将I 区划分为11 个亚区。

3.2 塌岸类别划分及分布

塌岸类别划分时综合考虑了库岸地貌形态、地层结构、风力风向及库岸流等自然因素, 以及塌岸预测宽度及塌岸速度, 同时兼顾塌岸对库岸经济环境的影响等综合因素。塌岸划分为3 大类。

3.2.1 严重塌岸类型

该类岸坡多为土质中—高型岸坡, 土体抗冲( 淘)刷能力差, 遇水易崩解, 岸前水上浅滩窄, 水下浅滩不稳定。多分布在迎风岸或凸岸, 一般库水面宽, 吹程大, 风浪及库岸流强; 现今塌岸发育, 预计479 m水位运行时, 塌岸活跃且宽度大。

少量中低型岸坡段, 虽然其塌岸宽度和塌岸量不大, 但塌岸会对村镇、公路构成较大威胁时, 也划入严重塌岸段。

3.2.2 中等塌岸类型

该类库岸多为中等高度的土质岸坡, 也包括一部分碎石( 砂砾石) 及土与碎石组成的多元结构的高岸坡, 岸前发育有形态完整且趋于稳定的浅滩, 但浅滩后缘高程低于479m, 现状有塌岸现象, 库水位在479m运行时仍有一定的塌岸宽度。

在个别地段, 现今塌岸现象不十分明显, 预测塌岸范围也较小, 但因库岸上农田和经济林较好, 又有村庄分布( 如豆营、珠窝园、施庄等) , 故将此岸段也划入中等塌岸段。

3.2.3 轻度塌岸类型

该类库岸低, 岸坡坡度较缓, 风浪对库岸作用微弱, 现库岸状态较为稳定, 在479m 水位运行时, 预测塌岸宽度较小。在个别地段虽然预测有一定宽度的塌岸发生, 但因其上多为荒地, 故也列入轻度塌岸类型段。塌岸总长度52.081 km, 见表1。

4 塌岸发展预测

采用佐洛塔廖夫长期塌岸宽度作图法对官厅水库塌岸进行预测分析, 用卡秋金公式法进行校核。预测结果: 严重塌岸段的预测塌岸宽度一般为90 ～160m,中等塌岸段的预测塌岸宽度一般为20 ～90m, 轻度塌岸段的预测塌岸宽度一般< 20m。

根据塌岸长期预测宽度和3 类塌岸分布的长度,可计算出因塌岸造成的土地损失面积, 见表2。由表2可知, 预测塌岸土地损失面积为2.67 km2。

5 塌岸综合治理技术方案探讨

5.1 塌岸治理方案的选择

从生态环境角度和工程投资考虑, 官厅水库塌岸治理采用生态防护措施最为合理。但根据官厅水库塌岸防护水位为汛后正常蓄水位479.0m, 而水库长期运用水位仅在473.0 ～474.0 m, 水位变幅较大, 当水位上涨幅度大, 被淹没的植物难以成活, 水位回落, 在水位变化区库岸仍然有坍塌的可能。另外, 库岸现状边坡绝大多数较陡, 为保证边坡稳定, 将岸坡人工削坡坡度约为1 ∶5, 因此造成工程永久占地增加量较大, 占用大量的农田, 不仅需另行安置农民生产和生活, 还需增加弃土场。再则植物根系的固土作用有限, 无法长期抵御风浪淘刷。此外, 当库水位升高, 被淹死的植物长期浸泡在水下, 会腐烂变质, 有可能影响水库水质。

采用工程防护措施适用于官厅水库防护水位变幅大的特点, 不仅能防止风浪作用对库岸的淘刷, 也能有效地抵御冰推力对岸坡的破坏, 同时具有永久性。但库岸全部采用浆砌石挡墙和浆砌石护坡, 起不到保护生态环境、涵养水源的作用。

综合工程措施和生态防护措施的利弊, 采用生态和工程治理相结合的综合治理方案较为切合实际。根据官厅水库1955—2001 年库水位统计, 水库运用水位低于473.5 m 的月份占总月份的27.66%, 低于476 m的月份占总月份的76.24%, 低于477.5m 的月份占总月份的94.68%, 而运用水位477.5 ~ 479 m 的月份仅占总月份的5.32 %, 由此可知, 水库长期在477.5 m水位以下运行。因此考虑477.5m 以下采用工程措施,以上采用生态防护措施。

5.2 塌岸综合治理方案

5.2.1 加筋土挡墙方案

在中、高型陡坡断面采用加筋土挡墙, 在土中加入格栅形成复合土。墙顶高程479.5m, 墙高约6.5m,临水面采用30 cm 厚具有透水性能的预制混凝土块,在479.5 m 高程回填土上种植旱生灌乔植物。为防止风浪淘刷挡墙基础, 墙脚设3m 宽、1.5m 厚的抛石护脚。典型断面如图1。

5.2.2 连锁板护坡方案

在自然岸坡缓于1 ∶2.5 断面处, 采用连锁板护坡, 板下铺1 层反滤土工布, 护坡顶高程为477.5 m,底高程为474.0m 左右, 坡脚处采用抛石和1.5m 深的浆砌石护脚, 并在水边种植芦苇; 当477.5 ～479.5 m高程之间天然地形为缓坡时, 种植固土能力及耐水性能较强的灌木及草本植物。当477.5 ～479.5 m 高程之间为陡坡或陡坎时, 采用土工管袋, 可大大减少土方开挖量和工程占地面积。连锁板开孔和接缝处也可种植草本植物, 也可采用新型护岸材料替代连锁板。

5.3 投资估算

根据例举的塌岸综合治理方案, 治理塌岸长度52.081 km, 估算投资约2 亿8 804 万元。

对综合治理技术方案与工程治理方案的工程投资进行分析比较: 加筋土挡墙综合治理方案投资505 万元/ km; 根据2005 年实施的官厅水库塌岸治理工程应急实施方案, 采用浆砌石挡墙和护坡形式工程治理方案, 工程投资652 万元/ km。综合治理技术方案投资较工程治理方案节约147 万元/ km, 显现了其在经济效益、社会效益及环境效益方面的优越性。

6 建议

(1) 在实际应用中, 应根据地质、地形和塌岸类型等条件不同而细化设计方案, 因地制宜, 以期达到良好的塌岸治理效果。

(2) 建议综合治理方案分期实施, 以利于总结经验, 逐步改进, 使综合治理方案不断完善。

(3) 应开展专门风险研究, 适当降低工程防护高程,降低工程措施的比重, 进一步降低工程投资, 相应加大生态治理措施的比重, 充分发挥治理方案的生态护岸功能, 涵养水源。

参考文献

[1] 官厅水库坍岸研究小组.水库坍岸研究[M].北京: 水利电力出版社, 1958.

[2] 宋岳, 段世委, 陈书文. 官厅水库塌岸影响因素分析[J].水利水电工程设计, 2004, 23( 1) .

作者简介: 李光远( 1977 — ) , 男, 工程师。

来源：《北京水务》2007.5