水庫塌岸預測方法的運用淺析

孫春山

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

水庫建成蓄水之后，由于水位升高，造成庫內河流局部侵蝕基準面和兩岸地下水抬高。庫區水文地質條件發生變化，對庫區及其鄰近地帶的地質環境產生不同程度的影響，從而引起各種工程地質問題，如水庫滲漏問題，水庫浸沒問題，水庫塌岸問題或巖質岸坡失穩，水庫淤積及水庫誘發地震問題。本文主要對水庫土質岸坡塌岸問題進行淺析，對目前常用的塌岸預測方法進行介紹，并對預測方法的擇選進行探討。

1 水庫塌岸的過程

水庫塌岸的過程，就是在水庫水動力作用下原岸坡的破壞和新岸坡的形成過程。

水庫蓄水水位抬升，原本處于干燥環境的土石體遭受庫水的浸濕或浸泡，其物理力學強度顯著降低，加之蓄水后水面增寬，庫水位變幅范圍內的岸坡遭受波浪的沖蝕作用較原河流強烈，岸坡開始塌落。破壞的快慢決定于土體的強度和結構以及波浪能量的大小。初始塌落物質部分被沿岸流運走，部分大顆粒物質被波浪運向深水處堆積下來形成淺灘。隨著庫水漲落輪回變化，岸坡不斷改造，水下淺灘的發展減小了近岸帶的水深，加長了波浪擊岸的路程，消弱了波浪沖蝕庫岸的能力，當淺灘增長到足以消耗奔向庫岸的波浪的全部能量時，沖蝕和堆積就基本停止下來，水上、水下岸坡都達到相對穩定狀態，岸坡再造完成。

2 水庫塌岸預測

水庫塌岸可使岸邊的建筑物、農田遭受毀壞，因此必須對水庫塌岸進行預測，以便遷出塌岸范圍內的建筑設施、避免在塌岸區內新建建筑工程及防治措施。目前常用的預測方法有工程地質類比法、卡丘金計算法、卓洛塔廖夫圖解法。

（1）卡丘金計算法。

卡丘金法是以類比為基礎的預測方法，可預測最終塌岸寬度，計算簡圖如圖1，計算公式如下：

圖1 卡丘金塌岸計算公式圖解

式中St——坍岸最終寬度（m）；

N——與土顆粒大小有關的系數（粘土為1，冰磧亞粘土為0.8，黃土為0.6～0.8，砂土為0.5，砂卵石為 0.4）；

A——庫水位變化幅度（m）；

β——水上岸坡穩定坡角（°）（表1）；

α——水下岸坡坡角（°），其大小與波高及巖性有關（圖 2）；

ν——原始岸坡坡角（°）；

hB——浪擊高度或浪爬高（m）；

hP——波浪沖刷深度（m）；

H——浪爬高高程以上岸坡高度（m）；

1——正常高水位；

2——最低水位。

表1 水上岸坡穩定坡角

圖2 各種沉積物的水下岸坡坡角與波高的關系（據卡丘金）

（2）卓洛塔廖夫圖解法。

此法較適用于具有非均一地質結構的庫岸，如圖3所示，水庫塌岸后，其岸坡可分為五個帶：Ⅰ、淺灘外緣斜坡；Ⅱ、堆積淺灘面；Ⅲ、沖蝕淺灘；Ⅳ、波浪爬升斜坡；Ⅴ、水上穩定邊坡，各帶的穩定坡角互不相同。塌岸后穩定剖面形態和位置與堆積系數Ka有關。所謂堆積系數是指不能被波浪搬走的堆積淺灘的體積V1與岸坡破壞部分體積V2的百分比，由表2確定。圖解步驟如下：

圖3 卓洛塔廖夫法最終塌岸預測剖面圖

①繪制預測地點的地形地質剖面圖。

②標出水庫正常高水位和最低水位。

③有正常高水位向上取（0.3～0.4）h作為波浪爬升高度hB,由最低水位向下，畫出hp表示波浪沖刷影響深度。

④在波浪影響深度線上取一點a，該點的選取應使Ka值與表2數值相符。

⑤根據堆積淺灘的巖性和粒度成分、緊密程度，在a點向下繪出外緣斜坡坡角β1，向上繪出淺灘表面坡角β2交于地形線于b點。β1和β2的大小可由表2選取。

表2 水庫塌岸自然坡角和堆積系數數值（據Г.С.卓洛塔廖夫等）

⑥由b點按β3值繪制浪蝕淺灘坡面線，與正常高水位交于c點。β3視巖性而定，見表2。

⑦由c點按β4值繪制波浪爬升帶坡面線，與波浪爬升高度水位線相交于d點。β4由表2查取。

⑧由d點按β值繪制出水上穩定邊坡。

⑨檢驗Ka值與表2中經驗數值是否相符，如不符，向左或右移動a點，并按上述步驟重新作圖，直到所求Ka值經驗數值相符為止。堆積系數可用求積儀量出F1、F2求得。

3 預測方法簡析

縱觀卡丘金法與圖解法，兩者解決問題的思路基本一致，現對兩方法簡析如下：

（1）卡丘金法雖未考慮塌落物質再沉積對岸坡的保護作用，但推薦公式中，參數N為與土的顆粒成分有關的系數（粘土為1，冰磧亞粘土為0.8，黃土為 0.6～0.8，砂土為 0.5，砂卵石為 0.4），從而彌補了這一缺陷。公式中雖給出了各參數的參考值，在實際選用時，對于水上岸坡穩定坡角和水下岸坡坡角應加強現場調查和對地質條件相似的已建水庫庫岸的各類穩定坡角進行收集類比。

（2）圖解法雖考慮了塌落物質再沉積對岸坡的保護作用，但表2中所列淺灘坡角（水下穩定坡角）β3數值與省內、外已建或再建的多座水庫坍岸調查結果相比均偏小，如已建的白漁潭庫區粉質粘土β3=8°～9°，已建的近尾洲庫區粘土 β3=8°～9°、壤土 β3=10°，在建的云南小中甸庫區含泥砂卵礫石β3=13°～15°。因此，在選用圖解法進行塌岸預測時，應加強現場水上穩定坡角、浪擊帶坡角和水下淺灘穩定坡角的調查和地質條件相似的已建水庫庫岸的各類坡角，進行對比選用。圖解中堆積系數Ka雖給出了經驗值，但其只是根據不同巖性給出不同的參考值，在實際應用中還要結合水文氣象因素、庫岸形態等進行選用和取舍。

4 預測方法擇選

綜上所述，兩方法均考慮了水庫塌岸過程中塌落物質再沉積對岸坡的保護作用，對于一般庫岸預測均能滿足要求。但在實際運用中，根據不同的情況還需對上述方法進行變動，具體如下：

（1）上述介紹的卡丘金計算法僅適用于均質岸坡，對于雙層或多層庫岸進行預測時，公式變動如下：

式中mβi——水上岸壁第i層厚度（m）；

βi——第i層水上岸坡角；

n——巖土層的層數。

其余符號同前。

（2）當臨庫岸水下地形較陡，為深泓區時，塌落物質均被波浪運往遠處，對岸坡不能形成保護作用。卡丘金計算公式中的N值去應取1，圖解法中堆積系數Ka應取0。

（3）當庫岸前存在一級階地或河漫灘，且階地或河漫灘高于水庫最低水位時。卡丘金計算公式中則以階地或河漫灘的后緣高程代替水庫最低水位，且不必考慮波浪沖刷影響深度，其公式變動如下：

式中A——水庫高水位與階地或河漫灘的后緣高程差（m）。

其余符號同前。

同樣此種情況下，圖解法同樣以階地或河漫灘的后緣高程代替水庫最低水位，也不必考慮波浪沖刷影響深度，做圖第④步驟中a點取于階地或河漫灘的后緣高程線以上進行作圖，其它要求同前。

（4）當預測地段為“V”字型狹窄溝谷或沖溝時，由于溪溝來水量有限，沿岸流搬運能力弱，大部分塌岸物質被保留原地。針對此種地形地貌條件，卡丘金法不適用，應采用圖解法進行預測，且兩岸應同時進行預測，綜合考慮兩岸塌岸物質對岸坡的保護作用，并合理選用堆積系數Ka值。

（5）在實際庫岸坍岸預測過程中，各種參數的選擇還應考慮庫岸的形態，同種條件下，水庫凹岸塌岸輕微、平直岸段次之，凸岸段塌岸強烈。

5 結 語

（1）水庫塌岸是由庫岸原始坡度和地形、地層巖性、地層結構、水文氣象及水動力條件等綜合作用的結果。在不同水庫和統一水庫的不同地段，即使在相同的蓄水期內，塌岸的發展速度和程度也可能是不相同的。因此，必須在綜合考慮各因素的基礎上，抓住主導因素，才能正確分析水庫塌岸的發展趨勢，作出可靠的預測。

（2）影響塌岸寬度主要因素之一是水下穩定坡角，在預測塌岸寬度時，應加強現場水下穩定坡角的調查和地質條件相似的已建水庫庫岸水下穩定坡角的收集，進行對比選用。

（3）庫塌岸過程中，塌岸物質對岸坡的保護作用也是影響塌岸寬度的重要因素。故在今后工作中研究特定水動力條件下不同巖性不同地形條件下的堆積系數是十分必要的。同樣卡丘金推薦公式中，參數N在特定水動力條件下不同巖性不同地形條件下的取值也是值得研究的方向。

1 陸兆溱.工程地質學[M].北京：中國水利水電出版社，2001.

2 水利電力部水利水電規劃設計院.水利水電工程地質手冊[M].北京：水利電力出版社,1985.

3 左小平.湖南徑流式電站水庫土質岸坡坍岸預測淺析[M].長沙：湖南科學技術出版社，2004.

4 中華人民共和國國家標準.GB 50487-2008.水利水電工程地質勘察規范[S].2008.

5 中華人民共和國國家標準.GB 50287-2006.水力發電工程地質勘察規范[S].2006.