黃土地區水庫坍岸的影響因素及預測方法

程紅濤，代常友

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南洛陽471000)

水庫坍岸是一個復雜的工程地質問題，其形成也是岸坡物質在水庫水位升降過程中由穩定到破壞再到穩定的過程，對水庫安全及長期運營有重要控制作用，也是水庫本身及鐵路、公路等建設需要解決的工程地質問題。我國黃土地區分布廣泛，多屬干旱、半干旱氣候區，往往降水量小，蒸發量大，氣候干燥，河流受季節影響大，因此既有河流多修建了水利水電工程。在黃土地區修建的水庫蓄水后經常產生一系列的工程地質問題，水庫坍岸就是其中之一。

1 水庫坍岸及其發生、發展過程

水庫蓄水后，水位的變化將使庫岸地質條件發生改變，庫岸受回水浸潤、波浪沖刷磨蝕、水流侵蝕及干濕交替作用下失去原來的自然平衡條件，逐漸坍塌破壞，使水庫岸線后退，這種現象稱為水庫坍岸現象，促進坍岸現象發生的作用稱為坍岸作用[1]。

岸坡坍塌破壞后的坍落巖土體一方面受波浪的搬運和分選作用在一定的地區堆積，另一方面受暗流的搬運遷移，同時水下淺灘也逐漸形成和發展。隨著庫水位的周期運用變化，以上過程循環往復地不斷進行，結果在水位變動帶內形成了復雜的階梯狀淺灘，直至塑造的淺灘外形(包括寬度和坡角)能夠消耗擊向岸坡的全部波能時，波浪對岸壁的破壞作用方才停止。這時水上岸壁及水下淺灘達到相對穩定，坍岸過程也告結束[2]。水庫蓄水后，岸坡坍岸形成主要為崩塌、滑坡、錯落、剝落、沖刷磨蝕，其中以崩塌最為普遍。

2 山西地區黃土的特征

我國黃土主要分布在北緯33°～47°之間，為我國西北、華北與東北地區，尤其集中分布在被稱為中央黃土高原的陜西、甘肅、山西以及寧夏等省區。這一區域明顯的特征就是氣候干燥，降雨量少，蒸發量大，屬干旱、半干旱氣候類型。黃土是第四紀時期形成的廣泛分布的松散土狀堆積物，其主要特征是呈淺灰黃色或棕黃色，主要由粉粒組成，富含鈣質，疏松多孔，不顯宏觀層理，垂直節理發育，具有很強的濕陷性。

黃土分布往往不受地勢高低所限制，具有坡向性，產狀也往往與原始地形吻合，與下伏巖層呈假整合或不整合接觸，因此黃土與下伏巖層的接觸面大多起伏不平。黃土的厚度以黃河中游地區最大，一般厚100 m以上，最厚可達200 m或更多，黃河中游往西厚度逐漸變小，至甘肅等地厚度10～20 m，黃河中游往東至太行山麓厚度為10～40 m[3]。黃土地貌特征是溝谷眾多，地面支離破碎；易受侵蝕，發展迅速；溝道流域內有多級地形面。地貌類型有溝間地貌、溝谷地貌及獨特的溝谷潛蝕地貌等。

黃土結構疏松、多孔隙、大孔隙及垂直裂隙發育，且不具宏觀層理。黃土的孔隙多為管狀孔隙，孔隙大者達0.5～1.0 cm。孔隙內大都填充有不同數量的碳酸鹽礦物，部分孔隙幾乎全部被碳酸鹽礦物充填；黃土孔隙度較高，一般多在33 %～64 %之間變化。黃土中垂直節理發育，地表水沿裂隙面進行潛蝕作用易形成黃土穴、黃土井等洞穴；在黃土第的邊坡部位經常沿節理面發生崩塌，形成峭壁，有時甚至產生大規模的滑坡。

黃土的特殊結構及孔隙率高的特點使黃土具有特殊的工程地質性質——濕陷性，即黃土受水浸潤后，細粒黏土礦物和易溶鹽類溶解或分散使其強度降低，孔隙縮小或閉合，繼而體積縮小，造成地面坍陷。黃土濕陷性具有自新黃土至老黃土沿深度減弱直至消失的特征，同時在未達到飽和之前，隨著黃土中含水量的增加其壓縮性也增高，濕陷性也降低。黃土在一定條件下具有保持土的原始基本單元結構形式不被破壞的能力，在其結構強度未被破壞或軟化的壓力范圍內表現出壓縮性低、強度高等特征，但結構性一旦遭受破壞時，其力學性質將呈現屈服、軟化、濕陷等性狀；再者黃土顆粒間保持著比較疏松的高孔隙度組構而未在上覆荷重作用下被固結壓密，處于欠壓密狀態[4]。

黃土的顆粒組成以粉粒為主，含量可達60 %以上，其它為砂粒、黏粒；砂粒普遍以粉砂居多，細砂含量較少，顆粒大于0.25 mm的砂粒通常是沒有的；黏粒含量一般20 %左右。黃土礦物成分一般比較復雜，主要以石英為主，次為長石，含有白云母碳酸鹽和黏土礦物等輕礦物。黃土的化學成分主要以SiO2為主，次為Al2O3，含富含一定量的碳酸鹽礦物。

3 影響水庫坍岸的因素

水庫坍岸是一個復雜的地質問題，其成因并不是單一的，而是一個由多種復雜的因素引起的。

3.1 地貌因素

首先，岸線形態對坍岸的影響很大。黃土地區具有溝谷眾多、地面支離破碎的地貌特征，使得黃土地區的庫岸凹凸不平。伸入水庫內的凸岸，三面環水，受多向風浪的沖蝕，坍岸迅速而劇烈，坍岸寬度較大。凹岸一般為避風地帶，波浪和沿岸流搬運的物質往往在此堆積，形成堆積淺灘，對庫岸有保護作用，一般坍岸寬度較小。

其次，岸線高度、坡度與坍岸速度有較大關系。黃土地區溝道流域內具有多級地形面，在水深相同的情況下，高岸坍岸速度慢，低岸坍岸速度快。當陡岸岸前水深時，則坍岸速度快，最終坍岸寬度亦較大；緩岸的坍岸速度與寬度均較小；當緩岸坡度接近淺灘磨蝕角時，則不發生坍岸，或僅有少量坍岸。

其三，水下岸形不僅影響坍岸的隨度而且還影響淺灘的寬度和坡角。一般岸前有浸沒階地或漫灘的庫岸所形成的淺灘寬而緩，并可減弱波浪對庫岸的沖蝕，減少坍岸的速度；而水下岸形高陡的庫岸，波浪對岸壁的作用強烈，坍落物質被搬運的速度快，將加速水庫坍岸的過程，形成陡而窄的淺灘。

最后，庫岸的切割程度往往是坍岸發展的制約條件。在黃土地區，沖溝發育、切割破碎的庫岸坍岸嚴重；而岸坡平整、階地面寬闊、支溝不發育的庫岸則寬較輕。

3.2 地質因素

首先，巖性方面主要考慮抗沖刷能力等因素。抗沖刷能力的大小與地層的物質組成和密實程度有關。黃土的粉土粒組含量大，孔隙率高，垂直裂隙發育，崩解速度快，浸水后土的膠體聯結被破壞，抗剪強度大大降低，所以常形成快速、強烈的坍塌，坍岸寬度最大，淺灘坡度很緩。

其次，岸邊(特別是水位變動帶)的地層結構直接影響著坍岸的速度和寬度。黃土地區地層結構一般為較為簡單，黃土地層下部一般為基巖，呈假整合或不整合接觸關系。黃土結構疏松，孔隙率高，顆粒組成以粉粒為主，因此坍岸速度和最終坍岸寬度都比較大。黃土與下伏巖層的接觸關系不僅控制坍岸寬度，還可能引起黃土層沿下伏基巖接觸面的整體滑動。黃土具有垂直節理裂隙發育的特征，這對坍岸的速度和寬度影響也較大。

最后，地下水位的壅升將引起庫岸土體的濕化，降低黃土體的抗剪強度和承載能力；當庫水位下降時，又產生很大的動水壓力，加之土體內細顆粒的沖移及易溶礦物的溶蝕，黃土庫岸易于產生沉陷、崩塌、滑坡等不良地質現象，都將加劇坍岸的發展。

3.3 水文因素

首先,庫水浸泡和波浪作用是水庫坍岸的主要營力。波浪的破壞作用主要表現為擊岸浪對岸壁土體的不斷沖刷和磨蝕，通過沖刷、搬運、再沖刷、再搬運的形式周而復始的破壞著岸壁土體。對黃土體庫岸來說，波浪作用使黃土體庫岸形成浪蝕洞、倒坡而引起崩塌、滑動；浪越高，作用時間越長，波能越大，波浪的掏刷和磨蝕作用越強，相應的被搬運的坍落堆積物的能力越大，搬運速度越快，搬運距離越遠，形成的淺灘寬而緩。反之，對岸壁的掏刷與磨蝕作用能力弱，被搬運的坍落物質粒徑小，搬運的隨度慢、距離近，形成的淺灘陡而窄。

其次,水位變化幅度與各種水位的持續時間對淺灘的形態有很大影響。在其它條件都相同的情況下，庫水位的變化幅度越大，所形成的淺灘越寬，淺灘臺階也越多；水位持續的時間越長，波浪作用的頻率越高，淺灘的坡角越緩，寬度也越大；最終都將擴大坍岸的范圍。

最后,沿岸流是由于風浪對岸邊作用而產生的一種順岸水流，這種水流具有一定的流速，有沖刷和搬運坍落物的作用。沿岸流一方面沖蝕凸岸、岸嘴，使岸線趨向直化，加速坍岸的過程；另一方面搬運坍落物沿岸線堆積，有利于水下淺灘的穩定，減緩坍岸的發展。

3.4 淤積因素

庫岸坍塌和庫區淤積是同時進行而互相影響的。黃土地區往往水土流失較嚴重，河道一般多泥沙，水庫淤積嚴重。大量淤積有利于水下淺灘的形成，對岸坡能起保護作用，減緩了坍岸的發展。但淤積后，回水高度和地下水位相應抬高，又擴大了坍岸。黃土地區水庫淤積速度快，岸邊淤積淺灘形成很快，從而覆蓋和支護了水庫岸坡，使之很快穩定，坍岸寬度顯著的減小。

3.5 其它因素

水庫的地理位置不同其自然營力不同，所造成的坍岸程度亦不一樣。如峽谷地區、多風地區、寒冷地區等所造成的坍岸程度差別較大。

庫區部位不同坍岸程度亦不相同。庫首區和庫腹區坍岸較嚴重，庫尾區一般較輕。

植被條件也是影響水庫坍岸的一個因素。一般情況下，植被根系的固結作用可使河岸黃土體的抗沖刷能力增大。

地震會加劇坍岸的速度和嚴重程度。

4 黃土地區水庫坍岸的預測方法

水庫坍岸預測的目的是根據水庫區的工程地質條件和水庫運用期水位變化的情況等，定量的估計水庫蓄水后某一期限內以及最終的坍岸寬度、坍岸速度、形成最終坍岸的可能性期限，一邊做出庫岸農田規劃、城鎮規劃、道路等設施遷移計劃和防治措施[5]。

自水庫坍岸問題提出以來，先后眾多學者專家提出了許多預測方法及理論，其主要有卡丘金法、佐洛塔廖夫法、平衡剖面法、類比法等方法[6]，針對不同的預測方法具有不同的適用條件。對于黃土地區來說，目前多采用卡丘金法進行預測，預測結果也更符合實際情況。

卡丘金法岸坡坍岸預測計算公式是前蘇聯卡丘金于1949年提出了，其實質是依據實測的洪枯水位變幅帶及各類巖性岸坡長期穩定坡角，根據幾何關系用圖解法求解岸坡最終坍岸預測預測寬度。最終坍岸寬度是指從正常高水位與原始庫岸交線起至最終坍岸時庫岸的距離。

黃土庫岸最終寬度的長期預報公式見式(1)[7]，水庫坍岸預測圖解見圖1。

St=N[(A+hB+hP)cotα+(H-hB)cotβ-(A+hP)cotγ]

(1)

式中：St為最終坍岸寬度(m)；N為與土的顆粒成分有關的系數，黃土取0.6；A為庫水位變化幅度(m)；hP為波浪沖刷深度(m)，相當于1～2倍浪高(中小型水庫波高一般采用0.5～1.5 m)；hB為浪擊高度(m)，大體為0.1～0.8倍浪高；α為淺灘沖刷后水下穩定坡角(°)；H為正常蓄水位以上岸壁高度(m)；β為水上岸坡的穩定坡角(°)；γ為原始岸坡坡角(°)。

圖1 水庫坍岸長期預報圖解

對短期來講，可不考慮波浪沖刷深度(hP)及浪擊高度(hB)的影響，起點可從原河道最高洪水位起算。可將公式簡化為式(2)，水庫坍岸預測圖解見圖2。

圖2 水庫坍岸短期預報圖解

(2)

式中：S0為蓄水初期坍岸寬度(m)；H0為蓄水初期最高水位以上的岸壁高度(m)；P為正常蓄水位與原河道最高洪水位的差值(m)。其它同式(1)。

水下穩定坡角α與水上岸坡的穩定坡角β在沒有調查類比資料的情況下可參照表1[8]取值，其大值用于短期預測，小值用于最終值。

黃土地區往往泥沙淤積嚴重，對水庫坍岸影響顯著，應研究水庫的淤積特征及規律，預測水庫的淤積量及淤積速度，然后再根據預測的淤積過程曲線及不同年限不同部位的淤積高程進行坍岸預測，即隨著淤積高程的增高，水庫坍岸的起始原點也相應抬高。

表1 水下穩定坡角α與水上岸坡的穩定坡角β經驗值表

5 結束語

水庫坍岸時黃土地區水利水電工程必須應對的工程地質問題，也是庫岸農田規劃、城鎮規劃、道路等需要解決的問題。水庫坍岸是岸坡物質在水庫水位升降過程中由穩定到破壞再到穩定的過程。黃土地區水庫坍岸的影響因素較為復雜，黃土在我國分布廣泛，具有特殊的地貌特征、結構構造特征、濕陷性特征及物質組成特征，這些特征對黃土地區的水庫坍岸影響很大。因此黃土地區的水庫坍岸的影響因素主要為地貌、地質、水文及淤積等。水庫坍岸的預測方法很多，在黃土地區一般采用卡丘金法對水庫坍岸寬度進行預測，雖然預測結果偏于安全，但也比較符合實際情況。

[1] 官廳水庫坍岸研究小組.水庫坍岸研究[M].北京：水利水電出版社，1958

[2] 鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1999

[3] 曹伯勛.地貌學及第四紀地質學[M].中國地質大學出版社，1995

[4] 《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊[M].中國建筑工業出版社，2007

[5] 陸兆溱.工程地質學[M].2版.中國水利水電出版社，2001

[6] 穆鵬.黃河某水庫塌岸預測研究[J].安徽農業科學，2010,(2)

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

[8] 濮聲榮.黃土地區水庫岸坡變形[J].人民黃河，1983，(5)