山西某水庫黃土岸坡的塌岸影響因素及預測方法

孫　輝（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，新疆　石河子　832000）

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山西某水庫黃土岸坡的塌岸影響因素及預測方法

孫輝
（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，新疆石河子832000）

摘要：塌岸是影響黃土地區水庫的重要問題之一。庫岸土體濕度的變化導致土體物理力學性質發生改變，影響庫岸穩定性，造成水庫塌岸，水庫塌岸導致沿岸植被破壞，水土流失加劇，因此必須對其作出預測，定量估計塌岸寬度。本文分析黃土地區水庫塌岸的影響因素，并通過采用卡丘金法對水庫塌岸進行了預測。

關鍵詞：水庫塌岸；黃土地區；影響因素；預測方法

1　水庫塌岸的發展過程

水庫蓄水后，水位的變化將使土質岸坡發生坍塌破壞現象，又稱水庫邊坡再造，在黃土地區是水庫的重要環境地質問題［1-2］。在這個過程中，庫水改變了庫岸土質的含水量，使容重加大、抗剪強度降低，引起土體軟化、崩解以至坍滑。又因水面展寬后，風浪增大，庫岸在波浪的侵蝕、沖擊和淘刷作用下，下部土體被淘空，上部土體失去支撐而塌落，岸線隨之后移。塌滑物經水流搬運、分選后形成淺灘。在水和波浪的不斷作用下，庫岸破壞繼續發生，岸線不斷后移，淺灘逐漸增大，直到水上岸壁與水下淺灘達到相對平衡時，庫岸才趨于穩定［3］。

2　水庫區地形地貌及黃土特征

河谷兩岸為梁狀黃土丘陵地貌，梁間主要發育若干條沖溝，切割深度40～100 m，沖溝溝壁陡峭，呈“V”字型。兩岸黃土梁多為寬梁，頂部坡度較小，向兩側沖溝和河谷緩傾，向兩側隨高程增加逐漸變窄。黃土梁前緣沖溝林立，長度較短，呈梳狀分布。工程區黃土大面積分布，黃土分布往往不受地勢高低限制，具有坡向性，產狀往往與原始地形吻合，與下伏基巖呈假整合接觸。庫區黃土分為2層，上層為第四系上更新統馬蘭黃土（Q3m），下層為第四系中更新統離石黃土（Q2l）。馬蘭黃土呈灰黃色或淺棕黃色，結構疏松，孔隙發育，垂直節理發育。離石黃土多呈淺紅色或紅色，夾若干層古土壤，結構較密實。2種黃土顆粒組成均以粉粒為主，占比可達80%，粘粒含量20%左右。

3　影響水庫塌岸的因素

3.1地貌因素

庫區沖溝發育，地形破碎，使得庫岸凹凸不平。深入水庫內的凸岸，三面環水，受多向風浪的沖蝕，塌岸迅速而劇烈，塌岸寬度較大。凹岸一般為避風地帶，波浪和沿岸搬運的物質往往堆積于此，形成淺灘，對庫岸有保護作用，塌岸寬度較小。庫岸高度、坡度與塌岸有直接關系。在水深相同的情況下，庫岸高的地段塌岸速度慢，庫岸低的地段塌岸速度快。坡度大的地段塌岸速度快，塌岸寬度亦較大，坡度緩的地段塌岸速度與塌岸寬度較小。在黃土地區，沖溝發育、切割破碎的庫岸塌岸嚴重，而岸坡平整、階面寬闊、支溝不發育的庫岸塌岸較小。

3.2地質因素

庫區庫岸主要為黃土，其粉粒含量大，孔隙率大，垂直節理發育，浸水后抗剪強度大大降低，所以塌岸寬度大，淺灘的坡度較小。黃土地區地層結構一般較為簡單，黃土底層下一般為基巖，呈假整合或不整合接觸關系。黃土結構疏松，因此塌岸速度與塌岸寬度都比較大。黃土還可能沿下伏基巖接觸面整體滑動。黃土毛細水上升高度較大，地下水位壅高將引起黃土濕度變大，降低黃土的強度和承載力。當庫水位下降時，又產生很大的動水壓力，加之黃土顆粒的抗沖刷能力較差，都將加劇塌岸的發展。另外，水文條件、風化作用、地震作用、植被覆蓋情況以及波浪作用、凍融作用和地表水的沖刷等都會對塌岸產生影響，因此，黃土塌岸的發生和發展是極其錯綜復雜的，影響因素也很多。

4　庫區黃土塌岸的預測方法

水庫塌岸預測是根據水庫區的工程地質條件和水庫運行期間水位變化的情況等，定量估算水庫蓄水后的塌岸寬度，作出一定的防治措施。

圖1　塌岸典型地質剖面

水庫塌岸問題有諸多預測方法和理論。對黃土地區，目前多采用卡丘金預測法進行預測。卡丘金預測法根據幾何關系用圖解法求解最終塌岸寬度。最終塌岸寬度是指從正常高水位與原始庫岸交線至塌岸最終庫岸的距離［4］。

選取下式估算塌岸寬度：

式中：St -塌岸最終寬度（m）；A -庫水位變化幅度（m）；N -與土的顆粒大小有關的系數，黃土采用N = 0.6；hP-波浪沖刷深度（m），相當于1～2倍浪高（中小型水庫一般采用0.5～1.5m）；hB-浪擊高度及浪爬高度（m），為0.1～0.8倍浪高；H -正常蓄水位以上岸坡高度（m）；α-淺灘沖刷后水下穩定坡角（°）；β-預測的庫岸水上穩定坡角（°）；γ-原始岸坡坡角（°）。其中，α、β可在相關手冊中查找，結合室內試驗進行選取。該方法計算精度取決于參數的選取，如N的選取，當原始岸坡較陡，水深較大時，N值應適量增大，否則計算結果會有比較大的偏差。

對可能產生塌岸的庫岸選取典型地質剖面（見圖1），選取合適參數運用公式估算最終塌岸寬度，在平面圖中標出塌岸范圍，在平面圖中量測塌岸分區的寬度，對分區內截取剖面估算水上岸坡平均高度，并最終估算塌岸方量。

5　小結

水庫塌岸是黃土地區水利水電工程必須應對的工程地質問題，黃土地區水庫塌岸的影響因素較為復雜。黃土地區一般采用卡丘金預測法對水庫塌岸進行預測，由于水庫塌岸過程中，會在坡腳形成淺灘，對庫岸有保護作用，減小塌岸影響，預測結果偏于安全，但比較符合實際情況。

參考文獻

［1］彭土標.水力發電工程地質手冊［M］.北京：中國水利水電出版社，2011.

［2］常士驃，張蘇民.工程地質手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社（第四版），2007.

［3］宋岳，段世委，陳書文，等.官廳水庫塌岸影響因素分析［J］.水利水電工程設計，2004，23（1）：34-37.

［4］程洪濤，代常友.黃土地區水庫塌岸的影響因素及預測方法［J］.四川建筑，2014（6）：121-123.

收稿日期：2016—04—09