水库塌岸预测方法的运用浅析

孙春山

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

水库建成蓄水之后，由于水位升高，造成库内河流局部侵蚀基准面和两岸地下水抬高。库区水文地质条件发生变化，对库区及其邻近地带的地质环境产生不同程度的影响，从而引起各种工程地质问题，如水库渗漏问题，水库浸没问题，水库塌岸问题或岩质岸坡失稳，水库淤积及水库诱发地震问题。本文主要对水库土质岸坡塌岸问题进行浅析，对目前常用的塌岸预测方法进行介绍，并对预测方法的择选进行探讨。

1 水库塌岸的过程

水库塌岸的过程，就是在水库水动力作用下原岸坡的破坏和新岸坡的形成过程。

水库蓄水水位抬升，原本处于干燥环境的土石体遭受库水的浸湿或浸泡，其物理力学强度显著降低，加之蓄水后水面增宽，库水位变幅范围内的岸坡遭受波浪的冲蚀作用较原河流强烈，岸坡开始塌落。破坏的快慢决定于土体的强度和结构以及波浪能量的大小。初始塌落物质部分被沿岸流运走，部分大颗粒物质被波浪运向深水处堆积下来形成浅滩。随着库水涨落轮回变化，岸坡不断改造，水下浅滩的发展减小了近岸带的水深，加长了波浪击岸的路程，消弱了波浪冲蚀库岸的能力，当浅滩增长到足以消耗奔向库岸的波浪的全部能量时，冲蚀和堆积就基本停止下来，水上、水下岸坡都达到相对稳定状态，岸坡再造完成。

2 水库塌岸预测

水库塌岸可使岸边的建筑物、农田遭受毁坏，因此必须对水库塌岸进行预测，以便迁出塌岸范围内的建筑设施、避免在塌岸区内新建建筑工程及防治措施。目前常用的预测方法有工程地质类比法、卡丘金计算法、卓洛塔廖夫图解法。

（1）卡丘金计算法。

卡丘金法是以类比为基础的预测方法，可预测最终塌岸宽度，计算简图如图1，计算公式如下：

图1 卡丘金塌岸计算公式图解

式中St——坍岸最终宽度（m）；

N——与土颗粒大小有关的系数（粘土为1，冰碛亚粘土为0.8，黄土为0.6～0.8，砂土为0.5，砂卵石为 0.4）；

A——库水位变化幅度（m）；

β——水上岸坡稳定坡角（°）（表1）；

α——水下岸坡坡角（°），其大小与波高及岩性有关（图 2）；

ν——原始岸坡坡角（°）；

hB——浪击高度或浪爬高（m）；

hP——波浪冲刷深度（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 水上岸坡稳定坡角

图2 各种沉积物的水下岸坡坡角与波高的关系（据卡丘金）

（2）卓洛塔廖夫图解法。

此法较适用于具有非均一地质结构的库岸，如图3所示，水库塌岸后，其岸坡可分为五个带：Ⅰ、浅滩外缘斜坡；Ⅱ、堆积浅滩面；Ⅲ、冲蚀浅滩；Ⅳ、波浪爬升斜坡；Ⅴ、水上稳定边坡，各带的稳定坡角互不相同。塌岸后稳定剖面形态和位置与堆积系数Ka有关。所谓堆积系数是指不能被波浪搬走的堆积浅滩的体积V1与岸坡破坏部分体积V2的百分比，由表2确定。图解步骤如下：

图3 卓洛塔廖夫法最终塌岸预测剖面图

①绘制预测地点的地形地质剖面图。

②标出水库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作为波浪爬升高度hB,由最低水位向下，画出hp表示波浪冲刷影响深度。

④在波浪影响深度线上取一点a，该点的选取应使Ka值与表2数值相符。

⑤根据堆积浅滩的岩性和粒度成分、紧密程度，在a点向下绘出外缘斜坡坡角β1，向上绘出浅滩表面坡角β2交于地形线于b点。β1和β2的大小可由表2选取。

表2 水库塌岸自然坡角和堆积系数数值（据Г.С.卓洛塔廖夫等）

⑥由b点按β3值绘制浪蚀浅滩坡面线，与正常高水位交于c点。β3视岩性而定，见表2。

⑦由c点按β4值绘制波浪爬升带坡面线，与波浪爬升高度水位线相交于d点。β4由表2查取。

⑧由d点按β值绘制出水上稳定边坡。

⑨检验Ka值与表2中经验数值是否相符，如不符，向左或右移动a点，并按上述步骤重新作图，直到所求Ka值经验数值相符为止。堆积系数可用求积仪量出F1、F2求得。

3 预测方法简析

纵观卡丘金法与图解法，两者解决问题的思路基本一致，现对两方法简析如下：

（1）卡丘金法虽未考虑塌落物质再沉积对岸坡的保护作用，但推荐公式中，参数N为与土的颗粒成分有关的系数（粘土为1，冰碛亚粘土为0.8，黄土为 0.6～0.8，砂土为 0.5，砂卵石为 0.4），从而弥补了这一缺陷。公式中虽给出了各参数的参考值，在实际选用时，对于水上岸坡稳定坡角和水下岸坡坡角应加强现场调查和对地质条件相似的已建水库库岸的各类稳定坡角进行收集类比。

（2）图解法虽考虑了塌落物质再沉积对岸坡的保护作用，但表2中所列浅滩坡角（水下稳定坡角）β3数值与省内、外已建或再建的多座水库坍岸调查结果相比均偏小，如已建的白渔潭库区粉质粘土β3=8°～9°，已建的近尾洲库区粘土 β3=8°～9°、壤土 β3=10°，在建的云南小中甸库区含泥砂卵砾石β3=13°～15°。因此，在选用图解法进行塌岸预测时，应加强现场水上稳定坡角、浪击带坡角和水下浅滩稳定坡角的调查和地质条件相似的已建水库库岸的各类坡角，进行对比选用。图解中堆积系数Ka虽给出了经验值，但其只是根据不同岩性给出不同的参考值，在实际应用中还要结合水文气象因素、库岸形态等进行选用和取舍。

4 预测方法择选

综上所述，两方法均考虑了水库塌岸过程中塌落物质再沉积对岸坡的保护作用，对于一般库岸预测均能满足要求。但在实际运用中，根据不同的情况还需对上述方法进行变动，具体如下：

（1）上述介绍的卡丘金计算法仅适用于均质岸坡，对于双层或多层库岸进行预测时，公式变动如下：

式中mβi——水上岸壁第i层厚度（m）；

βi——第i层水上岸坡角；

n——岩土层的层数。

其余符号同前。

（2）当临库岸水下地形较陡，为深泓区时，塌落物质均被波浪运往远处，对岸坡不能形成保护作用。卡丘金计算公式中的N值去应取1，图解法中堆积系数Ka应取0。

（3）当库岸前存在一级阶地或河漫滩，且阶地或河漫滩高于水库最低水位时。卡丘金计算公式中则以阶地或河漫滩的后缘高程代替水库最低水位，且不必考虑波浪冲刷影响深度，其公式变动如下：

式中A——水库高水位与阶地或河漫滩的后缘高程差（m）。

其余符号同前。

同样此种情况下，图解法同样以阶地或河漫滩的后缘高程代替水库最低水位，也不必考虑波浪冲刷影响深度，做图第④步骤中a点取于阶地或河漫滩的后缘高程线以上进行作图，其它要求同前。

（4）当预测地段为“V”字型狭窄沟谷或冲沟时，由于溪沟来水量有限，沿岸流搬运能力弱，大部分塌岸物质被保留原地。针对此种地形地貌条件，卡丘金法不适用，应采用图解法进行预测，且两岸应同时进行预测，综合考虑两岸塌岸物质对岸坡的保护作用，并合理选用堆积系数Ka值。

（5）在实际库岸坍岸预测过程中，各种参数的选择还应考虑库岸的形态，同种条件下，水库凹岸塌岸轻微、平直岸段次之，凸岸段塌岸强烈。

5 结 语

（1）水库塌岸是由库岸原始坡度和地形、地层岩性、地层结构、水文气象及水动力条件等综合作用的结果。在不同水库和统一水库的不同地段，即使在相同的蓄水期内，塌岸的发展速度和程度也可能是不相同的。因此，必须在综合考虑各因素的基础上，抓住主导因素，才能正确分析水库塌岸的发展趋势，作出可靠的预测。

（2）影响塌岸宽度主要因素之一是水下稳定坡角，在预测塌岸宽度时，应加强现场水下稳定坡角的调查和地质条件相似的已建水库库岸水下稳定坡角的收集，进行对比选用。

（3）库塌岸过程中，塌岸物质对岸坡的保护作用也是影响塌岸宽度的重要因素。故在今后工作中研究特定水动力条件下不同岩性不同地形条件下的堆积系数是十分必要的。同样卡丘金推荐公式中，参数N在特定水动力条件下不同岩性不同地形条件下的取值也是值得研究的方向。

1 陆兆溱.工程地质学[M].北京：中国水利水电出版社，2001.

2 水利电力部水利水电规划设计院.水利水电工程地质手册[M].北京：水利电力出版社,1985.

3 左小平.湖南径流式电站水库土质岸坡坍岸预测浅析[M].长沙：湖南科学技术出版社，2004.

4 中华人民共和国国家标准.GB 50487-2008.水利水电工程地质勘察规范[S].2008.

5 中华人民共和国国家标准.GB 50287-2006.水力发电工程地质勘察规范[S].2006.