基于修正的两段法对某电站水库松散堆积体岸坡塌岸预测

贾建红，周传波，侯炳绅，曹伟轩，吴和平

(1．中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉430074;2长江三峡勘测研究院有限公司(武汉)，湖北武汉，430074;3．长江勘测规划设计研究院，湖北武汉430010)

基于修正的两段法对某电站水库松散堆积体岸坡塌岸预测

贾建红1，2，周传波1，侯炳绅3，曹伟轩2，吴和平2

(1．中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉430074;2长江三峡勘测研究院有限公司(武汉)，湖北武汉，430074;3．长江勘测规划设计研究院，湖北武汉430010)

水库塌岸是影响水电站库区移民工程的重要地质灾害问题，研究其塌岸模式、预测方法并预测最终塌岸宽度是十分必要的。通过对某水电站库区重点库段塌岸进行调查分析，该水电站库区塌岸模式以冲蚀磨蚀型和坍塌型为主;分析几种常用的塌岸预测方法，确定采用修正后的两段法预测该库区塌岸最终宽度;采用现场工程地质调查法、工程类比法等手段确定了库区塌岸预测参数，并对该水电站库区塌岸进行了预测，预测结果表明库区塌岸总长30．5 km，塌岸预测最终宽度为5～50 m。该研究可为库区移民工程提供重要依据。

水库塌岸;修正的两段法;松散堆积体岸坡;塌岸宽度

水库塌岸是影响水电站库区移民工程的重要地质灾害问题。水库塌岸的破坏方式一般分为突变式和渐进式两种［1］。突变式破坏可引起滑坡或崩塌等地质灾害，渐进式破坏则引起岸线缓慢后退并形成一定范围的削坡，即为库岸再造的一个过程。水库塌岸的发生势必会造成一定的危害，这种危害归纳起来主要表现在以下几个方面:一是塌岸产生的大量岩土体流入库区，产生附加淤积，势必减少电站的有效库容;二是塌岸的变形破坏势必会影响岸边构筑物及居民安全，尤其在城镇密集岸段，其危险性尤为严重;三是库岸在再造的过程中岸坡整体稳定性变差。因此，研究库区塌岸模式、塌岸预测方法并预测塌岸最终宽度是十分必要的。本文基于修正的两段法对某电站水库松散堆积体岸坡塌岸进行了预测研究，以为后期库区工程移民提供依据。

1 库区塌岸模式

1．1 某水电站库区概况

某水电站为低水头径流式电站，正常蓄水位为197 m，死水位为195 m，库区防洪运行控制水位为193．0 m，总库容为13亿m3，总装机容量为2 030 MW，本工程级别为一等，工程规模为大(1)型。

该电站库区属低山丘陵地貌，河谷相对较为开阔。库区分布地层主要以第四系冲积层、侏罗系及三叠系上统红层地层为主。库区城镇较为密集，主要分布于库岸阶地平台。水库蓄水后常引起一些工程地质问题，其中水库塌岸是常见的工程地质问题之一，而水库蓄水后产生的水库塌岸将对库区城镇居民生命财产安全和基础设施等产生严重危害。

1．2 库区塌岸模式

水库蓄水后，由于库水位周期性的抬升、消落，加之波浪作用，破坏了库岸原有的平衡状态，岸坡将以某种变形破坏的方式完成库岸再造，这种变形破坏方式为库岸的塌岸模式。汤明高等［2］、王逊等［3］总结归纳出了库区几种典型的塌岸模式，即冲蚀磨蚀型、坍塌型、滑移型等。

冲蚀磨蚀型是指在库水冲刷掏蚀、风浪、地表水、地下水及其他外部营力的综合作用下，岸坡物质成分逐渐被冲刷、磨蚀，然后被搬运带走，从而使原有库岸产生缓慢后退的库岸再造现象。它是近似河岸再造的一种库岸再造方式，是非淤积且稳定性较好的岸坡中存在的一种较为普遍的岸坡改造方式。这种类型的塌岸模式一般发生在地形坡度较缓的土质岸坡中，具有缓慢性和连续性的特点，且其规模较小。通过对某水电站库区塌岸模式进行调查分析，发现冲蚀磨蚀型塌岸在库区岸坡变形破坏中存在。

坍塌型是指岸坡在库水长期作用下，岸坡坡脚受到江水冲刷、掏蚀等作用，岸坡接触江水被软化、掏空，致使岸坡上部物质失去平衡，继而造成顶部岩土产生局部或整体坍塌，之后被江水逐渐搬运带走的一种岸坡变形破坏模式。坍塌型模式主要发育于砂土、粉质砂土和低液限黏土层中，其变形破坏的显著特征为竖向位移大于水平向位移，且具有突发性、规模较大、破坏性强等特点，尤其在库水急剧下降时易发生。该电站库区阶地物质多为二元结构，上部为低液限黏土和粉砂土，下部为砂卵砾石层，因此库区塌岸模式主要以坍塌型为主。

滑移型是指在库水及其他因素的作用下，岸坡物质沿着软弱夹层或已有的滑动面向江河发生整体滑移变形的现象，其规模一般较大。滑移型塌岸模式在该电站库区较为少见。

2 库区塌岸预测方法

本文在充分研究前人预测水库塌岸方法的基础上，结合该电站水库特点，采用符合本库区实际的塌岸预测方法进行计算与分析。

2．1 库区塌岸预测的一般方法

目前预测水库塌岸或水库岸坡再造规模的方法主要有类比法、动力法、统计法和试验法，并且多属于经验性或半经验性方法［4］。但由于各库区地形地貌、岩土结构、岸坡类型等复杂多变，至今所有的坍岸预测方法主要基于经验，没有严格的定量方法解决坍岸预测问题，因此在工程实践中这些坍岸预测方法依然被广泛应用。

2．1．1 卡丘金法

卡丘金法坍岸预测计算公式［5-7］的实质是根据洪水位和枯水位变动带之间的岸坡岩土长期稳定坡脚，并根据剖面几何关系用图解的方法计算最终塌岸宽度。到目前为止，卡丘金法计算塌岸宽度的公式很多，但其本质相同，其本质是岩土参数的选取，其直接影响预测精度。目前岩土参数主要通过室内试验、野外观测及工程类比的方法来获取。卡丘金法多用于岸坡自然坡角较大，岸坡物质多为砂土、粉砂土、粉质黏土及黏土等松软均匀的岸坡塌岸预测，也适用于大型水库的中、上游地带岸坡塌岸预测。

2．1．2 佐洛塔寥夫法

前苏联学者佐洛塔寥夫于1955年提出了利用图解法对岸坡最终塌岸宽度进行预测的方法［8］，即佐洛塔廖夫法。该方法认为水库中下游地段水深较大，河谷开阔，波高增加，在库岸破坏的各因素中波浪作用是主要的，并将塌岸后的岸坡分为浅滩外缘陡坡、堆积浅滩、冲蚀浅滩、爬升带斜坡和水上岸坡带等。该方法适用于水库中下游段、松散物质堆积岸坡的塌岸预测。

2．1．3 两段法

王跃敏等［9］经过多年的水库坍岸调查研究，提出了两段法塌岸预测方法。该方法认为塌岸预测线由水下稳定岸坡线和水上稳定岸坡线的连线组成时，水下稳定岸坡线由原河道多年最高洪水位和水下稳定坡角确定，水上稳定岸坡线由设计洪水位、毛细水上升高度和水上稳定坡角确定［9］。该方法适用于山区峡谷型水库，而峡谷型水库库面狭窄、风浪作用小，可不考虑风浪的作用。但使用两段法预测水库塌岸时，要注意应与其他计算方法相互比较，以合理取舍塌岸预测最终宽度值。

2．2 针对水电站库区提出的塌岸预测方法

根据《水电水利工程水库区工程地质勘察技术规程》(DLT 5336—2006)，塌岸预测分为短期预测和长期预测，本文只进行长期塌岸预测。长期塌岸宽度即指水库蓄水达到正常蓄水位与死水位之间的水位变化形成的塌岸最终宽度，此时考虑了水库蓄水后的淤积影响。

前述的普通两段法适用于峡谷型水库且未考虑风浪的作用，本次水库岸坡塌岸预测拟采用修正后的两段法，其原因主要基于两点:一是本电站水库河谷开阔，且长江岸坡多为松散堆积体岸坡，在水库蓄水后，库水受风浪影响较大，在塌岸预测中需考虑波浪的爬高;二是该电站为低水头径流式电站，其在运行期间库水流速仍较大，因此需考虑波浪影响深度。而普通两段法未考虑以上两个因素。

综合本电站库区地形地貌、地层岩性、岸坡类型、居民区安全等因素，本文塌岸预测方法采用修正后的两段法，即在普通两段法的基础上，考虑波浪影响深度和波浪爬高等因素对库岸再造的影响。修正后的两段法塌岸预测方法图解详见图1。

图1 修正后的两段法塌岸预测方法图解Fig．1 Graphic of the modified two-section method for bank collapse forecasting

图1中，St为塌岸预测最终宽度(m);α为水下稳定坡角(°);β为水上稳定坡角(°);hp为波浪爬高(m)，影响对象为耕园地时取0．5 m，居民区取1． 0 m;b为波浪冲刷影响深度(m)，据成都理工大学、水利部长江勘测技术研究所和吉林大学等单位联合开展的三峡库区二期地质灾害防治科研——库区塌岸防治专题项目2的研究成果《三峡库区塌岸模式、塌岸预测参数与塌岸范围预测评价研究》，以及相关工程类比，其值按1～2倍波浪爬高取值，本次取1．5 m。

修正后的两段法与普通两段法的本质大致相同，其区别主要有三点:一是塌岸预测的起始点不同，普通两段法水下稳定岸坡的起始点采用水库死水位，修正后的两段法水下稳定岸坡的起始点采用死水位减去波浪冲刷影响深度;二是水上稳定岸坡的起始点不同，普通两段法水上稳定岸坡的起始点采用设计高水位，修正后的两段法水上稳定岸坡的起始点采用的是设计高水位(正常蓄水位时的多年平均入库流量回水位)加上波浪爬高;三是预测最终塌岸宽度的计算方法不同，普通两段法的塌岸宽度是预测塌岸最终后缘点与设计高水位跟原岸坡交点之间的水平距离，修正后的两段法的塌岸预测最终宽度则是预测塌岸最终后缘点与土地征收线或居民迁移线之间的水平距离。

3 塌岸预测参数的确定

3．1 塌岸预测起点

一般情况下，以水库死水位以下波浪冲刷影响深度处的地面为塌岸预测起始点，但当库岸前分布有阶地或漫滩等平台地形，其地面高程高于死水位时，以平台后缘与岸坡接触处作为塌岸预测起始点。

3．2 水下稳定坡角(α)和水上稳定坡角(β)的确定

水下稳定坡角(α)的确定方法有两种:一种是工程地质调查法，根据现有的水库资料，分析得出不同岩土层所形成的水下岸坡坡角，以此来确定预测库岸边坡的水下稳定坡角;另一种是综合计算法，它是在地质调查法的基础上总结得出，对于砂性土及碎石类土，取α=(内摩擦角)，对于黏性土，则用增大内摩擦角的方法来考虑内聚力c的影响，使α(综合内摩擦角)，并采用剪切力公式计算即

水上稳定坡角(β)的确定方法与水下稳定坡角(α)的一样，只是对于综合计算法，其参数为天然快剪试验数值，γ选用天然容重，H为水上稳定岸坡线所对应的原岸坡高度。

通过对该电站库区6段重点塌岸库段地质测绘和现场调查结果进行分析，将库区重点库段局部土质岸坡水位变幅带内坡角列于表1。

表1 库区重点库段岸坡水位变幅带内坡角现场调查统计表Table 1 Field survey statistics of the slope angle of amplitude area in the main segments of the reservoir bank

由表1可见:一是水下稳定坡角主要位于河漫滩部位，地形平缓，并不能完全反映各土体的水下稳定坡角(α)的真实状态，部分值较低;二是调查部位土层主要为砂卵石等河漫滩物质，而塌岸预测部位主要为阶地物质即崩滑堆积及残坡积物，代表性不强。因此，库区塌岸预测参数特征值需根据现场调查结果，并采用工程类比法选取，类比工程主要参考三峡库区及《水利水电工程地质手册》等资料，最终确定的库区塌岸预测稳定坡角建议值见表2。

表2 库区塌岸预测最终稳定坡角建议值Table 2 Suggested values of the stable slope angle of reservoir bank collapse forecasting

4 库区典型剖面塌岸预测

本文选取龙华镇作为典型塌岸预测。龙华镇属长江一级阶地平台，地势较平坦，阶地平台宽350～750 m，地面高程为202～215 m，高差约13 m，岸坡地形坡角为29°～36°。第四系为长江冲积物，钻孔揭露厚18～26 m，最厚达37 m，具二元结构，上部为低液限黏土，厚 13～24 m，下部为砂卵砾石，厚5～10 m，覆盖层下伏基岩为侏罗系上统遂宁组黏土质粉砂岩。

库区死水位为195 m，从该库段岩土结构分析，岸坡塌岸产生于低液限黏土层。塌岸预测水下稳定岸坡的起始点采用死水位减去波浪冲刷影响深度，波浪冲刷影响深度为1 m(居民区)，即水下稳定岸坡的起始点高程为194 m;水上稳定岸坡的起始点采用的是设计高水位(正常蓄水位时的多年平均入库流量回水位)加上波浪爬高，该库段197 m蓄水时多年平均入库流量回水位高程为197．34 m，波浪爬高为1．5 m，即水上稳定岸坡的起始点高程为198．84 m。低液限黏土水下稳定坡角为16°，水上稳定坡角为25°。

依据以上参数，本文选取龙华镇LH2-LH2'典型剖面(见图2)，并采用修正的两段法进行塌岸预测，预测得到塌岸宽度为49．25 m，塌岸后缘高程为215．76 m。塌岸预测最终宽度是预测塌岸最终后缘点与居民迁移线之间的水平距离，该库段居民迁移线高程为200．97 m，与正常蓄水位时的多年平均入库流量回水位之间的平面距离(即淹没宽度)为6．37 m，塌岸预测最终宽度为预测塌岸宽度与淹没宽度的差值，即龙华镇LH2-LH2'剖面塌岸预测最终宽度为42．88 m。

图2 塌岸预测地质剖面图(LH2-LH2')Fig．2 Geological section map of bank collapse forecasting(LH2-LH2')

该电站库区共存在塌岸24段，其中长江干流16段、支流8段。本文针对某电站库区24个库段，每个库段选取典型剖面，并根据库区所确定的水上稳定坡角和水下稳定坡角，采用修正后的两段法进行塌岸预测。在24个存在塌岸的库段中有6段人口密集、塌岸所造成的损失大，如金刚沱段和黄谦段塌岸范围影响到成渝铁路，其中库区6段库岸塌岸预测结果见表3。

本次预测库区塌岸岸线长30．5 km，塌岸预测最终宽度一般为5～25 m，最宽达50 m，塌岸影响人口约950人，影响铁路长2 620 m。

表3 库区部分库段塌岸预测结果Table 3 Result of bank collapse forecasting in some segments of the reservoir

5 结 论

本文基于修正的两段法通过对某水电站库区重点库段塌岸进行预测，得到如下结论:

(1)综合考虑电站库区岸坡结构、地层岩性及厚度、岸坡坡角等因素，本库区塌岸模式以坍塌型为主，其次为冲蚀磨蚀型塌岸。

(2)通过对塌岸预测方法进行分析，库区塌岸预测方法采用修正后的两段法进行预测。

(3)采用工程地质调查法并综合计算法及工程类比法，确定了库区塌岸预测中水下稳定坡角和水上稳定坡角。

(4)水库蓄水后，电站库区产生塌岸的库段有24段，预测塌岸岸线长30．5 km，塌岸预测最终宽度一般为5～25 m，最宽达50 m。

(5)通过对该水电站库区塌岸预测的研究，可为后期工程移民提供重要依据，同时本文对塌岸模式、塌岸预测方法以及所确定的塌岸预测参数的研究，将对同类工程具有一定的指导意义。

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Bank Collapse Prediction of the Loose Accumulation in a Hydropower Station Reservoir Based on the Modified Two-Section Method

JIA Jianhong1，2，ZHOU Chuanbo1，HOU Bingshen3，CAO Weixuan2，WU Heping2
(1．Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan430074，China;2．Three Gorges Geotechnical Consultants Co．，Ltd．，Wuhan430074，China;3．Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，Wuhan430010，China)

Reservoir bank collapse is one of the most severe geological disasters，which influences the immigration engineering in the reservoir of hydropower stations．Therefore，it is necessary to study the types and forecasting methods of bank collapse and obtain the final width of bank collapse．Through investigating the geology about bank collapsing of the key segments of a hydropower station reservoir，this paper finds two main bank-collapsing types，namely，the wash and abrasion type，and the collapse sliding type．Then，the paper analyzes some common methods of forecasting bank collapse and determines to use the modified two-section method to predict the final width of bank collapse．With the methods of field survey and engineering analogy，the paper also ascertains the forecasting parameters．Finally，the results of bank collapse forecasting show that the total length of bank collapse is 30．5 km and the final width is 5～50m，which provides an important basis for the immigration engineering of the reservior．

reservoir bank collapse;modified two-section method;bank slope of loose accumulation;width of bank collapse

X43;P642．21;TV62

ADOI:10．13578/j．cnki．issn．1671-1556．2016．05．008

1671-1556(2016)05-0050-05

周传波(1963—)，男，教授，博士生导师，主要从事地下建筑工程与岩土工程等方面的研究。E-mail:cbzhou@cug．edu．cn

2016-04-20

2016-05-12

贾建红(1984—)，男，博士研究生，工程师，主要研究方向地下空间信息技术。E-mail:cugjjh@163．com