小浪底库区垣曲段塌岸参数及其影响因素研究

杨金林 吴国宏 刘庆军 王耀军

摘要：小浪底库区黄土塌岸再造发育已危及沿岸居民区、工矿企业及公路的安全，若想对此类库岸的塌岸范围和规模做出准确的预测评价，预测塌岸参数是关健。通过大量调查，归纳总结出了横向类比和纵向类比两种预测塌岸参数取值的方法。同时在对小浪底库区垣曲段（沈河、毫清河、黄河）和二个类比水库（三门峡、官厅）典型塌岸的大量现场调查、参数实测的基础上，综合给出了垣曲段两种容易产生塌岸的岩土体塌岸关健参数水下堆积坡角θ、冲磨蚀坡角α、水上稳定坡角β特征值。调查结果表明，岩土体结构越松散、库水动力条件越强、粗粒径料含量越少，塌岸关健参数越小。

关键词：水库塌岸；预测参数；特征值；冲磨蚀型；坍塌型；小浪底水库

中图分类号：TV223.2 文献标志码：A doi：10.3969/ j.issn.1000-1379.2018.01.022

小浪底水利枢纽蓄水运行后，库岸再造现象十分普遍，尤其是近两年，随着部分地区遭受强降雨连袭以及库水位的变化，灾害危及的范围逐渐扩大、人数日益增多，库周塌岸地质灾害问题已直接威胁到当地群众的生命财产安全，引起了国家的高度重视。因此，准确预测塌岸范围和规模是保障小浪底水库库区和周边地区和谐稳定的前提。20世纪，卡丘金、佐罗塔廖夫、萨瓦连斯基等[1-3]研究了水库塌岸问题，提出了塌岸预测方向的图解法和公式法。目前在国内水库塌岸预测中应用最多且相对有说服力的长期塌岸预测方法主要有工程类比法[1-2，4]、图解法[1-3]、兩段法[5]、图解修正法[6]。以上塌岸预测方法计算水库塌岸都涉及到一个关键问题——塌岸预测参数的选取。截至目前，国内外有关塌岸预测参数的系统研究甚少，汤明高等[7]对三峡库区塌岸预测参数进行过较为系统的研究，给出了三峡库区各种岩土体的塌岸预测参数及相似水库的塌岸预测参数；何元宵[8]给出了不同成因土体塌岸预测参数建议值并给出了预测参数的适用范围。然而，北方的大型河流塌岸参数研究成果鲜见文端，多采用工程类比或参考卡氏图选取塌岸预测参数[9-11]，其预测结果往往与实际出入较大。因此，本文依据小浪底库区典型黄土岸坡塌岸段实地测量统计资料，对垣曲段黄土塌岸关键预测参数及其影响因素进行研究。

1 塌岸预测参数及其调查取值

1.1 塌岸预测参数

不同的岸坡结构在小浪底水库运用方式下产生的塌岸破坏模式有所不同，通过对典型塌岸段（沇河、毫清河及绳池黄河右岸）库岸塌岸调查分析，小浪底水库黄土塌岸模式以冲磨蚀型和坍塌型为主。冲磨蚀型黄土塌岸是在水库正常运用过程中，库水升降、风浪、洪水冲刷侵蚀等外力作用下，岸坡物质被库水携带走，从而使库岸边线后移，库岸岸坡再造，这种破坏模式在调查段库区较为常见，如沇河、毫清河两岸塌岸多为此类模式；坍塌型指岸坡坡脚在库水长期浸泡或河水冲刷作用下，上部物质失去下部支撑，出现下挫或坍塌，岸坡物质被河水携带走出现的一种变形破坏模式。

2012-2013年对库区典型塌岸段剖面的测量得知，库区典型塌岸段岸坡破坏过程中普遍出现以下特征角：①水下堆积坡角（θ），库水升降反复冲刷库岸岸坡，岸坡在水下浅滩形成的稳定坡角；②冲磨蚀坡角（α），是指在小浪底水库正常蓄水位调度范围230-275m内岩土体的稳定坡角；③水上稳定坡角（β），小浪底水库正常高水位275m以上的岸坡，受外界地质作用而形成的稳定坡角。

通过对沇河4.5km、毫清河7.8km及绳池黄河大桥附近1.8km岸坡的调查统计分析得知，冲磨蚀型塌岸占总长度的86.8%（长度约12.24km），坍塌型塌岸占总长度的10.9%（长度约1.56km），其余为少量的滑移型。从统计结果分析，小浪底库区以冲磨蚀塌岸为主。可见，进行水下冲磨蚀坡角α和水上稳定坡角β特征研究非常必要。小浪底水库调水调沙期间运行水位较低，针对塌岸较为严重地段，布置26条断面，对水下磨蚀坡角进行实测。

1.2 塌岸预测参数的调查方法

采用横向类比调查和纵向类比调查方法对小浪底库区典型塌岸段关键塌岸预测参数进行统计分析。

（1）横向类比调查。横向类比调查法就是通过调查运行多年类似水库的塌岸预测参数来获得即将运行水库的塌岸预测参数。就区域而言，三门峡水库与小浪底水库的地质背景较为相近，其水库的运用方式也有相似之处，因此三门峡水库塌岸预测参数具有很好的参考性。

（2）纵向类比调查。当水库稳定运行一段时间后，库岸岸坡地貌重分布趋于稳定，可以对水库某一段库岸进行塌岸参数实测，以获得该水库的塌岸关键预测参数（θ、α、β）。

2 关键塌岸预测参数特征值

2012-2013年对26处典型塌岸段进行实测和统计，总结了黄土塌岸预测参数特征值。

2.1 沇河冲洪积岸坡塌岸预测参数特征值

沇河两岸地貌发育不对称，左岸以Ⅰ级阶地及洪积扇为主，基本不存在塌岸；右岸为Ⅰ、Ⅱ级阶地，存在塌岸。Ⅰ级阶地主要为Q4al+pl，Ⅱ级阶地为Q3al+pl。右岸岸坡组成物质为抗冲蚀能力较低的粉质黏土，土体结构均一，垂直节理发育，强度低。选取10个典型塌岸剖面进行测量，实测期间野外轻型勘探未见沙砾石层，推测沙砾石层顶面高程在230m以下。此类塌岸为冲磨蚀型。统计（图1～图3）得知：沇河右岸粉质黏土岸坡水下堆积坡角最小值的均值为3.3°，最大值的均值为9.3°，平均值的均值为6.9°；水下冲磨蚀坡角最小值的均值为5.3°，最大值的均值为13.1°，平均值的均值为8.9°；水上稳定坡角最小值的均值为36.5°，最大值的均值为41.5°，平均值的均值为39.1°。

2.2 毫清河冲洪积岸坡塌岸预测参数特征值

根据勘探[12]结果，毫清河岸坡为二元结构，上部以粉质黏土夹薄层状粉土为主，粉土夹层厚度一般为0.30.5m；下部为半胶结的沙砾石层，沙砾石层埋藏较深，位于小浪底水库正常低水位230m下。故本次实测典型塌岸物质以粉质黏土夹薄层状粉土为主，薄层状粉土厚0.1～0.3m。根据野外调查统计（图4～图6）得知：毫清河右岸岸坡水下堆积坡角最小值的均值为3.4°，最大值的均值为8.9°，平均值的均值为6.7°；水下冲磨蚀坡角最小值的均值为6.2°，最大值的均值为12.3°，平均值的均值为9.3°；水上稳定坡角最小值的均值为44.5°，最大值的均值为51.4°，平均值的均值为48.1°。

2.3 渑池黄河大桥右岸洪积岸坡塌岸预测参数特征值

选取绳池黄河大桥右岸5个典型剖面进行实测，其中剖面A-A坡脚出露沙砾石层，沙砾石粒径一般为2～7cm，中密状态，分选、磨圆性较好，呈松散一半胶结；上部为中密状态的粉质黏土。根据统计结果（表1）得知：绳池黄河大桥右岸附近砂砾石层（剖面A-A）水下堆积坡角最小值为8.0°，最大值为12.0°，均值为11.0°；水下冲磨蚀坡角最小值为22.0°，最大值为24.0°，均值为23.0°；粉质黏土岸坡形成的水下堆积坡角最小值的均值为5.5°，最大值的均值为11.0°，平均值的均值为9.0°；水下冲磨蚀坡角最小值的均值为8.8°，最大值的均值为18.3°，平均值的均值为13.8°；水上稳定坡角最小值的均值为44.8°，最大值的均值为62.5°，平均值的均值为53.8°。由于松散一半胶结的沙砾石层密度较大，岩土体结构较为紧密，组成岸坡物质粗粒径较多，因此同等水力条件下，实测的塌岸预测参数较粉质黏土略大。

3 类比水库塌岸预测参数特征值统计

为了验证小浪底库区典型塌岸段调查统计的塌岸参数，选取运行多年、地形地貌、运用方式和水动力条件相似的三门峡水库、官厅水库部分塌岸参数（见表2，塌岸研究较少，官厅水库的α、θ及三门峡水库的α都没有收集到）进行类比。可知：沇河水下堆积坡角为6.9°，毫清河水下堆积坡角为6.7°，三门峡水库水下堆积坡角为6.0°；沇河水上稳定坡角为39.1°，毫清河水上稳定坡角为48.1°，三门峡水库水上稳定坡角为49°，官厅水库水上稳定坡角为45°。一般情况下，相似的岩土体，如果水动力条件越强，则岸坡越容易产生再造，其塌岸参数特征值往往越小；反之，塌岸参数特征值越大。鉴于支流（沇河、毫清河）与干流、堆积段库岸与侵蚀段库岸的库水动力条件的差异，统计结果显示，支流两岸岸坡的塌岸特征参数一般大于干流同类岩土体的塌岸特征参数。

4 塌岸预测参数影响因素

4.1 内部因素

（1）地层岩性和岸坡结构。地层岩性和岸坡结构是控制塌岸的主要因素。不同地层岩性塌岸的发育频度和规模存在很大差异。不同岩、土岸坡具有不同的抗剪强度和抗冲刷能力，其形成的塌岸预测参数也有所不同，一般松散的岩土物质塌岸预测参数较小，而颗粒较粗、胶结较好的物质形成的塌岸预测参数较大。地层岩性不仅直接控制着塌岸预测参数形成的速度和形式，还决定浅滩的形状、坡角和宽度。密实的黏土凝聚力大、抗冲性较强，水下浅滩形成较慢。胶结或胶结好的沙砾石层抗剪强度较高，抗冲蚀性较强，遇水较稳定，形成浅滩宽度较小，塌岸预测参数较大。

调查结果表明：岸坡结构对塌岸预测参数影响较大。土体粒径越小，塌岸预测参数越大；密实度和固结度越高，塌岸预测参数越大；级配好的土体塌岸预测参数大，级配不良的土体塌岸预测参数小。因此，形成年代久的塌岸预测参数往往大于形成年代近的土体塌岸预测参数。

（2）矿物成分。岩土体的矿物成分不同，其矿物间联结力和亲水特征也有所不同，亲水矿物成分越多，遇水崩解越快，越易形成大量的坍塌和宽缓的浅滩，塌岸预测参数则越小。

4.2 外部因素

（1）风（浪）作用。水库蓄水后，水面变得开阔，波浪作用进一步增强，对岸坡的侵蚀与淘刷作用就越强。激浪对库岸坡角的冲刷、磨蚀和崩积物的搬运，其影响大小取决于激浪强度（浪高与冲刷深度）。强度愈大，塌岸宽度越大，塌岸预测参数越小。

（2）水库运用方式。黄河来水挟沙较多，这在一定程度上对塌岸的发生发展有一定的减缓作用，使塌岸预测参数变大。

（3）其他因素。河水结冰、人类活动往往也影响着库岸再造进程。

5 结语

（1）塌岸预测参数是塌岸预测必不可少的特征参数，其选取正确与否直接关系到预测结果的准确性。本文在对小浪底库区几处典型塌岸段岸坡大量調查的基础上，提出了塌岸关键预测参数取值，形成了小浪底库区黄土塌岸较为完善的取值体系。

（2）塌岸预测参数值是岩土体在不同动力条件下的综合表征，在调查过程中发现，相似岩土体在不同河段的塌岸预测参数有所区别。因此，本文所提供的塌岸预测参数仅具有统计意义，不能完全反映塌岸预测参数，但通过大量调查研究，对小浪底库区黄土塌岸有了一个全面的认识。因此，在进行小浪底库区黄土塌岸预测时，该成果具有一定的参考价值。

（3）本次统计的塌岸关键预测参数是在原始数据资料基础上统计得到的，在一定程度上受原始数据代表性、准确性的影响。在后期运用中，可根据实际情况广泛收集该地区的塌岸预测参数，不断扩充相应的数据库，使预测结果更加符合实际。

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