陕北地区黄土库岸塌岸分析预测——以××水库为例

卢功臣

(陕西省水利电力勘测设计院 勘察分院,陕西 咸阳 712000)

水库塌岸是指水库蓄水后,库水位变动使松散岸坡水文地质条件发生改变,原始岸坡在库水浸泡、干湿交替、风浪冲击、水流侵蚀等作用下发生坍塌,导致库周岩土体物理力学参数降低,进而诱发库岸稳定性的变化,这种不良地质现象称为水库塌岸[1]。水库塌岸是大量土体进入库区并产生淤积,减少了水库的库容。随着塌岸的不断发展,会影响到库周范围内的水工建筑物的正常运营,如淤塞、填堵放水建筑物的进水口。最后水库塌岸导致库岸线不断后退,可能对库周交通破坏、农田毁坏以及对周边城镇居民的生活等产生严重危害,甚至造成人员伤亡[2],因此水库塌岸也被认为是水利工程地质灾害类型之一。鉴于水库塌岸可能造成的巨大影响,塌岸预测的方法得到了越来越多的研究,目前主要的预测方法有佐洛塔寥夫法、岸坡结构法、两段法、类比法、卡丘金经验公式法、图解法、平衡剖面法、动力法、康德列捷夫数学分析法等[3-5]。本文主要采用卡丘金经验公式法及图解法对××水库岸坡进行塌岸分析预测。

1 工程地质背景

1.1 地形地貌

水库工程区位于陕北高原东北部,地势整体北高南低。沟壑众多,多以扇状、羽状发育,沟谷两岸多陡立,岩石出露,山体上部相对较平缓,覆盖黄土。

库区内海拔多为900～1 500 m左右,为低中山地貌,河谷多呈宽“U”字型,沟底宽为50～100 m,平均坡降1.6%。乔岔沟左岸岸坡底部陡峻、近乎直立,上部平缓,右岸相对较缓,天然坡度约为30°～50°。两岸山体完整性较差,冲沟发育,右岸底部局部出露基岩,上部黄土覆盖,黄土岸坡居多数,左岸基岩出露高程较高,出露高程约1 020～1 060 m。崖磘沟两岸岸坡大部分基岩出露,出露高程约1 000～1 030 m,库水位以下多数为基岩岸坡,局部黄土覆盖。

1.2 地层岩性

库区出露的地层岩性主要有:三叠系胡家村组(T3h)长石砂岩、泥岩及粉砂岩互层状分布,夹少量页岩;第四系松散堆积物。第四系松散堆积物主要包括上更新统风积黄土(Q3)、全新统冲积、洪积和残坡积物等。天然条件下水库岸坡的稳定性较好,但水库蓄水后,库水位附近的黄土岸坡受库水变动影响可能产生塌岸。

1.3 地质构造

水库大地构造部位属陕甘宁分区，区域上构造单元属于中朝准地台陕甘宁台坳的主体陕北台坳内。通过库区地表地质测绘,库区内地层组成较为简单,总体为单斜地层,岩层走向为近南北向,与沟谷走向多为平行,倾向西或南西、北西,为近水平岩层,局部倾角较陡。未发现较大地质构造发育,主要表现为节理裂隙。

1.4 水文地质条件

经查阅多年观测资料和现场水文地质勘察,水库主要包括沟内流水和地下水。地下水可分为基岩裂隙水和第四系松散孔隙水,支沟两岸基岩裂隙水多沿砂、页岩层间出露。

1.5 水库岸坡结构类型

水库区基岩地层主要为三叠系上统胡家村组(T3h)陆相碎屑岩,地质构造简单,基岩地层为近水平产状的砂岩、粉砂岩、泥岩形成的韵律沉积。根据水库区地形地貌、地层结构与岸坡的组合关系,库区可能产生塌岸的岸坡类型主要分为基岩—黄土库岸、黄土库岸。如图1。

图1 库区岸坡结构类型示意图Fig.1 Schematic diagram of bank slope structure type in reservoir area

2 黄土塌岸影响因素

黄土塌岸的影响因素很多,主要受地层岩性、水库运行方式、风浪掏蚀作用、地形地貌、地震等,塌岸是在诸多因素综合影响下发生发展的复杂过程[6]。

2.1 地层岩性

不同岩性的岸坡具有不同的抗剪强度和抗冲蚀能力,岩性对塌岸的范围、速度和类型具有控制性作用,松散层组成的岸坡较易产生塌岸,且规模大,速度快,泥岩、粉砂岩、砂岩组成的基岩岸坡抗冲蚀能力较强,基本不产生塌岸。岩性还决定着浅滩的形状、坡脚和宽度,密实的粘土凝聚力大,抗冲蚀能力强,塌岸宽度较小或表面风化土体脱落,一般形成磨蚀浅滩或陡坎;黄土具有粉粒含量高、孔隙率大的特点,遇水后土体连接被破坏,崩解速度快,易形成快速、强烈的坍塌。

2.2 水库运行方式

水库运行方式对塌岸的影响主要表现在水库水位的变化幅度和速度上。××水库库容较大,开发任务主要以蓄水调沙为主。水库水位变化幅度较大,岸坡黄土受库水位高低频繁波动影响,塌岸是反复累进性进行的,规模和强度变化大,持续时间长,水下稳定坡角较缓。

2.3 风浪作用

风浪作用是水库黄土塌岸发生发展,特别是浅滩形成的主要外力。激浪对库岸坡角的冲刷、磨蚀和坍塌物的搬运影响大小取决于浪高和冲刷深度。强度越大,塌岸宽度也越大,这是由于水库塌岸所形成的浅滩坡角随浪高而改变,浪越高,坡角越小,塌岸宽度也越大。

2.4 其它因素

塌岸的其它影响因素还有地形地貌、地震和冰冻作用。一般来说,地形地貌特征是塌岸发生发展的重要控制因素之一,不同类型的地形、地貌单元其塌岸问题的严重程度、规模和大小有很大的差别。弯曲的库岸较平直的易产生塌岸,凸形坡较凹形坡塌岸严重;库岸越高陡,塌岸越严重,高岸缓坡塌岸量小,坍塌以岸腰部分为主,低岸陡坡的塌岸速度快,塌岸量小,常表现为崩塌;低缓岸坡常以水下塌岸为主。也就是说,塌岸规模与岸坡高度和坡脚成正比。库岸的切割程度往往是塌岸的形成及发展范围的制约条件,一般地形破碎、支沟发育的库岸坍塌显著,而地形平整、阶面较宽、支沟不发育的库岸则次之。地震会造成岸坡土体结构破坏和水库涌浪,将会增加塌岸的速度和严重程度。库岸边坡在冻融作用下,土体结构发生破坏,从而增加塌岸的宽度[7]。

3 塌岸分析预测

3.1 塌岸预测方法

水库塌岸预测的目的是对库水位运行后的最终塌岸宽度、规模进行预测,评价塌岸对水库正常运行和周边环境的影响,并提出防治措施。根据水库运行特点和库岸结构类型,选取长期预测的E.F.卡丘金公式法(见图2)和图解法(见图3)进行岸坡塌岸的初步预测评价[8];根据两种方法对库岸结构的适宜性,并结合工程类比,最终确定塌岸的宽度。

(1) 公式法。《水工设计手册》、《水力发电工程地质手册》等均有提及。前苏联学者卡丘金于1949年提出该法。卡丘金法适用于由松软沉积层(如黄土、砂土、砂质粘土等)组成的库岸,卡丘金法适合于水库塌岸的长期预测,不适合于分期蓄水而需要进行分期塌岸预测的情形。

卡丘金法长期塌岸预测示意图如图2所示。卡丘金法长期塌岸预测计算公式如下:

St=N[(A+hP+hB)cotα+(H-hB)cotβ

-(A+hP)cotγ]

(1)

式中:St为最终塌岸宽度(m);A为库水位变幅(m),设

图2 卡丘金法长期塌岸预测示意图Fig.2 Sketch map of long-term bank collapse prediction by Kachukin method

计低水位与高水位之差(一般取死水位与正常蓄水位之差);N为与土的颗粒大小有关的系数,粘土取N=1.0,壤土取N=0.8,黄土取N=0.6,砂土取N=0.5,砂卵石取N=0.4;H为正常蓄水位以上岸坡高度(m);α为水位变动带浅滩稳定坡角(°),依据图3取值;β为岸坡水上稳定坡角(°),一般依据工程区实测结果取值;γ为原始岸坡坡度(°);hP为波浪冲刷深度(m),见式2。

图3 不同波浪高度时各类土的浅滩稳定坡角Fig.3 Stabilized slope angles of shoals of various soils at different wave heights

hP=0.64×arsh(8.1×h)

(2)

hB为波浪爬高(m),见式(3);

hB=3.2×K×h×tanα

(3)

式中：K为被冲蚀的岸坡表面糙度有关的系数;一般砂质岸坡K=0.55～0.75;砾石质岸坡K=0.85～0.9;混凝土K=1;抛石K=0.775;

h为浪高(m),按安德列杨诺夫公式计算,见式(4)。

h=0.0208×W4/5×L1/3

(4)

式中：W为风速(m/s);L为吹程(km)。

(2) 图解法。卡丘金法适用于由松软沉积层(如黄土、砂土、砂质粘土等)组成的库岸,库岸为基岩—黄土结构时,基岩面随地形抬升起伏坡度,比卡丘金法水下稳定坡度大的情况下,在岸坡山体内最高水位线与基岩面相交。此类情况,卡丘金法已不适用,采用图解法分析预测塌岸宽度更为合理。示意图如图4所示。

图4 水库塌岸图解法计算剖面图Fig.4 Graphic method for calculating section map of reservoir bank collapse

3.2 参数选取

(1) 波浪参数。 水库区属温带大陆性气候,夏季多为东北风,其余季节则多为西北风,年平均风速1.6 m/s,春夏季风速最大,最大风速可达24.5 m/s;历年最大风速平均值18 m/s。浪高和波长可按下式计算(适用于山区峡谷水库):

式中:2hL为浪高(m);2LL为波长(m);νf为计算风速(m/s),取历年最大风速平均值18 m/s;Df为计算吹程(m),即由沿岸坡至对岸水面的最大直线距离,当这一距离大于水库宽度5倍时,取计算吹程为水库宽的5倍。据此计算,水库区不同塌岸段的浪高、波浪爬高、波浪影响深度。

(2) 水下浅滩稳定坡角α。水下浅滩坡角(α)的大小不仅与岩性有关,还与浪高有关。

库区河流阶地堆积物主要为Q3黄土,岩性以壤土为主,夹有粉细砂、粘土夹层,综合考虑地层特征,据E.F.卡丘金提出的不同种类滨海浅滩水下稳定坡角关系曲线图查得,见图3。由于浪高为0.09～0.17,α取7°。

(3) 水上稳定坡角(β)。水库区岸坡下部基岩稳定性较好,上部黄土地层自然坡度较陡,陡坡坡度可达80°以上。据官厅水库实测资料,粉土β为50°～70°,粉质粘土β为50°,半胶结状砂砾石β为60°～80°。据三门峡水库实测资料,粉土β为35°～80°,粉质粘土β为38°～60°,半胶结砂砾石层β为60°～70°。据小浪底水库资料,黄土类粉土和粉质粘土β为50°～60°。综合考虑库区地层特征,参考上述工程水库塌岸资料,上部黄土β取60°～65°。

3.3 塌岸分析计算

根据上述黄土塌岸计算方法及参数选取标准,对库区规模较大、影响到村镇居民点和耕地、荒地的主要塌岸地段进行分析计算,结果见表1。上述分析计算主要针对选定的剖面进行,由于每个剖面不能完全代表该塌岸点的全部类型,基岩面形态、土层厚度及坡度变化较大,这些都给塌岸的预测带来困难,因而计算的结果必然存在一定的误差。

表1 水库区主要塌岸库段分析预测表Table 1 Analysis and prediction table of main bank collapse reservoir section in reservoir area

4 结论

××水库库区黄土塌岸大多位于乔岔沟左右岸,其中乔岔沟左岸基岩出露较高,上覆黄土等堆积物岸坡坡度≤15°,受库水位影响堆积物厚度≤20 m,为轻微塌岸,但受库水位影响的上覆黄土等堆积物范围较小,规模和影响较小;乔岔沟右岸基岩出露高程低,上覆黄土等堆积物分布范围较广,受库水位影响堆积厚度>25 m,平均塌岸宽度在120 m上下波动,局部为严重塌岸地段;崖磘沟仅近坝段左岸支沟内基覆界线高程和黄土覆盖层厚度较厚,塌岸宽度在85～120 m,塌岸规模为中等—严重塌岸;崖磘沟支沟仅小范围塌岸分布,规模和影响较小。

采用卡丘金公式法对××水库的大部分黄土岸坡进行长期塌岸预测是合适的。但卡丘金公式法也存在一定的局限性,如库岸为基岩—黄土结构时,基岩面随地形抬升起伏坡度,比卡丘金法水下稳定坡度大的情况下,卡丘金公式法已不适用,应要结合实际的地形地质条件,采用图解法分析预测塌岸宽度更为合理。图解法与卡丘金公式法相结合,基本能满足对陕北地区不同地质条件水库岸坡的塌岸预测,但同时也存在一定不足之处,如没有考虑库水动力作用下,库岸横向展宽与冲刷下切作用对塌岸预测的影响等问题[9]。