“兩段法”在某水源水庫塌岸預測中的應用

蘆建軍，孫治新，玉 博

（1.寧夏水投清水河城鄉供水有限公司，寧夏 吳忠 751100；2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

某水源水庫位于甘肅省甘南州白龍江中游，水 庫壩址在白龍江與臘子溝支流交匯處下游100 m，庫區洄水至壩址上游約25 km。 白龍江在多年的運行中， 逐漸形成較為穩定的河流岸坡， 但隨著水庫建造，庫區水文地質條件較之前發生較大改變，受庫水位變動、風浪等因素影響，土質岸坡的平衡條件遭到破壞發生坍塌，對沿岸分布的村莊、農田、道路、橋梁存在威脅，同時會造成水庫淤積，因此進行水庫塌岸預測具有重要意義。

行業內將水庫塌岸預測分為長、短期預測，現行規范、手冊中主要介紹了類比圖解法、計算圖解法［1］。目前，常用的庫岸塌岸預測方法以類比圖解法為主，包括卡丘金法、佐洛塔廖夫法、“兩段法”、岸坡結構法4 種［2］。王躍敏等［3］通過外福鐵路線水口水庫庫岸塌岸觀測研究， 提出適合我國南方山區峽谷型水庫塌岸的兩段預測法，利用“兩段法”對該工程水庫進行庫區塌岸長期預測。

1 庫岸地形地質條件

白龍江干流及其臘子溝支流河谷形態呈不對稱型，且多為斜向谷，自然坡降平均值約0.663%，河道彎曲、水流湍急。河谷兩岸階地較為發育，以Ⅲ～Ⅳ級階地為主，呈扇型或狹長型在河谷兩岸展布，天然岸坡坡角約47°～65°，植被覆蓋較少。

庫區范圍內基巖以砂質板巖夾粉砂巖、 炭質板巖為主，局部出露灰巖，兩岸不連續分布不同成因的第四系松散堆積物， 按其成因可分為上更新統沖洪積物、綜合成因黃土及全新統沖洪積物、坡洪積物、坡積物、坡崩積物，厚度分布不均，0.5～30 m 不等，水庫蓄水后， 正常蓄水位附近及以上覆蓋層部位將會發生不同程度的塌岸。

2 影響塌岸的主要因素

2.1 庫岸地層物質組成

岸坡物質組成及土層性質是影響水庫塌岸的內在因素［4］，對水庫塌岸的影響較大。一般堅硬巖石地層抗沖刷能力強，水庫塌岸發展緩慢，且不嚴重；半堅硬巖中的黏土巖等具遇水軟化、易崩解等特點，較易形成塌岸、且塌岸發展較快、較堅硬巖嚴重；第四系松散堆積物， 一般塌岸發展迅速， 且塌岸較為嚴重。本工程庫岸地層以第四系沖洪積物、坡洪積物、坡崩積物等組成， 厚度分布不均， 成份以卵石混合土、碎石混合土等巨粒土為主，階地平緩地帶表層多分布低液限黏土，厚度一般小于1 m。其中卵石混合土一般具泥質弱膠結，結構稍密實，碎石混合土結構松散， 上述土體遇水極易發生崩解， 抗沖刷能力較差，極易發生水庫塌岸。

2.2 風浪作用

風浪作用是水庫塌岸的主要外部動力。 水庫蓄水后，在風力作用下，波浪對岸壁土體產生淘刷與磨蝕，并對塌落物質進行搬運，從而加速塌岸。波浪的浪高與風速、風向、水深等因素有關。一般來說，風速越大、水面越寬、水深越大，波浪的能量就越大，塌岸就越嚴重。本工程庫區風速較大，庫水較深，但因地處高山峽谷地區，水面呈狹長帶狀，寬度較窄，因此綜合分析，風浪對水庫塌岸的影響一般。

2.3 凍融變化

工程區屬非典型性大陸性氣候，冬季較寒冷，海拔較高，晝夜溫差大，由于土體的凍融作用，極易破壞土體結構，導致土體強度降低，致使岸坡破壞。

2.4 植被保持

植物根系可對岸坡起到固結作用， 可提高岸坡的抗沖刷能力。工程區地處高山峽谷地帶，兩岸岸坡較陡峭，植被覆蓋較少，對岸坡的保護作用較小。

3 “兩段法”塌岸預測

3.1 基本原理

“兩段法”主要將預測塌岸線分為兩部分，即水下穩定岸坡線和水上穩定岸坡線。 水上穩定岸坡線起點同高程的原始岸坡點與水上穩定岸坡線終點之間的水平距離即為預測的塌岸寬度Sk，如圖1。水下穩定岸坡線由原河道多年最高洪水位h 及水下穩定坡角α 確定， 水上穩定岸坡線由正常蓄水位和毛細水上升高度H′及水上穩定坡角β 確定。

圖1 “兩段法”塌岸預測示意圖

圖1 為“兩段法”的具體圖解：以原河道多年最高洪水位與岸坡交點A 為起算高程點， 以水下穩定坡角α 為傾角繪出水下穩定岸坡線， 該線延伸至設計洪水位加毛細水上升高度的高程點B， 再以B 點為起點， 以水上穩定坡角β 為傾角繪出水上穩定岸坡線， 該線與原岸坡的交點C 即為水上穩定岸坡的終點。 水上穩定岸坡線的起點B 的高程所對應的原岸坡點D 與該線終點C 之間的水平距離，即為“兩段法”預測的塌岸寬度Sk。

在塌岸預測的實際工作中，各地層中水下、水上穩定坡角（α，β）一般采用工程類比法和現場地質調查的方法來確定； 毛細水上升高度H′一般通過試驗與現場調查相結合來確定，其值與岸坡巖土體的顆粒組成有關，粗顆粒毛細水上升高度小，細顆粒相對較高。

3.2 長期塌岸預測

3.2.1 各地層塌岸預測參數選擇

巖土體力學參數的選取是勘察、 設計研究的重要問題，常通過室內外力學試驗、反演及工程地質類比加以確定［5］。該工程勘察期間，對庫區及周邊進行小比例尺地質測繪工作， 針對易塌岸段進行野外實測地質剖面，對不同地層水下岸坡、水上岸坡的穩定坡角和毛細水上升高度進行統計，在此基礎上，提出水庫蓄水后未采取防護狀態下， 土質岸坡的穩定坡角及毛細水上升高度建議值如表1。

表1 各地層穩定坡角建議值

3.2.2 塌岸寬度預測

依據上述坡角建議值（表1）,對水庫區土質岸坡采用“兩段法”進行最終塌岸預測，塌岸預測典型剖面如圖2。根據預測剖面（圖2）可知：該剖面位置塌岸寬度Sk為69.53 m， 水上穩定岸坡塌岸高度Hu為24.49m。本文僅以此剖面為例，實際工作中，為提高塌岸預測準確率，預測剖面數量應盡可能的密集，理論上剖面間距越近，塌岸預測精度越高。

圖2 塌岸預測典型剖面圖

3.2.3 塌岸面積預測

根據工程區庫岸穩定調查成果， 初步確定存在塌岸段的庫岸長度， 剖面預測塌岸寬度與該剖面代表的塌岸段庫岸長度之積，即為該段塌岸面積（水平投影面積）。

3.2.4 塌岸體積預測

由圖2 可知， 該剖面水上塌岸橫截面積為1407.36 m2， 該剖面所代表塌岸長度與橫截面積之積，即為該段水上塌岸體積。

4 結語

“兩段法”塌岸預測較適用于庫面狹窄、風浪作用較小的峽谷型水庫，在實際工作中，提高塌岸庫段的預測剖面精度及數量， 并同時運用卡丘金圖解法塌岸預測進行對比，以提高塌岸預測的可靠性。