山區水庫塌岸影響因素物理模擬研究

劉海明，石豫川，吉 鋒，廖 藝

(成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059)

0 引 言

水庫塌岸是水利水電工程中常遇的工程地質問題，是庫岸岸坡受庫水浸泡、風浪沖擊、水流侵蝕以及干濕交替等因素影響,使庫岸巖土體風化加劇,抗剪強度降低,以及庫水位漲落引起庫岸地下水動水壓力變化而造成的庫岸沖蝕磨蝕、坍塌、滑移等再造變形的不良地質現象。塌岸也是河床演變的一種表現形式，類型多樣，影響因素眾多，成因機理十分復雜[1]。水庫塌岸主要導致兩方面危害:一方面減少岸上土地使用面積；另一方面造成水庫淤積。影響塌岸的主要因素是自然因素和人為因素，包括岸坡地質、水位變動、波浪、人類活動等方面的因素。各因素對塌岸形成的影響作用極為復雜，一般情況下某些因素對塌岸影響相對較大，而其他因素影響相對較小。

水庫塌岸問題首先是蘇聯科學院院士費奧多爾·彼得羅維奇·薩瓦連斯基在1935年所提出來的。國內水庫塌岸早期研究者孫廣忠等人[2]曾對官廳水庫的塌岸現象進行了系統性地觀測和研究。很多學者對水庫塌岸問題進行過大量卓有成效的調查和研究，由于水庫塌岸問題的復雜性，很多學者也通過物理模擬方法來研究水庫塌岸問題，取得了良好的效果。張辛農等[3]進行過江河崩岸概化模擬試驗研究。許強等人[4]、白建光等人[5]曾對三峽水庫塌岸進行過物理模擬研究。程昌華等人[6]曾進行過波浪對庫岸坍塌變形的影響物理模擬研究。利用室內概化模擬試驗方法進行塌岸機制與塌岸影響因素的研究，對進一步研究和認識塌岸的成因機理和規律依據有一定的參考及借鑒意義。

本文是在對中國東西部地區多個山區水庫塌岸現象及工程地質條件調查研究的基礎上，主要針對山區水庫的粗顆粒土均質岸坡，建立典型的庫岸物理概化模型。采用中砂、細砂、粉土分別代表三種強度依次減小的岸坡物質材料，設置高、中、低三個水位，建立緩、中、陡三種岸坡模型，采用造浪機分別產生大、中、小三種波浪，采用正交設計方案。試驗目的是通過對不同坡度、物質組成、水位、波浪條件正交組合下的庫岸模型進行試驗，觀測不同條件下模型的變形破壞跡象及塌岸寬度，分析上述各因素對庫岸改造的作用機制與規律，并對影響水庫塌岸的上述因素進行敏感性分析，提取一些規律性的認識。

1 物理模擬試驗設計

試驗設備采用位于成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室的物理模擬實驗系統，包括自動調節水位系統、測位移裝置、水位計、物理模擬實驗池以及其他輔助設備包括電子天平、臺秤以及顆粒分析試驗儀器等，利用造浪機產生波浪來模擬庫區的波浪。

設計各因素的水平如下：坡體材料采用粉土、細砂、中砂；波浪高度采用0.5～1.0、1.0～1.5、1.5～2.0 cm；水位采取15、30、45 cm；岸坡坡度采取20°、30°、50°。根據正交設計原理，制定4因素3水平的實驗方案，共需進行9次實驗。實驗模型寬度為1.5 m，高度為0.45 m，橫斷面為直角梯形，坡型為直形坡。

表1 多因素試驗正交設計表Tab.1 Multi-factor orthogonal experiment plan

2 試驗現象

試驗過程中，發生的塌岸模式總體可分為三類：滑移型、坍塌型和侵蝕型。滑移型是指坡體物質沿著某滑面發生整體變形，即坡體物質整體滑移的塌岸破壞現象，實質為庫岸滑坡；坍塌型是指岸坡坡腳在庫水作用下,基座被軟化或淘蝕,岸坡上部土體失去平衡,從而造成局部下錯或坍塌,而后被江水逐漸搬運帶走的一種岸坡變形破壞模式；侵蝕型是指在庫水的侵蝕、浪蝕、地表徑流及其他外部營力的作用下,岸坡物質逐漸被沖刷、磨蝕，然后被搬運帶走，從而使岸坡坡面產生緩慢后退的庫岸再造形式。

試驗中出現滑移型塌岸1次(試驗3)如圖1及圖2所示；坍塌型塌岸共出現2次，典型的坍塌型(試驗2)如圖3及圖4；侵蝕型塌岸共出現6次，典型的侵蝕型塌岸(試驗8)如圖5及圖6。

圖1 滑移型塌岸Fig.1 Bank collapse of sliding type

圖2 滑移型塌岸剖面示意圖(試驗3)Fig.2 Section of bank collapse of sliding type(Test 3)

圖3 坍塌型塌岸Fig.3 Bank collapse of collapsing type

圖4 坍塌型塌岸剖面示意圖(試驗2)Fig.4 Section of bank collapse of collapsing type(Test 2)

圖5 侵蝕型塌岸Fig.5 Bank collapse of erosion type

圖6 侵蝕型塌岸剖面示意圖(試驗8)Fig.6 Section of bank collapse of erosion type(Test 8)

試驗中發現：塌岸無論最終發展為何種模式，庫岸在蓄水初期首先表現為巖土體的軟化作用，在水位接觸帶產生小規模的零星坍塌，之后由于岸坡坡度、物質組成、波浪大小等的差異而產生分化，表明各影響因素不同的條件下不僅導致塌岸寬度的差異，而且導致了塌岸模式的差異。實驗結果統計表見表2。

表2 多因素試驗結果統計Tab.2 Processing form about data of multifactor experiment

3 塌岸寬度的影響因素敏感性分析

本文采用極差分析法進行正交試驗數據的統計分析。由于試驗所用材料的強度無法直接表達，而試驗材料在試驗中的強度表現主要取決于其中的細顆粒(粉粒及黏粒)所占百分比，因此試驗用小于0.075 mm的顆粒含量表征巖土材料性質(其中粉土為93.42%，細砂為7.36%，中砂為1.72%)。得到各因素的敏感性如表3。

試驗分析結果表明，塌岸寬度對原始岸坡坡角的敏感性最大，其次對物質組成強度的敏感性略大于波浪，對水位的敏感性最小。岸坡物質強度越低，塌岸寬度越大；岸坡坡角越大，塌岸寬度越大；水位高低不同，對應的塌岸寬度相差不大，中間水位略大；波浪越大，塌岸寬度越大。

表3 塌岸寬度對各因素的敏感性Tab.3 Data about bank collapse width sensitivity to various factors

根據已有經驗和已有的計算圖解法(如卡丘金法、佐洛塔廖夫法等)來看，塌岸是隨岸坡物質強度降低、坡角增大、水位增大和波浪增大而更加嚴重，塌岸破壞范圍增大。本實驗分析結果得出，塌岸寬度是隨物質組成、岸坡坡角、波浪增大，但水位則是處于中間水平時塌岸寬度最大，這主要是由于水位變化而導致的塌岸寬度起算點不同，也就是說水位越大塌岸越嚴重，但是塌岸寬度卻并非越大。

4 結 語

(1)一般情況下，土質庫岸在蓄水初期均表現為水位處庫岸的零星小規模坍塌，之后由于受岸坡結構、物質組成、庫水動力條件以及其他因素的綜合影響，產生各自的外在變形破壞跡象和內在成因機理，水庫塌岸的模式逐漸分化為多種塌岸形式。

(2)通過物理模擬手段對塌岸影響因素的敏感性分析結果表明：塌岸寬度對原始岸坡坡角的敏感性最大，其次對物質組成強度的敏感性略大于波浪，對水位的敏感性最小。

(3)岸坡物質強度越低，塌岸寬度越大；岸坡坡角越大，塌岸寬度越大；水位高低不同，對應的塌岸寬度相差不大，中間水位略大；波浪越大，塌岸寬度越大。

需要說明的是以上認識對于探索水庫塌岸的機理和規律有一定幫助，然而這些結論還需實踐的進一步檢驗。鑒于水庫塌岸問題的復雜性和試驗條件的限制，目前對于水庫塌岸的物理模擬研究還有許多不足和需要改進的地方，比如模擬實驗的相似性、操作過程和手段、測量儀器和方法及結果分析等都有待進一步提高，還需要考慮如何與工程實踐相結合，解決實際的工程問題。

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[1] 張幸農，蔣傳豐，應 強，等．江河崩岸問題研究綜述[J]．水利水電科技進展，2008，28(3)：80-83,94．

[2] 官廳水庫坍岸研究小組．水庫坍岸研究[M]．北京：水利電力出版社，1958．

[3] 張幸農，應 強，陳長英，等．江河崩岸的概化模擬試驗研究[J]．水利學報，2009，40(3)：263-267．

[4] 許 強，白建光，湯明高，等．三峽庫區塌岸的物理模擬研究[J]．工程地質學報，2007，15(2)：154-158．

[5] 白建光，許 強，湯明高，等．三峽水庫塌岸影響因素的物理模擬研究[J]．中國地質災害與防治學報，2007，18(1)：90-94．

[6] 程昌華，陳學兵．波浪對庫岸坍塌變形的試驗研究[J]．重慶交通學院學報，1994,(S1)：54-59．