基于修正的兩段法對某電站水庫松散堆積體岸坡塌岸預測

賈建紅，周傳波，侯炳紳，曹偉軒，吳和平

(1．中國地質大學(武漢)工程學院，湖北武漢430074;2長江三峽勘測研究院有限公司(武漢)，湖北武漢，430074;3．長江勘測規劃設計研究院，湖北武漢430010)

基于修正的兩段法對某電站水庫松散堆積體岸坡塌岸預測

賈建紅1，2，周傳波1，侯炳紳3，曹偉軒2，吳和平2

(1．中國地質大學(武漢)工程學院，湖北武漢430074;2長江三峽勘測研究院有限公司(武漢)，湖北武漢，430074;3．長江勘測規劃設計研究院，湖北武漢430010)

水庫塌岸是影響水電站庫區移民工程的重要地質災害問題，研究其塌岸模式、預測方法并預測最終塌岸寬度是十分必要的。通過對某水電站庫區重點庫段塌岸進行調查分析，該水電站庫區塌岸模式以沖蝕磨蝕型和坍塌型為主;分析幾種常用的塌岸預測方法，確定采用修正后的兩段法預測該庫區塌岸最終寬度;采用現場工程地質調查法、工程類比法等手段確定了庫區塌岸預測參數，并對該水電站庫區塌岸進行了預測，預測結果表明庫區塌岸總長30．5 km，塌岸預測最終寬度為5～50 m。該研究可為庫區移民工程提供重要依據。

水庫塌岸;修正的兩段法;松散堆積體岸坡;塌岸寬度

水庫塌岸是影響水電站庫區移民工程的重要地質災害問題。水庫塌岸的破壞方式一般分為突變式和漸進式兩種［1］。突變式破壞可引起滑坡或崩塌等地質災害，漸進式破壞則引起岸線緩慢后退并形成一定范圍的削坡，即為庫岸再造的一個過程。水庫塌岸的發生勢必會造成一定的危害，這種危害歸納起來主要表現在以下幾個方面:一是塌岸產生的大量巖土體流入庫區，產生附加淤積，勢必減少電站的有效庫容;二是塌岸的變形破壞勢必會影響岸邊構筑物及居民安全，尤其在城鎮密集岸段，其危險性尤為嚴重;三是庫岸在再造的過程中岸坡整體穩定性變差。因此，研究庫區塌岸模式、塌岸預測方法并預測塌岸最終寬度是十分必要的。本文基于修正的兩段法對某電站水庫松散堆積體岸坡塌岸進行了預測研究，以為后期庫區工程移民提供依據。

1 庫區塌岸模式

1．1 某水電站庫區概況

某水電站為低水頭徑流式電站，正常蓄水位為197 m，死水位為195 m，庫區防洪運行控制水位為193．0 m，總庫容為13億m3，總裝機容量為2 030 MW，本工程級別為一等，工程規模為大(1)型。

該電站庫區屬低山丘陵地貌，河谷相對較為開闊。庫區分布地層主要以第四系沖積層、侏羅系及三疊系上統紅層地層為主。庫區城鎮較為密集，主要分布于庫岸階地平臺。水庫蓄水后常引起一些工程地質問題，其中水庫塌岸是常見的工程地質問題之一，而水庫蓄水后產生的水庫塌岸將對庫區城鎮居民生命財產安全和基礎設施等產生嚴重危害。

1．2 庫區塌岸模式

水庫蓄水后，由于庫水位周期性的抬升、消落，加之波浪作用，破壞了庫岸原有的平衡狀態，岸坡將以某種變形破壞的方式完成庫岸再造，這種變形破壞方式為庫岸的塌岸模式。湯明高等［2］、王遜等［3］總結歸納出了庫區幾種典型的塌岸模式，即沖蝕磨蝕型、坍塌型、滑移型等。

沖蝕磨蝕型是指在庫水沖刷掏蝕、風浪、地表水、地下水及其他外部營力的綜合作用下，岸坡物質成分逐漸被沖刷、磨蝕，然后被搬運帶走，從而使原有庫岸產生緩慢后退的庫岸再造現象。它是近似河岸再造的一種庫岸再造方式，是非淤積且穩定性較好的岸坡中存在的一種較為普遍的岸坡改造方式。這種類型的塌岸模式一般發生在地形坡度較緩的土質岸坡中，具有緩慢性和連續性的特點，且其規模較小。通過對某水電站庫區塌岸模式進行調查分析，發現沖蝕磨蝕型塌岸在庫區岸坡變形破壞中存在。

坍塌型是指岸坡在庫水長期作用下，岸坡坡腳受到江水沖刷、掏蝕等作用，岸坡接觸江水被軟化、掏空，致使岸坡上部物質失去平衡，繼而造成頂部巖土產生局部或整體坍塌，之后被江水逐漸搬運帶走的一種岸坡變形破壞模式。坍塌型模式主要發育于砂土、粉質砂土和低液限黏土層中，其變形破壞的顯著特征為豎向位移大于水平向位移，且具有突發性、規模較大、破壞性強等特點，尤其在庫水急劇下降時易發生。該電站庫區階地物質多為二元結構，上部為低液限黏土和粉砂土，下部為砂卵礫石層，因此庫區塌岸模式主要以坍塌型為主。

滑移型是指在庫水及其他因素的作用下，岸坡物質沿著軟弱夾層或已有的滑動面向江河發生整體滑移變形的現象，其規模一般較大。滑移型塌岸模式在該電站庫區較為少見。

2 庫區塌岸預測方法

本文在充分研究前人預測水庫塌岸方法的基礎上，結合該電站水庫特點，采用符合本庫區實際的塌岸預測方法進行計算與分析。

2．1 庫區塌岸預測的一般方法

目前預測水庫塌岸或水庫岸坡再造規模的方法主要有類比法、動力法、統計法和試驗法，并且多屬于經驗性或半經驗性方法［4］。但由于各庫區地形地貌、巖土結構、岸坡類型等復雜多變，至今所有的坍岸預測方法主要基于經驗，沒有嚴格的定量方法解決坍岸預測問題，因此在工程實踐中這些坍岸預測方法依然被廣泛應用。

2．1．1 卡丘金法

卡丘金法坍岸預測計算公式［5-7］的實質是根據洪水位和枯水位變動帶之間的岸坡巖土長期穩定坡腳，并根據剖面幾何關系用圖解的方法計算最終塌岸寬度。到目前為止，卡丘金法計算塌岸寬度的公式很多，但其本質相同，其本質是巖土參數的選取，其直接影響預測精度。目前巖土參數主要通過室內試驗、野外觀測及工程類比的方法來獲取。卡丘金法多用于岸坡自然坡角較大，岸坡物質多為砂土、粉砂土、粉質黏土及黏土等松軟均勻的岸坡塌岸預測，也適用于大型水庫的中、上游地帶岸坡塌岸預測。

2．1．2 佐洛塔寥夫法

前蘇聯學者佐洛塔寥夫于1955年提出了利用圖解法對岸坡最終塌岸寬度進行預測的方法［8］，即佐洛塔廖夫法。該方法認為水庫中下游地段水深較大，河谷開闊，波高增加，在庫岸破壞的各因素中波浪作用是主要的，并將塌岸后的岸坡分為淺灘外緣陡坡、堆積淺灘、沖蝕淺灘、爬升帶斜坡和水上岸坡帶等。該方法適用于水庫中下游段、松散物質堆積岸坡的塌岸預測。

2．1．3 兩段法

王躍敏等［9］經過多年的水庫坍岸調查研究，提出了兩段法塌岸預測方法。該方法認為塌岸預測線由水下穩定岸坡線和水上穩定岸坡線的連線組成時，水下穩定岸坡線由原河道多年最高洪水位和水下穩定坡角確定，水上穩定岸坡線由設計洪水位、毛細水上升高度和水上穩定坡角確定［9］。該方法適用于山區峽谷型水庫，而峽谷型水庫庫面狹窄、風浪作用小，可不考慮風浪的作用。但使用兩段法預測水庫塌岸時，要注意應與其他計算方法相互比較，以合理取舍塌岸預測最終寬度值。

2．2 針對水電站庫區提出的塌岸預測方法

根據《水電水利工程水庫區工程地質勘察技術規程》(DLT 5336—2006)，塌岸預測分為短期預測和長期預測，本文只進行長期塌岸預測。長期塌岸寬度即指水庫蓄水達到正常蓄水位與死水位之間的水位變化形成的塌岸最終寬度，此時考慮了水庫蓄水后的淤積影響。

前述的普通兩段法適用于峽谷型水庫且未考慮風浪的作用，本次水庫岸坡塌岸預測擬采用修正后的兩段法，其原因主要基于兩點:一是本電站水庫河谷開闊，且長江岸坡多為松散堆積體岸坡，在水庫蓄水后，庫水受風浪影響較大，在塌岸預測中需考慮波浪的爬高;二是該電站為低水頭徑流式電站，其在運行期間庫水流速仍較大，因此需考慮波浪影響深度。而普通兩段法未考慮以上兩個因素。

綜合本電站庫區地形地貌、地層巖性、岸坡類型、居民區安全等因素，本文塌岸預測方法采用修正后的兩段法，即在普通兩段法的基礎上，考慮波浪影響深度和波浪爬高等因素對庫岸再造的影響。修正后的兩段法塌岸預測方法圖解詳見圖1。

圖1 修正后的兩段法塌岸預測方法圖解Fig．1 Graphic of the modified two-section method for bank collapse forecasting

圖1中，St為塌岸預測最終寬度(m);α為水下穩定坡角(°);β為水上穩定坡角(°);hp為波浪爬高(m)，影響對象為耕園地時取0．5 m，居民區取1． 0 m;b為波浪沖刷影響深度(m)，據成都理工大學、水利部長江勘測技術研究所和吉林大學等單位聯合開展的三峽庫區二期地質災害防治科研——庫區塌岸防治專題項目2的研究成果《三峽庫區塌岸模式、塌岸預測參數與塌岸范圍預測評價研究》，以及相關工程類比，其值按1～2倍波浪爬高取值，本次取1．5 m。

修正后的兩段法與普通兩段法的本質大致相同，其區別主要有三點:一是塌岸預測的起始點不同，普通兩段法水下穩定岸坡的起始點采用水庫死水位，修正后的兩段法水下穩定岸坡的起始點采用死水位減去波浪沖刷影響深度;二是水上穩定岸坡的起始點不同，普通兩段法水上穩定岸坡的起始點采用設計高水位，修正后的兩段法水上穩定岸坡的起始點采用的是設計高水位(正常蓄水位時的多年平均入庫流量回水位)加上波浪爬高;三是預測最終塌岸寬度的計算方法不同，普通兩段法的塌岸寬度是預測塌岸最終后緣點與設計高水位跟原岸坡交點之間的水平距離，修正后的兩段法的塌岸預測最終寬度則是預測塌岸最終后緣點與土地征收線或居民遷移線之間的水平距離。

3 塌岸預測參數的確定

3．1 塌岸預測起點

一般情況下，以水庫死水位以下波浪沖刷影響深度處的地面為塌岸預測起始點，但當庫岸前分布有階地或漫灘等平臺地形，其地面高程高于死水位時，以平臺后緣與岸坡接觸處作為塌岸預測起始點。

3．2 水下穩定坡角(α)和水上穩定坡角(β)的確定

水下穩定坡角(α)的確定方法有兩種:一種是工程地質調查法，根據現有的水庫資料，分析得出不同巖土層所形成的水下岸坡坡角，以此來確定預測庫岸邊坡的水下穩定坡角;另一種是綜合計算法，它是在地質調查法的基礎上總結得出，對于砂性土及碎石類土，取α=(內摩擦角)，對于黏性土，則用增大內摩擦角的方法來考慮內聚力c的影響，使α(綜合內摩擦角)，并采用剪切力公式計算即

水上穩定坡角(β)的確定方法與水下穩定坡角(α)的一樣，只是對于綜合計算法，其參數為天然快剪試驗數值，γ選用天然容重，H為水上穩定岸坡線所對應的原岸坡高度。

通過對該電站庫區6段重點塌岸庫段地質測繪和現場調查結果進行分析，將庫區重點庫段局部土質岸坡水位變幅帶內坡角列于表1。

表1 庫區重點庫段岸坡水位變幅帶內坡角現場調查統計表Table 1 Field survey statistics of the slope angle of amplitude area in the main segments of the reservoir bank

由表1可見:一是水下穩定坡角主要位于河漫灘部位，地形平緩，并不能完全反映各土體的水下穩定坡角(α)的真實狀態，部分值較低;二是調查部位土層主要為砂卵石等河漫灘物質，而塌岸預測部位主要為階地物質即崩滑堆積及殘坡積物，代表性不強。因此，庫區塌岸預測參數特征值需根據現場調查結果，并采用工程類比法選取，類比工程主要參考三峽庫區及《水利水電工程地質手冊》等資料，最終確定的庫區塌岸預測穩定坡角建議值見表2。

表2 庫區塌岸預測最終穩定坡角建議值Table 2 Suggested values of the stable slope angle of reservoir bank collapse forecasting

4 庫區典型剖面塌岸預測

本文選取龍華鎮作為典型塌岸預測。龍華鎮屬長江一級階地平臺，地勢較平坦，階地平臺寬350～750 m，地面高程為202～215 m，高差約13 m，岸坡地形坡角為29°～36°。第四系為長江沖積物，鉆孔揭露厚18～26 m，最厚達37 m，具二元結構，上部為低液限黏土，厚 13～24 m，下部為砂卵礫石，厚5～10 m，覆蓋層下伏基巖為侏羅系上統遂寧組黏土質粉砂巖。

庫區死水位為195 m，從該庫段巖土結構分析，岸坡塌岸產生于低液限黏土層。塌岸預測水下穩定岸坡的起始點采用死水位減去波浪沖刷影響深度，波浪沖刷影響深度為1 m(居民區)，即水下穩定岸坡的起始點高程為194 m;水上穩定岸坡的起始點采用的是設計高水位(正常蓄水位時的多年平均入庫流量回水位)加上波浪爬高，該庫段197 m蓄水時多年平均入庫流量回水位高程為197．34 m，波浪爬高為1．5 m，即水上穩定岸坡的起始點高程為198．84 m。低液限黏土水下穩定坡角為16°，水上穩定坡角為25°。

依據以上參數，本文選取龍華鎮LH2-LH2'典型剖面(見圖2)，并采用修正的兩段法進行塌岸預測，預測得到塌岸寬度為49．25 m，塌岸后緣高程為215．76 m。塌岸預測最終寬度是預測塌岸最終后緣點與居民遷移線之間的水平距離，該庫段居民遷移線高程為200．97 m，與正常蓄水位時的多年平均入庫流量回水位之間的平面距離(即淹沒寬度)為6．37 m，塌岸預測最終寬度為預測塌岸寬度與淹沒寬度的差值，即龍華鎮LH2-LH2'剖面塌岸預測最終寬度為42．88 m。

圖2 塌岸預測地質剖面圖(LH2-LH2')Fig．2 Geological section map of bank collapse forecasting(LH2-LH2')

該電站庫區共存在塌岸24段，其中長江干流16段、支流8段。本文針對某電站庫區24個庫段，每個庫段選取典型剖面，并根據庫區所確定的水上穩定坡角和水下穩定坡角，采用修正后的兩段法進行塌岸預測。在24個存在塌岸的庫段中有6段人口密集、塌岸所造成的損失大，如金剛沱段和黃謙段塌岸范圍影響到成渝鐵路，其中庫區6段庫岸塌岸預測結果見表3。

本次預測庫區塌岸岸線長30．5 km，塌岸預測最終寬度一般為5～25 m，最寬達50 m，塌岸影響人口約950人，影響鐵路長2 620 m。

表3 庫區部分庫段塌岸預測結果Table 3 Result of bank collapse forecasting in some segments of the reservoir

5 結 論

本文基于修正的兩段法通過對某水電站庫區重點庫段塌岸進行預測，得到如下結論:

(1)綜合考慮電站庫區岸坡結構、地層巖性及厚度、岸坡坡角等因素，本庫區塌岸模式以坍塌型為主，其次為沖蝕磨蝕型塌岸。

(2)通過對塌岸預測方法進行分析，庫區塌岸預測方法采用修正后的兩段法進行預測。

(3)采用工程地質調查法并綜合計算法及工程類比法，確定了庫區塌岸預測中水下穩定坡角和水上穩定坡角。

(4)水庫蓄水后，電站庫區產生塌岸的庫段有24段，預測塌岸岸線長30．5 km，塌岸預測最終寬度一般為5～25 m，最寬達50 m。

(5)通過對該水電站庫區塌岸預測的研究，可為后期工程移民提供重要依據，同時本文對塌岸模式、塌岸預測方法以及所確定的塌岸預測參數的研究，將對同類工程具有一定的指導意義。

［1］唐輝明．長江三峽工程水庫塌岸與工程治理研究［J］．第四紀研究，2003，23(6):648-656．

［2］湯明高，許強，黃潤秋．三峽庫區典型塌岸模式研究［J］．工程地質學報，2006，14(2):172-177．

［3］王遜，陳偉濤．塌岸地質災害遙感監測方法研究［J］．安全與環境工程，2010，17(1):10-13．

［4］Bagnold R A．An Approach to the Sediment Transport Problem from General Physics［R］．Washington，US:US Government Print Office，1966．

［5］張倬元，王士天，王蘭生．工程地質分析原理［M］．北京:地質出版社，1994．

［6］連志鵬，殷坤龍．三峽庫區巴陽移民新村庫岸穩定性分析與塌岸預測［J］．安全與環境工程，2007，14(4):40-43．

［7］吳吉民，許模．三峽庫區巴東縣龍船河庫岸塌岸預測及穩定性評價［J］．安全與環境工程，2008，15(3):14-18．

［8］張咸恭，李智毅，鄭達輝，等．專門工程地質學［M］．北京:地質出版社，1988:236-241．

［9］王躍敏，唐敬華，凌建明．水庫塌岸預測方法研究［J］．巖土工程學報，2000，22(5):569-571．

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

周傳波(1963—)，男，教授，博士生導師，主要從事地下建筑工程與巖土工程等方面的研究。E-mail:cbzhou@cug．edu．cn

2016-04-20

2016-05-12

賈建紅(1984—)，男，博士研究生，工程師，主要研究方向地下空間信息技術。E-mail:cugjjh@163．com