山西某水庫(kù)黃土岸坡的塌岸影響因素及預(yù)測(cè)方法

孫　輝（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆　石河子　832000）

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山西某水庫(kù)黃土岸坡的塌岸影響因素及預(yù)測(cè)方法

孫輝
（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆石河子832000）

摘要：塌岸是影響黃土地區(qū)水庫(kù)的重要問(wèn)題之一。庫(kù)岸土體濕度的變化導(dǎo)致土體物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，影響庫(kù)岸穩(wěn)定性，造成水庫(kù)塌岸，水庫(kù)塌岸導(dǎo)致沿岸植被破壞，水土流失加劇，因此必須對(duì)其作出預(yù)測(cè)，定量估計(jì)塌岸寬度。本文分析黃土地區(qū)水庫(kù)塌岸的影響因素，并通過(guò)采用卡丘金法對(duì)水庫(kù)塌岸進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)塌岸；黃土地區(qū)；影響因素；預(yù)測(cè)方法

1　水庫(kù)塌岸的發(fā)展過(guò)程

水庫(kù)蓄水后，水位的變化將使土質(zhì)岸坡發(fā)生坍塌破壞現(xiàn)象，又稱水庫(kù)邊坡再造，在黃土地區(qū)是水庫(kù)的重要環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題［1-2］。在這個(gè)過(guò)程中，庫(kù)水改變了庫(kù)岸土質(zhì)的含水量，使容重加大、抗剪強(qiáng)度降低，引起土體軟化、崩解以至坍滑。又因水面展寬后，風(fēng)浪增大，庫(kù)岸在波浪的侵蝕、沖擊和淘刷作用下，下部土體被淘空，上部土體失去支撐而塌落，岸線隨之后移。塌滑物經(jīng)水流搬運(yùn)、分選后形成淺灘。在水和波浪的不斷作用下，庫(kù)岸破壞繼續(xù)發(fā)生，岸線不斷后移，淺灘逐漸增大，直到水上岸壁與水下淺灘達(dá)到相對(duì)平衡時(shí)，庫(kù)岸才趨于穩(wěn)定［3］。

2　水庫(kù)區(qū)地形地貌及黃土特征

河谷兩岸為梁狀黃土丘陵地貌，梁間主要發(fā)育若干條沖溝，切割深度40～100 m，沖溝溝壁陡峭，呈“V”字型。兩岸黃土梁多為寬梁，頂部坡度較小，向兩側(cè)沖溝和河谷緩傾，向兩側(cè)隨高程增加逐漸變窄。黃土梁前緣沖溝林立，長(zhǎng)度較短，呈梳狀分布。工程區(qū)黃土大面積分布，黃土分布往往不受地勢(shì)高低限制，具有坡向性，產(chǎn)狀往往與原始地形吻合，與下伏基巖呈假整合接觸。庫(kù)區(qū)黃土分為2層，上層為第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土（Q3m），下層為第四系中更新統(tǒng)離石黃土（Q2l）。馬蘭黃土呈灰黃色或淺棕黃色，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙發(fā)育，垂直節(jié)理發(fā)育。離石黃土多呈淺紅色或紅色，夾若干層古土壤，結(jié)構(gòu)較密實(shí)。2種黃土顆粒組成均以粉粒為主，占比可達(dá)80%，粘粒含量20%左右。

3　影響水庫(kù)塌岸的因素

3.1地貌因素

庫(kù)區(qū)沖溝發(fā)育，地形破碎，使得庫(kù)岸凹凸不平。深入水庫(kù)內(nèi)的凸岸，三面環(huán)水，受多向風(fēng)浪的沖蝕，塌岸迅速而劇烈，塌岸寬度較大。凹岸一般為避風(fēng)地帶，波浪和沿岸搬運(yùn)的物質(zhì)往往堆積于此，形成淺灘，對(duì)庫(kù)岸有保護(hù)作用，塌岸寬度較小。庫(kù)岸高度、坡度與塌岸有直接關(guān)系。在水深相同的情況下，庫(kù)岸高的地段塌岸速度慢，庫(kù)岸低的地段塌岸速度快。坡度大的地段塌岸速度快，塌岸寬度亦較大，坡度緩的地段塌岸速度與塌岸寬度較小。在黃土地區(qū)，沖溝發(fā)育、切割破碎的庫(kù)岸塌岸嚴(yán)重，而岸坡平整、階面寬闊、支溝不發(fā)育的庫(kù)岸塌岸較小。

3.2地質(zhì)因素

庫(kù)區(qū)庫(kù)岸主要為黃土，其粉粒含量大，孔隙率大，垂直節(jié)理發(fā)育，浸水后抗剪強(qiáng)度大大降低，所以塌岸寬度大，淺灘的坡度較小。黃土地區(qū)地層結(jié)構(gòu)一般較為簡(jiǎn)單，黃土底層下一般為基巖，呈假整合或不整合接觸關(guān)系。黃土結(jié)構(gòu)疏松，因此塌岸速度與塌岸寬度都比較大。黃土還可能沿下伏基巖接觸面整體滑動(dòng)。黃土毛細(xì)水上升高度較大，地下水位壅高將引起黃土濕度變大，降低黃土的強(qiáng)度和承載力。當(dāng)庫(kù)水位下降時(shí)，又產(chǎn)生很大的動(dòng)水壓力，加之黃土顆粒的抗沖刷能力較差，都將加劇塌岸的發(fā)展。另外，水文條件、風(fēng)化作用、地震作用、植被覆蓋情況以及波浪作用、凍融作用和地表水的沖刷等都會(huì)對(duì)塌岸產(chǎn)生影響，因此，黃土塌岸的發(fā)生和發(fā)展是極其錯(cuò)綜復(fù)雜的，影響因素也很多。

4　庫(kù)區(qū)黃土塌岸的預(yù)測(cè)方法

水庫(kù)塌岸預(yù)測(cè)是根據(jù)水庫(kù)區(qū)的工程地質(zhì)條件和水庫(kù)運(yùn)行期間水位變化的情況等，定量估算水庫(kù)蓄水后的塌岸寬度，作出一定的防治措施。

圖1　塌岸典型地質(zhì)剖面

水庫(kù)塌岸問(wèn)題有諸多預(yù)測(cè)方法和理論。對(duì)黃土地區(qū)，目前多采用卡丘金預(yù)測(cè)法進(jìn)行預(yù)測(cè)。卡丘金預(yù)測(cè)法根據(jù)幾何關(guān)系用圖解法求解最終塌岸寬度。最終塌岸寬度是指從正常高水位與原始庫(kù)岸交線至塌岸最終庫(kù)岸的距離［4］。

選取下式估算塌岸寬度：

式中：St -塌岸最終寬度（m）；A -庫(kù)水位變化幅度（m）；N -與土的顆粒大小有關(guān)的系數(shù)，黃土采用N = 0.6；hP-波浪沖刷深度（m），相當(dāng)于1～2倍浪高（中小型水庫(kù)一般采用0.5～1.5m）；hB-浪擊高度及浪爬高度（m），為0.1～0.8倍浪高；H -正常蓄水位以上岸坡高度（m）；α-淺灘沖刷后水下穩(wěn)定坡角（°）；β-預(yù)測(cè)的庫(kù)岸水上穩(wěn)定坡角（°）；γ-原始岸坡坡角（°）。其中，α、β可在相關(guān)手冊(cè)中查找，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行選取。該方法計(jì)算精度取決于參數(shù)的選取，如N的選取，當(dāng)原始岸坡較陡，水深較大時(shí)，N值應(yīng)適量增大，否則計(jì)算結(jié)果會(huì)有比較大的偏差。

對(duì)可能產(chǎn)生塌岸的庫(kù)岸選取典型地質(zhì)剖面（見(jiàn)圖1），選取合適參數(shù)運(yùn)用公式估算最終塌岸寬度，在平面圖中標(biāo)出塌岸范圍，在平面圖中量測(cè)塌岸分區(qū)的寬度，對(duì)分區(qū)內(nèi)截取剖面估算水上岸坡平均高度，并最終估算塌岸方量。

5　小結(jié)

水庫(kù)塌岸是黃土地區(qū)水利水電工程必須應(yīng)對(duì)的工程地質(zhì)問(wèn)題，黃土地區(qū)水庫(kù)塌岸的影響因素較為復(fù)雜。黃土地區(qū)一般采用卡丘金預(yù)測(cè)法對(duì)水庫(kù)塌岸進(jìn)行預(yù)測(cè)，由于水庫(kù)塌岸過(guò)程中，會(huì)在坡腳形成淺灘，對(duì)庫(kù)岸有保護(hù)作用，減小塌岸影響，預(yù)測(cè)結(jié)果偏于安全，但比較符合實(shí)際情況。

參考文獻(xiàn)

［1］彭土標(biāo).水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2011.

［2］常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社（第四版），2007.

［3］宋岳，段世委，陳書文，等.官?gòu)d水庫(kù)塌岸影響因素分析［J］.水利水電工程設(shè)計(jì)，2004，23（1）：34-37.

［4］程洪濤，代常友.黃土地區(qū)水庫(kù)塌岸的影響因素及預(yù)測(cè)方法［J］.四川建筑，2014（6）：121-123.

收稿日期：2016—04—09