小盤河水庫庫區黃土塌岸分析預測及庫岸穩定性評價

周延國 吳國宏 楊金林

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州450003）

塌岸問題是水庫區主要環境地質與工程地質問題之一，水庫塌岸對水庫工程影響重大，尤其是在黃土大片覆蓋的黃河流域中游地區，黃土塌岸直接影響著水庫正常運行、移民安置、庫區生態環境治理、交通通訊等工程和設施的安全。通過黃土岸坡塌岸破壞機制分析，研究塌岸主要影響因素及參數的敏感性，采用預測評價方法對岸坡塌岸寬度進行預測，為改善庫區生態環境及庫區塌岸防護提供技術支撐，具有重要的科學意義。

1 基本地質條件

小盤河水庫工程位于涇河的一級支流蒲河下游，下距蒲河與涇河匯合口約14km，距離慶陽市約50km。小盤河水庫工程總庫容約3311 萬m3，屬于中型水庫，正常蓄水位982m，水庫大壩最大壩高約40m，擬采用混凝土重力壩和均質土壩的組合壩型。工程區位于隴東黃土高原東部，在地貌單元上屬黃土高原溝壑區。區內溝谷密布，岸坡陡立，地形連綿起伏。黃土塬、梁、峁等黃土地貌形態交錯分布。除河道岸坡局部有基巖裸露外，大部分為第四系黃土所覆蓋，上覆土層厚度100m～300m。自然邊坡：黃土30°～50°，基巖50°～80°，河谷表現為“U”型不對稱谷。

根據甘肅省區域地質志，本區地層分區屬于隴東區慶陽小區。區域內主要出露白堊系下統（K1）泥灰巖、砂質泥巖、砂巖和第四系地層。

1.1 白堊系下統涇川組（K1j）

該組地層為區內第四系地層的基底，巖性為青灰色泥灰巖、泥巖、灰黃色細～中砂狀砂巖。巖層產狀為5°～40°/SE∠5°～20°，下壩址左壩肩巖層傾角局部大于10°,但小于20°，其余基巖出露部位巖層傾角均小于10°，較為平緩。

1.2 第四系（Q）

第四系地層在壩址區分布較廣泛，按其成因分述如下：

a.第四系下更新統午城黃土（Q1w）：兩岸均有分布，主要分布在涇川組基巖之上。巖性為褐黃色重粉質壤土局部含薄層褐紅色粉質粘土，含有少量鈣質結核，呈堅硬～硬塑狀。b.第四系中更新統離石黃土(Q2l)：一般伏于Q3m 馬蘭黃土層之下，呈灰褐色、灰色，均質，結構密實，孔洞不發育，新鮮面上可見有白色鈣質斑點或絲狀物分布，垂直裂隙較發育，一般含鈣質結核，在庫區陡壁底部有少量出露，底部發育不等厚度的礫石層。c.第四系上更新統馬蘭黃土（Q3m）：主要分布在黃土塬頂部。巖性主要為灰色、淺灰黃色粉質壤土，質地較均一、結構疏松，常具大孔隙及垂直節理等。d.第四系全新統沖積物（Q4al）：物質組成主要為淺黃色粉質壤土和砂礫石，厚度差別較大，5m～15m，分別堆積在沿線河床、漫灘、Ⅰ級階地。

2 庫岸類型分類

水庫區基巖地層主要為白堊系涇川組（K1j）泥灰巖、砂質砂質泥巖夾灰黃色細～中砂狀砂巖，地質構造不發育，基巖地層較平緩。區內午城和離石黃土分布廣泛，一般覆蓋于基巖之上。根據水庫區地形地貌、地層結構與庫水的組合關系，可分A 類：基巖～黃土庫岸和B 類：黃土庫岸兩類。A 類基巖-黃土庫岸：該類岸坡一般黃土覆蓋于基巖之上，基巖岸坡坡度較陡，約50°，局部近直立；上部黃土岸坡坡度一般25°～40°。天然狀態下岸坡穩定，蓄水后岸坡可能存在塌岸問題。根據基巖出露高程與正常蓄水位的關系可分為兩類，A1 類為基巖出露高程低于正常蓄水位，A2 類為基巖出露高程高于正常蓄水位。A1 基巖-黃土庫岸：基巖出露高程低于正常蓄水位，基巖岸坡較陡，約50°，局部近直立，岸坡穩定性較好。上部為午城或離石黃土，岸坡坡度一般30°～40°。該類岸坡的黃土受庫水影響存在塌岸問題。該類岸坡約占水庫庫岸的4%。A2 基巖-黃土庫岸：基巖出露高程高于正常蓄水位，岸坡穩定性較好。蓄水后庫水直接沖刷基巖，黃土受庫水位影響較小。基本不存在塌岸問題。該類岸坡約占水庫庫岸的53%。B 類：黃土庫岸：庫區分布廣泛，左右岸均有分布。該類岸坡主要由黃土組成，蓄水后存在黃土塌岸問題，屬不穩定岸坡。該類庫岸約占水庫庫岸的43%。

3 庫區塌岸影響因素分析以及塌岸預測方法

3.1 庫區塌岸影響因素分析

水庫塌岸作用的誘發及影響因素的作用強度和延續性的因素等是多種多樣的。其中波浪的沖刷磨蝕能力與庫岸巖土體的抗沖刷能力是決定塌岸作用發生發展的最本質因素。但在一定的自然條件下，塌岸作用的強度與延續性還跟許多間接因素有密切的關系。進行庫岸穩定性評價，必須考慮與之相關的各種因素，真實而科學地評價庫岸岸坡的穩定性狀況。

3.2 庫區塌岸預測方法

前蘇聯學者卡丘金通過對大量初期資料的研究，特別是塌岸中的速度與波高、巖性及岸高關系，提出了與波能、巖性及時間有關的岸坡塌岸速度計算經驗公式（1）。卡丘金的方法考慮了塌岸后形成的淺灘并非全部為磨蝕的，其中一部分為由未被波浪搬運走的岸壁破壞產物中粗顆粒堆積形成，卡丘金通過該公式計算庫岸的沖刷量，再根據沖刷量與堆積量的關系繪制庫岸再造剖面。后來人們根據其基本原理和方法提出了簡化的卡丘金圖解法。本次選取長期預測的E.F.卡丘金公式法（圖1）進行岸坡塌岸的初步預測評價，并結合工程類比，最終確定塌岸的寬度。

E.F.卡丘金計算公式如下：

式中：St-塌岸寬度（m）；A-庫水位變化幅度（m）；H- 正常蓄水位以上岸坡高度（m）；γ-原始岸坡坡角（度）；α-水下淺灘坡角（度）；β-水上穩定坡角（度）；hB-波浪爬高（m），取0.1～0.8 倍浪高；hp-波浪影響深度（m），相當于1～2 倍浪高；B-正常高水位與最低水位之差（m）；N－與組成岸邊坡的土粒有關的系數，N 值的大小是根據組成岸邊坡的物質結構來確定的，對典型黃土來說，一般取1.0。

（1）水下淺灘穩定坡角α

水下淺灘坡角（α）的大小不僅與巖性有關，還與浪高有關。據E.F 卡金丘提出的不同種類濱海淺灘水下穩定坡角關系曲線圖查得：粉土為2.00～4.50，粉質粘土3.50～6.70，半膠結粘土60～80，砂礫石層100～250。小盤河庫區河流階地堆積物主要為Q1、Q2黃土，巖性以中、重粉質壤土為主，綜合考慮地層特征，黃土水下穩定坡角取值如下：黃土α 取60～80。

（2）水上穩定坡角（β）

水庫區岸坡下部基巖穩定性較好，上部黃土，強度較高，自然坡度可達650以上。據小浪底水庫資料，黃土類粉土和粉質粘土β 為500～600。綜合考慮庫區黃土特征，參考小浪底水庫塌岸資料，小盤河水庫黃土β 取500～600。

根據上述黃土塌岸計算方法及參數選取標準，對庫區規模較大、影響到村鎮居民點、耕地果園的主要塌岸地段進行分析計算，據計算結果統計，水庫區兩岸塌岸總長度約3km，總塌岸量約500×104m3，水庫區塌岸主要集中在下壩址～劉家河的庫首河段，其它庫段塌岸零星分布。

4 庫岸穩定性分段評價

依據庫區地形地貌、巖土體工程地質特征、地質構造、岸坡結構類型等因素，結合水庫塌岸分級、滑坡等變形破壞體的穩定性分析，可將水庫區庫岸分為不穩定庫岸段、次穩定庫岸段、基本穩定庫岸段和穩定庫岸段。

水庫回水約16km，水庫蓄水后，在庫水作用下，會發生一定庫岸再造，通過對庫區岸坡穩定性調查，根據地形地貌、岸坡地質結構等特征，可將庫岸大體分為六段。

4.1 下壩址～下孟河段

該段河流彎曲，長約1300m，河水面高程957m～958.1m，正常蓄水位982m 時，庫水位升高23m～24m。水庫左岸：上壩址軸線上游約300m、下游約150m 范圍屬于黃土岸坡，岸坡類型為B類，為不穩定庫岸段，計算塌岸寬度約130m；下壩址上游約500m 范圍庫段岸坡類型屬基巖-黃土庫岸A2 類，為穩定庫岸；其余庫段屬基巖-黃土庫岸A1 類，為不穩定庫岸。水庫右岸：上壩址軸線上游約400m、下游約200m 范圍屬于基巖-黃土岸坡，岸坡類型為A2 類，為穩定庫岸；其余庫段屬于黃土岸坡B 類，正常蓄水位時塌岸較嚴重，塌岸寬度110m～140m，屬于不穩定庫段。在水庫運行過程中，該段為黃土塌岸的主要區域，也是庫區固體徑流物質的主要來源之一。

4.2 下孟-劉家河段

該段河流彎曲，長約2680m，河水面高程為958.1m～962.3m，正常蓄水位982m 時，庫水位升高19m～23m。水庫左岸：岸坡類型屬于基巖-黃土性庫岸A2 類，庫水對庫岸影響較小，庫岸穩定。水庫右岸：岸坡類型屬于黃土庫岸B 類，計算塌岸寬度50m～90m，屬于不穩定庫段。

4.3 劉家河-莊子洼段

該段長約1500m，河水面高程為962.3m～969.2m，正常蓄水位982m 時，庫水位升高11m～19m。該段庫岸屬于基巖-黃土性庫岸A2 類，水庫蓄水對庫岸影響較小，庫岸穩定。

4.4 莊子洼-下河社段

該段長約1800m，河水面高程為968.7m～969.6m，正常蓄水位982m 時，庫水位升高11m～12m。該段右岸階地發育，高出河水面3m～8m，正常蓄水位時，將被淹沒。水庫左岸：屬于基巖-黃土性庫岸A2 類，庫水對庫岸影響較小，庫岸穩定；水庫右岸：屬于黃土庫岸B 類，經計算，塌岸寬度小于10m，屬不穩定岸坡，但塌岸寬度較小。

4.5 下河社-小坪段

該段長5900m，河谷呈“U”型，河流彎曲。該段河水面高程為969.8m～979m，正常蓄水位982m 時，庫水位升高2m～11m，根據計算該段僅零星地段存在小規模輕微塌岸，對庫岸影響較小，但該段浸沒問題比較嚴重。

4.6 小坪-庫尾

該段位于庫尾，河谷呈“U”型，河谷寬度65m～100m。河水面高程為979m～982m，兩岸階地發育，階地一般高出河水面8m～10m。正常蓄水位982m 時，庫水位升高僅1～2m，對庫岸影響較小，僅零星地段存在小規模輕微塌岸，岸坡整體穩定性好，屬穩定庫岸。

總體來看，水庫蓄水后，近壩段岸坡在庫水及風浪作用下會形成庫岸再造，對庫容形成淤積，應加強排沙排於措施。遠壩段岸坡相對穩定，受水庫影響相對較小。從環境地質角度，對塌岸發展的最終寬度、穩定時間歷程進行預測，可為水庫工程移民安置、庫區開發建設提供了借鑒。