不同水位下渭北黃土臺塬水庫岸坡塌岸模型試驗

李常虎 馬學通 高德彬 李征征 李萍 李同錄

摘 要：通過現場調查渭北黃土臺塬大北溝水庫岸坡塌岸形態，并通過物理模型試驗對不同水位條件下的直立型黃土岸坡的塌岸特征、形態開展了試驗研究，試驗結果表明，岸坡高度相同時，塌岸寬度與水位成正比，且水位越高塌岸頻次越多、時間間隔越短、塌岸越劇烈。同時，岸坡塌岸后的水上岸坡存在直立段，水下岸坡呈曲線形，這與圖解法的直線形存在一定的差異。另外，水下岸坡坡角隨著與坡腳距離不同而差異較大，但遠離坡腳處的水下岸坡角度基本相同，綜合確定出水下綜合穩定坡角為１６°～１８°。

關鍵詞：黃土臺塬；水庫；岸坡塌岸；模型試驗；水下坡角

中圖分類號： ＴＶ６９７．２３ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０２８

引用格式：李常虎，馬學通，高德彬，等．不同水位下渭北黃土臺塬水庫岸坡塌岸模型試驗［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（７）：１５２－１５６．

０ 引言

黃土地區生態環境脆弱，水庫塌岸的發生會導致水土流失，對庫區自然生態環境造成不良影響，如三門峽水庫最大塌岸寬度達到了９５０ ｍ，塌岸方量９．２３ 億ｍ３，造成庫區嚴重的水土流失與淤積，因此黃土地區塌岸研究對庫區生態環境保護具有重要意義［１］ 。濮聲榮［２］ 對黃土岸坡的塌岸特征進行了總結，將岸坡分為堆積岸坡、磨蝕岸坡和磨蝕堆積岸坡３ 類，并對各類塌岸岸坡的分布及不同巖土類型岸坡的穩定坡角進行了統計。呂占彪等［３］ 調查發現小浪底水庫不同時期塌岸影響因素存在差異，秋季以水流側向侵蝕為主，其余時間則為蓄水；在考慮岸坡塌岸特征的基礎上，用卡丘金法計算了岸坡的塌岸寬度。李永樂［４］ 指出黃土塌岸的主要影響因素包括地質環境條件和水力條件的變化，黃土塬岸坡塌岸劇烈，而一級階地塌岸則相對較少。陳思明等［５］ 則認為黃土岸坡塌岸主要是水的作用導致的，庫水位下降時塌岸劇烈。郭凱等［６－７］ 根據岸坡土體性質將岸坡分為離石黃土岸坡和重力堆積體岸坡兩類，并通過原位浸水試驗分析指出兩者水下穩定坡角存在差異。樊曉明［８］ 指出黃土地區中小型水庫受風浪作用影響較小，且運行水位較為穩定，塌岸主要是庫水通過物理化學作用使岸坡巖土體的強度降低導致的。岳永峰等［９］ 根據涇河岸坡發育特征對卡丘金法進行改進，有效提高了塌岸的預測精度。王春永［１０］ 通過對王圪堵水庫的調查指出陜北黃土岸坡后緣存在一定高度的直立岸坡。除此以外，還有部分學者對庫區滲流場進行研究， 如： 劉曉光等［１１］ 采用Ｍｏｄｆｌｏｗ 對庫區地下水位進行了模擬，指出地下水位變化的滯后性主要與岸坡距離、滲透系數、給水度有關，降雨蒸發對其影響較小；王志浩［１２］ 、卿菁等［１３］ 研究指出岸坡滲流的滯后性對岸坡穩定性具有一定影響。

目前針對黃土岸坡塌岸預測主要采用圖解法進行，關于塌岸的主要影響因素、滲流場等有一些研究成果，而關于不同水位的岸坡塌岸特征、動態發展趨勢的研究相對較少。基于此，筆者以渭北黃土臺塬寶雞峽灌區大北溝水庫岸坡為研究對象，通過現場調查水庫不同位置直立岸坡的塌岸形態，借助物理模型試驗對不同水位下直立岸坡塌岸的發生發展及最終穩定形態進行研究，以期為黃土臺塬區地質環境條件相同或相似的水庫治理塌岸及修復生態環境提供參考。

１ 大北溝水庫環境地質條件及岸坡塌岸特征

大北溝水庫地處關中盆地西北部的渭北黃土臺塬地區渭河支流莫谷河下游，行政區劃屬陜西省乾縣。該水庫由莫谷河截流形成，水庫沿黃土塬間溝壑展布，整體呈Ｖ 形（見圖１），回水長度約４．５ ｋｍ，最大水深３１．０ ｍ，有效庫容約為３ ０２５ 萬ｍ３。據現場調查，岸坡土體主要為第四系風積黃土，抗沖刷能力差，在庫水作用下易發生變形破壞，塌岸現象嚴重（見圖２）。

２ 材料和方法

２．１ 試驗材料

室內物理模型試驗的模型箱為長方體， 長度１４０ ｃｍ、高度８０ ｃｍ、寬度５０ ｃｍ，選取剛度大且質量較輕的亞克力材料制作（厚度０．５ ｃｍ）。為了方便進出水，模型箱設置對稱的進出水孔，且用閥門控制，孔中心與模型箱底部和側邊的距離均為５．０ ｃｍ，孔徑２．０ｃｍ。模型箱構造見圖３。

模型箱填筑的黃土取自大北溝水庫岸坡上部的擾動黃土，通過室內土工試驗確定黃土的液限、塑限及壓實性控制指標（見表１）。同時，采用Ｂｅｔｔｅｒｓｉｚｅ ２０００ 型激光粒度分布儀對其進行粒度分析，其粒徑分布曲線見圖４。

２．２ 試驗方案

為了研究水庫不同位置的岸坡塌岸特征，設置了３ 種不同的水位，即１５、４０、６５ ｃｍ，分別對應水庫上游、中游與下游（大壩附近）水位。考慮到高水位塌岸寬度較大，試驗時增加了岸坡模型填筑的寬度。模型填筑的壓實黃土壓實度指標為０．８，接近于岸坡黃土的天然密實度。模型填筑黃土控制指標及試驗方案見表２。岸坡填筑完成后靜置４８ ｈ，以使其達穩定狀態。試驗開始時以１５ ｃｍ３ ／ ｓ 的流量向模型箱內注水，達到預定水位后進行試驗觀察，記錄岸坡變形破壞過程及塌岸穩定后的最終寬度與形態特征。

３ 試驗結果及討論

方案１ 模型試驗（水位１５ ｃｍ）的塌岸發生發展過程見圖５。在加水過程中，水下岸坡坡面出現少量溜土。試驗進行４ ｈ 時，岸坡出現第１ 次塌岸，塌岸高度約４０ ｃｍ、寬度約５ ｃｍ。岸坡臨水面出現明顯的裂縫，水面以上岸坡出現沖蝕龕。第２ 次塌岸出現在１１ ｈ時，塌岸邊界明顯上移，高度達到了６０ ｃｍ，塌岸寬度１０～１５ ｃｍ，且在岸坡臨水面出現新的裂縫，沖蝕龕進一步擴大，部分被塌岸土體掩埋。第３ 次塌岸發生于４ ｄ 時，之后岸坡處于穩定狀態。最終塌岸寬度約１５ｃｍ，沖蝕龕被塌岸土體完全掩埋，同時滲流作用使得模型水位出現下降。

由模型坡上部可以觀察到岸坡穩定時坡面線為曲線，而從模型側面可以觀察到，岸坡上部呈近似直立狀，而水下部分呈曲線形。水下堆積岸坡長度達６０ ｃｍ。同時，水下堆積體角度測量結果顯示，靠近坡腳附近穩定坡角為１８°～２０°，遠離坡腳的穩定坡角為８°～１２°。水下綜合坡角為１６°～１８°，這與濮聲榮［２］ 統計的結果基本一致。

方案２ 模型試驗（水位４０ ｃｍ）的塌岸發生發展過程見圖６。

方案２ 模型試驗共發生５ 次塌岸：第１ 次塌岸發生于試驗開始后２ ｈ，塌岸位置位于水下，由于水體渾濁，因此僅能從側面進行觀察，塌岸高度約為４０ ｃｍ、寬度為３ ｃｍ，全部塌岸部分位于水下。第２ 次塌岸發生于５．５ ｈ 時，塌岸寬度１０ ｃｍ，塌岸高度沒有明顯變化，此時可以觀察到水下岸坡呈曲線形。第３ 次塌岸發生于１８ ｈ 時，塌岸寬度為１７ ｃｍ，高度擴大至５０ ｃｍ，此時塌岸有部分露出水面，可以觀察到水位附近出現沖蝕龕，且坡頂出現了一條裂縫。第４ 次塌岸發生在３ ｄ時，塌岸高度擴大至６０ ｃｍ，其他沒有變化。第５ 次崩塌發生在４ ｄ 時，塌岸寬度約３５ ｃｍ，沖蝕龕被塌岸土體掩埋，之后岸坡處于穩定狀態。由模型坡上部可以觀察到塌岸后坡面線呈曲線形，從模型側面可以觀察到岸坡上部呈近似直立狀，而水下部分呈曲線形，水下沉積物的長度超過１１０ ｃｍ。同時，水下堆積體角度測量顯示，靠近坡腳附近穩定角為２５°～３０°，遠離坡腳的穩定角為８°～１２°，水下綜合坡角為１６°～１８°。

方案３ 模型試驗（水位６５ ｃｍ）的塌岸發生發展過程見圖７。在此次模型試驗中，共發生了６ 次塌岸：第１ 次塌岸發生于試驗開始后３０ ｍｉｎ，塌岸寬度約為５ｃｍ，越靠近岸坡底部塌岸寬度越小。同時，塌落土體在水下形成了曲線形堆積岸坡，對水下岸坡起到了一定的保護作用。第２ 次塌岸發生在１．５ ｈ 時，塌岸寬度達到了１０ ｃｍ，同時形成了新的沖蝕龕，水下堆積岸坡仍為曲線形。第３ 次塌岸發生在３ ｈ 時，塌岸寬度約為１５ ｃｍ，岸坡形態輪廓基本無變化。第４ 次塌岸發生于５ ｈ 時，塌岸寬度達到了２５ ｃｍ，在水位以上岸坡為直立狀態，水下原始岸坡仍存在較大角度，水下堆積岸坡角度則較小，且延展長度和厚度不斷增大。第５次塌岸發生在１０ ｈ 時，塌岸寬度達到了４０ ｃｍ，水下岸坡完全被塌落土體掩埋，水下岸坡剖面角度為堆積物的角度。第６ 次塌岸發生在１３ ｈ 時，塌岸寬度約５０ ｃｍ，水上岸坡仍為直立狀，岸坡后緣與模型箱脫開，但未發生滑塌，之后岸坡一直處于穩定狀態，直至試驗結束。同時，水下堆積體角度測量結果顯示，靠近坡腳附近穩定角為３０° ～ ３５°，遠離坡腳的穩定角為８° ～１５°，水下綜合坡角為１６° ～１８°。值得指出的是，在試驗結束后排水過程中又一次發生塌岸，水上岸坡完全滑落至水面以下。

表３ 為模型試驗所得塌岸結果及不同位置岸坡穩定角度。可以看出，水位越高，塌岸次數越多，塌岸寬度越大。同時，不同水位條件下水上岸坡的穩定角度均為９０°，而水下堆積岸坡在遠離坡腳處的角度基本一致，但坡腳處的穩定角度隨著水位的升高而增大。不同水位條件下的水下綜合坡角均為１６° ～１８°，這一結果與目前黃土地區塌岸預測所采用的水下穩定角度基本一致，說明圖解法雖然對水下岸坡形態描述不準確，但其水下穩定角的選取是合理的。

將不同水位的塌岸寬度與浸水時間、水位與最終塌岸寬度的關系繪制成圖，見圖８、圖９。

由圖８ 可以看出，模型水位越高，最終塌岸寬度越大。同時水位越高，模型塌岸發生的頻次越多、時間間隔越短、塌岸越劇烈。由圖９ 可知，水庫岸坡的塌岸寬度與庫水位為線性關系，這與水庫下游（大壩附近）寬度明顯大于中、上游區域的現象一致。

４ 結論

通過現場調查渭北黃土臺塬大北溝水庫不同位置岸坡塌岸形態，并借助物理模型試驗對不同水位下直立黃土岸坡的塌岸過程、塌岸形態及水下穩定坡角等進行試驗研究，得到以下結論。

１）水位越高，岸坡最終塌岸的寬度越大，且最終塌岸寬度與水位呈線性關系。同時，庫水位越高，其岸坡塌岸發生的頻次越多、時間間隔縮短、塌岸越劇烈。

２）黃土岸坡發生塌岸后，存在一定高度的水上直立岸坡，而水下岸坡形態呈曲線形。因此，選用圖解法對直立黃土岸坡進行塌岸預測時，應考慮水位和岸坡高度，并對圖解法進行相應的修正，保證塌岸預測結果的準確性。

３）水下岸坡坡角隨著與坡腳距離的不同而差異較大，遠離坡腳處的水下岸坡角度基本相同，水下綜合穩定角為１６°～１８°，這與文獻［２］統計結果一致，表明黃土塌岸預測時水下穩定綜合坡角參數選取是合理的。

參考文獻：

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【責任編輯 張華巖】