黄土地区水库坍岸的影响因素及预测方法

程红涛，代常友

(黄河勘测规划设计有限公司，河南洛阳471000)

水库坍岸是一个复杂的工程地质问题，其形成也是岸坡物质在水库水位升降过程中由稳定到破坏再到稳定的过程，对水库安全及长期运营有重要控制作用，也是水库本身及铁路、公路等建设需要解决的工程地质问题。我国黄土地区分布广泛，多属干旱、半干旱气候区，往往降水量小，蒸发量大，气候干燥，河流受季节影响大，因此既有河流多修建了水利水电工程。在黄土地区修建的水库蓄水后经常产生一系列的工程地质问题，水库坍岸就是其中之一。

1 水库坍岸及其发生、发展过程

水库蓄水后，水位的变化将使库岸地质条件发生改变，库岸受回水浸润、波浪冲刷磨蚀、水流侵蚀及干湿交替作用下失去原来的自然平衡条件，逐渐坍塌破坏，使水库岸线后退，这种现象称为水库坍岸现象，促进坍岸现象发生的作用称为坍岸作用[1]。

岸坡坍塌破坏后的坍落岩土体一方面受波浪的搬运和分选作用在一定的地区堆积，另一方面受暗流的搬运迁移，同时水下浅滩也逐渐形成和发展。随着库水位的周期运用变化，以上过程循环往复地不断进行，结果在水位变动带内形成了复杂的阶梯状浅滩，直至塑造的浅滩外形(包括宽度和坡角)能够消耗击向岸坡的全部波能时，波浪对岸壁的破坏作用方才停止。这时水上岸壁及水下浅滩达到相对稳定，坍岸过程也告结束[2]。水库蓄水后，岸坡坍岸形成主要为崩塌、滑坡、错落、剥落、冲刷磨蚀，其中以崩塌最为普遍。

2 山西地区黄土的特征

我国黄土主要分布在北纬33°～47°之间，为我国西北、华北与东北地区，尤其集中分布在被称为中央黄土高原的陕西、甘肃、山西以及宁夏等省区。这一区域明显的特征就是气候干燥，降雨量少，蒸发量大，属干旱、半干旱气候类型。黄土是第四纪时期形成的广泛分布的松散土状堆积物，其主要特征是呈浅灰黄色或棕黄色，主要由粉粒组成，富含钙质，疏松多孔，不显宏观层理，垂直节理发育，具有很强的湿陷性。

黄土分布往往不受地势高低所限制，具有坡向性，产状也往往与原始地形吻合，与下伏岩层呈假整合或不整合接触，因此黄土与下伏岩层的接触面大多起伏不平。黄土的厚度以黄河中游地区最大，一般厚100 m以上，最厚可达200 m或更多，黄河中游往西厚度逐渐变小，至甘肃等地厚度10～20 m，黄河中游往东至太行山麓厚度为10～40 m[3]。黄土地貌特征是沟谷众多，地面支离破碎；易受侵蚀，发展迅速；沟道流域内有多级地形面。地貌类型有沟间地貌、沟谷地貌及独特的沟谷潜蚀地貌等。

黄土结构疏松、多孔隙、大孔隙及垂直裂隙发育，且不具宏观层理。黄土的孔隙多为管状孔隙，孔隙大者达0.5～1.0 cm。孔隙内大都填充有不同数量的碳酸盐矿物，部分孔隙几乎全部被碳酸盐矿物充填；黄土孔隙度较高，一般多在33 %～64 %之间变化。黄土中垂直节理发育，地表水沿裂隙面进行潜蚀作用易形成黄土穴、黄土井等洞穴；在黄土第的边坡部位经常沿节理面发生崩塌，形成峭壁，有时甚至产生大规模的滑坡。

黄土的特殊结构及孔隙率高的特点使黄土具有特殊的工程地质性质——湿陷性，即黄土受水浸润后，细粒黏土矿物和易溶盐类溶解或分散使其强度降低，孔隙缩小或闭合，继而体积缩小，造成地面坍陷。黄土湿陷性具有自新黄土至老黄土沿深度减弱直至消失的特征，同时在未达到饱和之前，随着黄土中含水量的增加其压缩性也增高，湿陷性也降低。黄土在一定条件下具有保持土的原始基本单元结构形式不被破坏的能力，在其结构强度未被破坏或软化的压力范围内表现出压缩性低、强度高等特征，但结构性一旦遭受破坏时，其力学性质将呈现屈服、软化、湿陷等性状；再者黄土颗粒间保持着比较疏松的高孔隙度组构而未在上覆荷重作用下被固结压密，处于欠压密状态[4]。

黄土的颗粒组成以粉粒为主，含量可达60 %以上，其它为砂粒、黏粒；砂粒普遍以粉砂居多，细砂含量较少，颗粒大于0.25 mm的砂粒通常是没有的；黏粒含量一般20 %左右。黄土矿物成分一般比较复杂，主要以石英为主，次为长石，含有白云母碳酸盐和黏土矿物等轻矿物。黄土的化学成分主要以SiO2为主，次为Al2O3，含富含一定量的碳酸盐矿物。

3 影响水库坍岸的因素

水库坍岸是一个复杂的地质问题，其成因并不是单一的，而是一个由多种复杂的因素引起的。

3.1 地貌因素

首先，岸线形态对坍岸的影响很大。黄土地区具有沟谷众多、地面支离破碎的地貌特征，使得黄土地区的库岸凹凸不平。伸入水库内的凸岸，三面环水，受多向风浪的冲蚀，坍岸迅速而剧烈，坍岸宽度较大。凹岸一般为避风地带，波浪和沿岸流搬运的物质往往在此堆积，形成堆积浅滩，对库岸有保护作用，一般坍岸宽度较小。

其次，岸线高度、坡度与坍岸速度有较大关系。黄土地区沟道流域内具有多级地形面，在水深相同的情况下，高岸坍岸速度慢，低岸坍岸速度快。当陡岸岸前水深时，则坍岸速度快，最终坍岸宽度亦较大；缓岸的坍岸速度与宽度均较小；当缓岸坡度接近浅滩磨蚀角时，则不发生坍岸，或仅有少量坍岸。

其三，水下岸形不仅影响坍岸的随度而且还影响浅滩的宽度和坡角。一般岸前有浸没阶地或漫滩的库岸所形成的浅滩宽而缓，并可减弱波浪对库岸的冲蚀，减少坍岸的速度；而水下岸形高陡的库岸，波浪对岸壁的作用强烈，坍落物质被搬运的速度快，将加速水库坍岸的过程，形成陡而窄的浅滩。

最后，库岸的切割程度往往是坍岸发展的制约条件。在黄土地区，冲沟发育、切割破碎的库岸坍岸严重；而岸坡平整、阶地面宽阔、支沟不发育的库岸则宽较轻。

3.2 地质因素

首先，岩性方面主要考虑抗冲刷能力等因素。抗冲刷能力的大小与地层的物质组成和密实程度有关。黄土的粉土粒组含量大，孔隙率高，垂直裂隙发育，崩解速度快，浸水后土的胶体联结被破坏，抗剪强度大大降低，所以常形成快速、强烈的坍塌，坍岸宽度最大，浅滩坡度很缓。

其次，岸边(特别是水位变动带)的地层结构直接影响着坍岸的速度和宽度。黄土地区地层结构一般为较为简单，黄土地层下部一般为基岩，呈假整合或不整合接触关系。黄土结构疏松，孔隙率高，颗粒组成以粉粒为主，因此坍岸速度和最终坍岸宽度都比较大。黄土与下伏岩层的接触关系不仅控制坍岸宽度，还可能引起黄土层沿下伏基岩接触面的整体滑动。黄土具有垂直节理裂隙发育的特征，这对坍岸的速度和宽度影响也较大。

最后，地下水位的壅升将引起库岸土体的湿化，降低黄土体的抗剪强度和承载能力；当库水位下降时，又产生很大的动水压力，加之土体内细颗粒的冲移及易溶矿物的溶蚀，黄土库岸易于产生沉陷、崩塌、滑坡等不良地质现象，都将加剧坍岸的发展。

3.3 水文因素

首先,库水浸泡和波浪作用是水库坍岸的主要营力。波浪的破坏作用主要表现为击岸浪对岸壁土体的不断冲刷和磨蚀，通过冲刷、搬运、再冲刷、再搬运的形式周而复始的破坏着岸壁土体。对黄土体库岸来说，波浪作用使黄土体库岸形成浪蚀洞、倒坡而引起崩塌、滑动；浪越高，作用时间越长，波能越大，波浪的掏刷和磨蚀作用越强，相应的被搬运的坍落堆积物的能力越大，搬运速度越快，搬运距离越远，形成的浅滩宽而缓。反之，对岸壁的掏刷与磨蚀作用能力弱，被搬运的坍落物质粒径小，搬运的随度慢、距离近，形成的浅滩陡而窄。

其次,水位变化幅度与各种水位的持续时间对浅滩的形态有很大影响。在其它条件都相同的情况下，库水位的变化幅度越大，所形成的浅滩越宽，浅滩台阶也越多；水位持续的时间越长，波浪作用的频率越高，浅滩的坡角越缓，宽度也越大；最终都将扩大坍岸的范围。

最后,沿岸流是由于风浪对岸边作用而产生的一种顺岸水流，这种水流具有一定的流速，有冲刷和搬运坍落物的作用。沿岸流一方面冲蚀凸岸、岸嘴，使岸线趋向直化，加速坍岸的过程；另一方面搬运坍落物沿岸线堆积，有利于水下浅滩的稳定，减缓坍岸的发展。

3.4 淤积因素

库岸坍塌和库区淤积是同时进行而互相影响的。黄土地区往往水土流失较严重，河道一般多泥沙，水库淤积严重。大量淤积有利于水下浅滩的形成，对岸坡能起保护作用，减缓了坍岸的发展。但淤积后，回水高度和地下水位相应抬高，又扩大了坍岸。黄土地区水库淤积速度快，岸边淤积浅滩形成很快，从而覆盖和支护了水库岸坡，使之很快稳定，坍岸宽度显著的减小。

3.5 其它因素

水库的地理位置不同其自然营力不同，所造成的坍岸程度亦不一样。如峡谷地区、多风地区、寒冷地区等所造成的坍岸程度差别较大。

库区部位不同坍岸程度亦不相同。库首区和库腹区坍岸较严重，库尾区一般较轻。

植被条件也是影响水库坍岸的一个因素。一般情况下，植被根系的固结作用可使河岸黄土体的抗冲刷能力增大。

地震会加剧坍岸的速度和严重程度。

4 黄土地区水库坍岸的预测方法

水库坍岸预测的目的是根据水库区的工程地质条件和水库运用期水位变化的情况等，定量的估计水库蓄水后某一期限内以及最终的坍岸宽度、坍岸速度、形成最终坍岸的可能性期限，一边做出库岸农田规划、城镇规划、道路等设施迁移计划和防治措施[5]。

自水库坍岸问题提出以来，先后众多学者专家提出了许多预测方法及理论，其主要有卡丘金法、佐洛塔廖夫法、平衡剖面法、类比法等方法[6]，针对不同的预测方法具有不同的适用条件。对于黄土地区来说，目前多采用卡丘金法进行预测，预测结果也更符合实际情况。

卡丘金法岸坡坍岸预测计算公式是前苏联卡丘金于1949年提出了，其实质是依据实测的洪枯水位变幅带及各类岩性岸坡长期稳定坡角，根据几何关系用图解法求解岸坡最终坍岸预测预测宽度。最终坍岸宽度是指从正常高水位与原始库岸交线起至最终坍岸时库岸的距离。

黄土库岸最终宽度的长期预报公式见式(1)[7]，水库坍岸预测图解见图1。

St=N[(A+hB+hP)cotα+(H-hB)cotβ-(A+hP)cotγ]

(1)

式中：St为最终坍岸宽度(m)；N为与土的颗粒成分有关的系数，黄土取0.6；A为库水位变化幅度(m)；hP为波浪冲刷深度(m)，相当于1～2倍浪高(中小型水库波高一般采用0.5～1.5 m)；hB为浪击高度(m)，大体为0.1～0.8倍浪高；α为浅滩冲刷后水下稳定坡角(°)；H为正常蓄水位以上岸壁高度(m)；β为水上岸坡的稳定坡角(°)；γ为原始岸坡坡角(°)。

图1 水库坍岸长期预报图解

对短期来讲，可不考虑波浪冲刷深度(hP)及浪击高度(hB)的影响，起点可从原河道最高洪水位起算。可将公式简化为式(2)，水库坍岸预测图解见图2。

图2 水库坍岸短期预报图解

(2)

式中：S0为蓄水初期坍岸宽度(m)；H0为蓄水初期最高水位以上的岸壁高度(m)；P为正常蓄水位与原河道最高洪水位的差值(m)。其它同式(1)。

水下稳定坡角α与水上岸坡的稳定坡角β在没有调查类比资料的情况下可参照表1[8]取值，其大值用于短期预测，小值用于最终值。

黄土地区往往泥沙淤积严重，对水库坍岸影响显著，应研究水库的淤积特征及规律，预测水库的淤积量及淤积速度，然后再根据预测的淤积过程曲线及不同年限不同部位的淤积高程进行坍岸预测，即随着淤积高程的增高，水库坍岸的起始原点也相应抬高。

表1 水下稳定坡角α与水上岸坡的稳定坡角β经验值表

5 结束语

水库坍岸时黄土地区水利水电工程必须应对的工程地质问题，也是库岸农田规划、城镇规划、道路等需要解决的问题。水库坍岸是岸坡物质在水库水位升降过程中由稳定到破坏再到稳定的过程。黄土地区水库坍岸的影响因素较为复杂，黄土在我国分布广泛，具有特殊的地貌特征、结构构造特征、湿陷性特征及物质组成特征，这些特征对黄土地区的水库坍岸影响很大。因此黄土地区的水库坍岸的影响因素主要为地貌、地质、水文及淤积等。水库坍岸的预测方法很多，在黄土地区一般采用卡丘金法对水库坍岸宽度进行预测，虽然预测结果偏于安全，但也比较符合实际情况。

[1] 官厅水库坍岸研究小组.水库坍岸研究[M].北京：水利水电出版社，1958

[2] 铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社，1999

[3] 曹伯勋.地貌学及第四纪地质学[M].中国地质大学出版社，1995

[4] 《工程地质手册》编委会.工程地质手册[M].中国建筑工业出版社，2007

[5] 陆兆溱.工程地质学[M].2版.中国水利水电出版社，2001

[6] 穆鹏.黄河某水库塌岸预测研究[J].安徽农业科学，2010,(2)

[7] 水利电力部水利电力规划设计院.水利水电工程地质手册[M].水利电力出版社，1985

[8] 濮声荣.黄土地区水库岸坡变形[J].人民黄河，1983，(5)