水库塌岸预测参数取值体系研究

彭仕雄，陈卫东

（中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司地质处，成都 610072）

1 研究背景

水库塌岸问题由前苏联学者萨瓦连斯基首次提出，认为波浪作用是造成水库塌岸的主要因素［1］。前苏联学者早期提出了卡丘金法和卓洛塔寥夫法等水库塌岸预测方法［1-3］，至今仍在工程中进行应用。我国学者也提出了一些水库塌岸预测方法，如两段法［4］、岸坡结构法［5］、三段法［2-3］、经验法［2-3］、平衡剖面法［2-3］等，并都在工程中广泛应用，具有一定的现实意义。

在进行水库塌岸预测时，会涉及到一个非常重要的预测参数（包括水上稳定坡角、冲磨蚀角、水下稳定坡角），由于各种预测方法的不同，塌岸预测参数取值差别较大［2-3，6-7］，如卡丘金法和卓洛塔寥夫法的水下稳定坡角取值较小，两段法、岸坡结构法、三段法等预测参数取值相对较大。据作者粗略统计，大多数已建成的大型水库都存在着塌岸和库岸再造现象，平均塌岸达20多处，少者几处，多者数十处。实地调查发现，塌岸预测的准确性不高，塌岸预测宽度往往比实际要宽很多，通过分析，认为其中一个主要原因是与塌岸参数的选取不甚合理有关，现有的塌岸预测方法给出的各类土体塌岸预测参数通常是在实验数据或少数样本调查基础上给出的，客观上造成了与实际可能存在较大差异。国内外有关塌岸预测参数系统研究甚少，仅汤明高、许强［8］对三峡库区塌岸预测参数作过较为系统的研究，何元宵［9］给出了不同成因土体塌岸预测参数建议值。由于影响塌岸预测参数的原因较多，塌岸预测参数取值还有待进一步系统研究。因此，本文将在大量现场调查基础上，分析塌岸预测参数的影响因素，形成不同土体类型的塌岸预测参数取值体系。

2 塌岸参数调查统计分析

为了客观分析和评价塌岸预测参数，根据对二滩、紫坪铺、天生桥、三峡、硗碛、大朝山、宝珠寺、漫湾等水库塌岸情况的调查研究和塌岸参数的现场实测，各种常见不同类型土体如残坡积物、冲洪积物等的水下稳定坡角、冲磨蚀角、水上稳定坡角等的塌岸实测参数统计分别见图1至图4。

2.1 冲洪积岸坡

全新世阶地的黏土、粉质黏土含卵石；卵石含量约占15%，密实卵石、角砾及粗砂混合沉积，结构密实，处于固结状态，稍湿。这类岸坡的水下堆积坡角最小的只有8°，最大的为32°，平均为18.4°；水位变动带稳定坡角最小的仅7°，最大46°，平均在20°左右；水上稳定坡角在11°～46°之间，均值为23.4°。

2.2 残坡积岸坡

（1）残坡积碎块石土，碎石成分在30%～90%之间，其余的为黏土。稍密—中密、轻微胶结，稍湿。其水位变动带稳定坡角最大的可达60°，平均为31.6°；水上稳定坡角一般在25°～55°之间。

图1 残坡积物（碎石土，松散—稍密）水位变动带稳定坡角和水上稳定坡角统计Fig.1 Statistics of stable slope angle in water level fluctuation zone and above water for residual diluvial material（gravel soil，loose-slightly dense）

图2 残坡积物（碎块石土，稍密—中密）水位变动带稳定坡角和水上稳定坡角统计Fig.2 Statistics of stable slope angle in water level fluctuation zone and above water for residual diluvial material（gravel soil，slightly dense-moderately dense）

图3 残坡积物（黏土）水位变动带稳定坡角和水上稳定坡角统计Fig.3 Statistics of stable slope angle in water level fluctuation zone and above water f or residual diluvial material（clay）

（2）残坡积碎石土，碎石成分多为炭质页岩、千枚岩、长石石英砂岩等。碎石含量约占20%～80%；其余为黏土。松散—稍密、轻微胶结，干燥。这类岸坡的水下堆积坡角最大的只有18°，平均为11°；水位变动带稳定坡角最小的为7°，最大的为46°，均值为24.4°；水上稳定坡角差异较大，在7°～45°之间，平均约30°。

（3）残坡积碎黏性土，软塑—硬塑，含少量碎石。稍密、轻微胶结，干燥—稍湿。这类岸坡的水位变 动带稳定坡角一般在2 0°～4 0°之间，平均为29.3°；水上稳定坡角一般在25°～45°之间，最大的可达60°，平均为40.4°。

将上述塌岸实测参数成果进一步归纳整理，得出不同成因类型土体不同状态稳定坡角见表1。调查表明，不同成因类型的土体其塌岸参数特征值不同，一般来讲，崩坡积岸坡其土体颗粒组成相对粗大，各类塌岸参数特征值较大，冲洪积、残坡积岸坡特征值次之，滑坡堆积其组成物质差异较大，受控因素较多，特征值变化较大。

图4 冲洪积物水下堆积坡角、水位变动带稳定坡角和水上稳定坡角统计Fig.4 Statistics of under water accu mulation slope angle，stable slope angle in water level fluctuation zone，and stable slope angle above water for alluvial material

表1 不同类型土体稳定坡角调查情况统计表Table 1 Statistics of stable slope angle survey for different types of soil

3 塌岸参数的影响因素分析

3.1 地质因素

调查统计表明，各类土体岸坡塌岸参数与土体的类型、成因、时代、结构组成等地质因素有关。

（1）土体颗粒大小不同，塌岸预测参数往往不同。一般情况而言，巨粒类土体水上、水下、水位变幅带坡角较大，粗粒类土体次之，细粒类土体最小。

（2）土体成因不同、塌岸预测参数往往差别较大。成因与水密切相关的冲积、冰水积、洪积等土体的塌岸预测参数值一般较大；而成因与水关系不密切的残积、风积等土体的塌岸预测参数值一般较小。一般同种地质成因土体形成时代越早，塌岸预测参数值越大。

（3）土体结构不同，塌岸预测参数往往也不同。成因类型相同，密实度和固结程度越高塌岸预测参数值越大，反之则越小。

3.2 影响塌岸参数的其他因素

（1）库水的软化作用。由于组成岸坡的土体差别较大，有的岩性软弱，遇水易软化。如黏土岩、泥岩、千枚岩等软岩形成的土质岸坡遇水后强度会有较大的降低。

（2）库水升降形成的动水作用。库水动力作用越强，塌岸越易发生，冲磨蚀作用就越强，塌岸参数就越小，反之则越小。

（3）风（波）浪冲刷作用。波浪的冲刷和研磨会使江岸逐渐后退。风浪越大，则产生的波的能量就越强，作用时间越长，塌岸参数也就越小。波浪作用主要产生在宽阔的水域。

4 塌岸预测参数取值研究

4.1 塌岸预测参数取值方法

通过大量的实践和总结，塌岸预测参数的取值方法主要有现场调查、工程类比等3种。

（1）现场调查法：在拟评价预测的水库区段，分别实测天然河流的平均枯水位以下、江水涨幅带以及平均洪水位以上三带内的不同岩土体的坡角，并分类统计，以此类比水库蓄水后的水下堆积坡角、冲磨蚀坡角和水上稳定坡角等塌岸预测参数特征值。此种方法求得的塌岸预测参数值往往偏于安全。

（2）工程类比法：调查已经建成运行多年、地质条件相似水库的实际各种塌岸特征参数值，来类比获得即将运行水库的塌岸预测参数。

（3）基于分形理论的颗粒组成分析水下稳定坡角取值法：通过现场调查和取样进行颗粒组成分析，根据细粒含量和粒度分维建立细粒含量、粒度、分维与水下稳定坡角的相关关系来预测水下稳定坡角。

表2 水库塌岸预测参数取值Table 2 Values of parameters for reservoir bank collapse prediction

4.2 塌岸预测参数取值

对二滩、紫坪铺、硗碛、三峡、宝珠寺、大朝山、天生桥一级等水库进行典型塌岸段的塌岸参数进行现场实测，采用统计学方法统计分析，塌岸参数一般有以下规律性。

（1）不同的库水动力条件，岩土体塌岸参数存在一定差异，水位变动带以下表现为堆积特性，形成水下堆积坡角；水位变动带表现为冲刷和磨蚀作用，形成冲磨蚀坡角；水位变动带以上表现为稳定的自然休止角。水下堆积坡角值最小，冲磨蚀角次之，水上稳定坡角最大。

（2）库水动力条件大小往往决定着塌岸参数的大小。库水水动力作用越强，岸坡更容易产生塌岸，其塌岸参数值往往较低，反之则较高。

（3）塌岸预测参数值与岩土体颗粒大小、成因类型等密切相关。巨粒类土往往由崩积、冲积、冰水积等组成，土体粗颗粒含量较多，塌岸参数值一般较大；细粒类土往往由湖积、残积、风积等组成，颗粒相对较细，其塌岸参数值一般较小，粗粒类土往往由坡积、崩坡积等组成，塌岸参数值介于两者之间。

（4）水下稳定坡角取值主要考虑土体颗粒组成因素；冲磨角取值主要考虑土体地质成因、颗粒组成等因素；水上稳定坡角取值主要考虑地质成因、颗粒组成、密实度、水的作用等因素。

本文根据10余座水库塌岸现场调查、取样试验、回归分析、工程类比等综合研究，提出基于岸坡土体颗粒组成、野外地质定名、地质成因等因素的水下稳定坡角、冲磨蚀角、水上稳定坡角的塌岸预测参数取值，见表2。

5 结 语

（1）塌岸预测参数是塌岸预测必不可少的特征参数，其取值的合理性直接关系到塌岸预测的结果，在大量现场塌岸参数调查成果基础上，结合土体室内外定名、地质成因等，提出的塌岸预测参数取值表，形成了较为完善的取值体系，规范了水库塌岸预测参数取值标准。

（2）由于影响塌岸特征参数的因素较多，在实际工作中还需要根据不同土体类型、不同塌岸模式、不同塌岸预测方法等进行灵活运用才能取得较好的预测效果。

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