北掌水库库区土质岸坡塌岸研究

郝永刚

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

1 工程概况

北掌水库位于山西省汾西县对竹河一支沟内，总库容465.4万m3，坝型为均质土坝，坝顶高程973.5 m，最大坝高46 m，水库正常蓄水位971.02 m，库水回水长度约2.0 km。

库区地貌类型为梁峁状黄土地貌，库区受长期流水侵蚀切割，地形较复杂，沟谷发育，黄土梁与沟谷交错排列。在水库回水范围内，两岸多为土质岸坡，仅在库尾基岩裸露。库区左岸坝址至三岔口段，自然边坡15°～20°，三岔口至库尾段，自然边坡 30°～60°。库区右岸坝址至三岔口段，自然边坡50°～70°。岸坡上部为上更新统（Q3pl）淡黄色低液限粉（黏）土，厚3～10 m，下部为中更新统（Q2pl）淡红色低液限黏土夹钙质结核层构成。水库蓄水后两岸土质岸坡将会产生不同程度的塌岸。

两岸土层的物理力学指标见表1。上部Q3pl低液限粉（黏）土天然含水率10.6%～14.0%，平均值12.4%，天然密度 1.37～1.58 g/cm3，平均密度 1.50 g/cm3，干密度1.23～1.43 g/cm3，平均值 1.34 g/cm3，孔隙比 0.890～1.199，平均值 1.027，饱和抗剪凝聚力 c=6.6～17.0 kPa，平均值 12.3 kPa，内摩擦角 Φ=20.0°～22.0°，平均值21.0°。下部Q2pl低液限黏土天然含水率7.5%～18.1%，平均值14.6%，天然密度1.39～1.92 g/cm3，平均密度1.70 g/cm3，干密度 1.29～1.67g/cm3，平均值 1.48 g/cm3，孔隙比0.633～1.080，平均值0.837，饱和抗剪凝聚力c=10.4～22.1 kPa，平均值 15.3 kPa，内摩擦角 Φ=19.0～24.0°，平均值 21.5°。

2 水库塌岸影响因素

水库塌岸影响因素主要有地形地貌、岩层结构和岩性、水的作用、波浪作用、沿岸流及冻融作用、水流冲刷及水库淤积等。

水库所处地貌单元，岸坡形态，包括岸高、岸的坡度、水下岸形、岸坡的曲率及岸坡切割程度等对塌岸的型式、速度、塌岸量和浅滩的形态有很大的影响。一般岸形弯曲地段，容易发生塌岸，凸岸地段更易受到冲蚀，塌岸速度快。山区河谷型水库一般岸坡较高，塌岸较宽，但速度较小。库区陡坡岸段塌岸严重、宽度范围也大。

表1 库区岸坡原状土拌物理学性质统计表

库岸岩层的层厚、上下层序、各层的出露位置及其物质组成和性质，直接控制岸壁坍塌的宽度、速度和型式，还决定着浅滩的形状、宽度和坡角。一般黄土的粉土粒组含量大，孔隙率高，崩解速度快，易形成快速、强烈的坍塌。且水下浅滩坡角小。

水库回水影响着库岸地下水动态变化，也对库岸土体的物理、力学、水理性质起着很重要影响。库水的变化幅度与持续时间对浅滩宽度、坡角影响强烈，一般库水变化幅度越大，浅滩越宽。库水持续时间越长，浅滩坡度越小。

波浪作用主要表现为击岸浪对岸壁土体的淘刷和磨蚀，对塌落物质进行搬动，从而加速塌岸过程。

沿岸流主要对凸岸、岸嘴进行冲刷，加速塌岸过程。北方水库冻融作用破坏岸坡土层结构，使土体发生裂缝和坍塌。库岸的物理地质作用，如风化、滑坡现象和地表水冲刷，也会加速塌岸过程。黄土地区水库蓄水后泥沙淤积，会导致河床抬高，水深减小，波浪淘刷作用减弱，进行减小塌岸宽度和速度。

3 水库塌岸预测

3.1 预测方法

采用二段预测法和卡丘金预测法选取典型断面进行预测计算。

1）两段法：

具体原理为：预测塌岸线由水下稳定岸坡线和水上稳定岸坡线的连线组成时，水下稳定岸坡线由原河道多年最高洪水位及水下稳定坡脚α确定；水上稳定岸坡线由设计洪水位和毛细水上升高度H’及水上稳定坡脚β确定（图1）。以原河道多年最高洪水位与岸坡交点A为起点，以α为倾角绘出水下稳定岸坡线，该线延伸至设计洪水位加毛细水上升高度的高程点B，再过B点以β为倾角绘出水上稳定岸坡线，与原岸坡交于点C，C点即为水上稳定岸坡的终点。水上稳定岸坡线起点B的高程所对应的原岸坡D点，与该线终点C之间的水平距离即为预测的塌岸宽度St。

图1 两段法塌岸预测示意图

图2 卡丘金预测法示意图

2）卡丘金预测法

卡丘金法适用于松散沉积层，且波浪较小的水库，如图2。其计算公式为：

式中：St——塌岸带最终宽度，m；

N——与土的颗粒大小有关的系数，取N=1.0；

A——库水位变化幅度，m；

hp——波浪冲刷深度，m，取hp=1.3 m；

hb——波浪爬高，m，取hb=2.23 m；

H——正常蓄水位以上岸坡高度，m；

α——浅滩冲刷后水下稳定坡角，（°）；

β——岸坡水上稳定坡角，（°）；

γ——原始岸坡坡角，（°）。

3.2 参数确定

1）水下稳定坡角α

临汾市曲亭水库库区两岸土质岸坡下部为中更新统洪积低液限黏土，与本库区两岸土质类似。据曲亭水库库区两岸水下稳定坡角调查，其左右岸水下稳定坡角略有差异，左岸水下稳定坡角11.0°～19.6°，平均值 14.6°，右岸水下稳定坡角 14.1°～21.1°平均值17.3°，总平均值15.8°。水下稳定坡角α取值参考临汾市曲亭水库库区水下坡角数据，综合考虑，α取15°。

2）水上稳定坡角β

水上稳定坡角β取北掌水库库区现状两岸土质岸天然坡角，Q3pl低液限黏土取45°，Q2pl低液限黏土取55°。

3）低液限黏土层毛细水上升高度H′

取低液限黏土室内毛细水上升高度试验平均值H′=2.84 m。

3.3 计算成果及评价

在库区范围内选取三条典型剖面采用两段法及卡丘金法进行库区塌岸宽度及塌岸方量预测计算。计算成果见表2。

由表可知，两段法预测库区塌岸宽度范围30.3～80.4 m，库区两岸长期塌岸总方量215.1×104m3，其中水上塌岸方量 141.3×104m3，水下塌岸方量 73.8×104m3。卡丘金预测法库区两岸塌岸宽度范围33.5～81.1 m，库区两岸长期塌岸总方量161.1×104m3，其中水上塌岸方量 110.5×104m3，水下塌岸方量 50.6×104m3。两种方法预测塌岸宽度范围接近，其中卡丘金预测法估算塌岸方量要小于两段法。上述两种方法均假定库区岸坡塌方土方被库水带至下游，直至岸坡处于稳定状态下所算塌岸宽度及方量。实际情况，随着库区两岸塌岸进行，库容达到一定淤积后，两岸塌岸最终宽度及方量要小于上述计算值。

表2 库区土质岸坡塌岸宽度及塌岸方量计算成果表

4 结论及措施建议

北掌水库总库容465.4万m3，库水回水长度约2.0 km。北掌水库两岸土质岸坡塌岸严重，预测库区塌岸宽度范围 30～80 m，塌岸方量 161.1～215.1 万 m3，对库容及大坝安全均造成威协，建议对库区土质岸坡塌岸线范围内的岸坡进行削坡或防护处理，边坡坡度库水位以上按 45°～55°考虑，库水位以下按 13°～15°考虑。此外，大坝坝型为均质土坝，库区两岸第四系中、上更新统低液限黏土均可作为土料使用，库区两岸土质岸坡削坡土料可作为上坝土料使用。