青藏高原某水库塌岸参数选取及预测

魏杰 岳永峰 杜朋召 罗延婷

塌岸是水库区的重要地质问题之一，影响整个水库的正常运行和综合效益发挥，乃至威胁周边居民生命财产安全。水库塌岸是水库蓄水后，库岸地下水动水压力变化而造成的库岸冲蚀磨蚀、坍塌、滑移等再造变形的不良地质现象[1]。大量的岩土体坍塌会对水库产生淤积，使岸坡整体稳定性变差，造成库区范围内建筑物破坏[2-3]。本文根据青藏高原某水库特点和地质条件，选用适宜塌岸预测方法，通过工程地质调查和工程类比法综合确定塌岸预测参数，科学预测塌岸宽度和塌岸范围，对库岸再造、稳定性以及工程建设具有十分重要的指导意义。

1 某库区工程地质概况

1.1 地形地貌

该水库地势南高北低，属于深切剥蚀的中高山区地貌。库区河道蜿蜒曲折，河谷呈宽U形谷，底部较宽，坡度较缓，两岸为高山，岸坡坡度一般30°～40°，阶地不甚发育。

1.2 地层岩性

地层岩性以第四系(Q)松散堆积物和花岗岩为主。第四系松散堆积物主要为河流冲洪积物（Q4al+pl）、洪积物（Q4pl）、残坡积物（Q4el+dl）、崩积物（Q4col）等。岩性以砂土、砂卵砾石、漂石、碎石夹土和基岩为主。基岩岩性主要以花岗岩为主。

1.3 地质构造

库区断裂构造较发育。发育断裂主要有NNW向、NNE向和NWW向三组走向，倾角较陡，一般60°～80°，断层带充填物质多为构造角砾岩、花岗岩脉、方解石脉等，少量为断层泥、岩屑等；节理裂隙主根育4组：①N0°～30°E/SE∠40°～80°；②N40°～70°W/SW∠50°～80°；③N60°～90°E/SE或NW∠50°～85°；④N50°～90°W/NE∠5°～30°，中-陡倾角为主。库区内物理地质现象较发育，主要表现为危岩体、崩塌体和岩体风化卸荷等。

1.4 水文地质条件

根据库区内地下水赋存条件、含水介质特征及水的物理特性，地下水可分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两类。

1.5 水库岸坡结构类型

根据水库区回水位与不同类型岸坡的接触关系，可以把库区岸坡划分为基岩岸坡、松散覆盖层岸坡两种类型。其中基岩岸坡约占35%，松散覆盖层岸坡占65%。

2 某水库塌岸分析预测

水库塌岸影响因素较多，且各因素关系复杂，没有明确规律，塌岸预测过程十分复杂。目前采用的预测方法主要有：卡丘金法、佐洛塔廖夫图解法、平衡剖面法及工程类比法等几种[4-5]。本水库岸坡以第四系松散覆盖层岸坡为主，局部为基岩岸坡。综合水库岸坡的特点和塌岸预测方法的适宜，对松散覆盖层岸坡采用采用卡丘金法和几何图解法两种方法进行综合预测分析。

2.1 卡丘金法

卡丘金法的实质是依据实测的洪枯水位变幅带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塌岸预测宽度。该方法适用于塌岸范围内全部为松散层的预测。如图1所示。

图1 卡丘金法预测塌岸示意图

卡丘金法计算公式如下：

式中St——塌岸带最终宽度，m；

N——与土颗粒大小有关的系数，壤土取N=0.8，砂卵石取N=0.4，多种土质岸坡取加权平均；

A——库水位变化幅度，m；取计算剖面处的回水位与死水位或与基岩面、沟底或河床高差中的小值；

hP——波浪冲刷深度，m；当起算点M为基岩面或沟底、河床时，取hP=0；

h——浪高，m；

W——风速，m/s；取当地最大风速26 m/s；

L——吹程，km；取水库蓄水达到正常蓄水位时，预测库岸段水库宽度；

hB——浪击高度或浪爬高，m；

K——为被冲蚀岸坡粗糙系数，砂壤土岸坡取K=0.65～0.75，砂卵石岸坡取K=0.85～0.90；

α——浅滩冲刷后水下稳定坡角，与波浪高度和组成库岸边坡的土粒物质结构有关，根据图2并参考工程经验综合取值；

H——正常蓄水位以上岸坡高度，m；

β——岸坡水上稳定坡角，根据区内土体结构特征，参考工程经验综合取值；

γ——原始岸坡坡角，取野外观测及地形图估算值预测。

图2 不同波浪高度时各类土的浅滩稳定坡角

2.2 图解法

当库岸为基岩-黄土结构时，基岩面倾角远大于黄土水下稳定坡脚，卡丘金法不再适用，采用图解法计算塌岸宽度[6]。图解法塌岸预测如图3所示。

图3 水库塌岸图解法计算剖面图

3 塌岸预测参数

3.1 波浪参数

浪高和波长可按下式计算（适用于山区峡谷水库）：

式中2hL——浪高，m；

vf——计算风速，m/s；水库区属典型高原大陆性气候，取多年最大风速平均值26 m/s；

Df——计算吹程，m。

3.2 浅滩冲刷后水下稳定坡角α

水下浅滩坡角（α）的大小与岩性及浪高有关。依据E.F卡金丘提出的不同种类土质浅滩磨蚀角关系曲线图（如图2所示），按照水库区浪高，查得库区α值。

该水库区岸坡岩性主要为第四系松散堆积物（Q），岩性以砂土、砂卵砾石、漂石、碎石夹土和基岩为主。根据工程地质调查和周边水库调研成果，结合查表及数似工程经验，该水库区砂壤土取α=4°，砂卵石密实，大部分微-弱胶结，α=15°。

3.3 水上稳定坡角（β）

在水库区岸坡详细地质调查的基础上，根据库岸岸坡岩性特征和岩土结构类型，并参考数似工程经验，确定水上岸坡稳定坡角。砂壤土取β=30°，砂卵石取β=60°。

3.4 计算剖面处回水位

塌岸预测主要考虑塌岸危害对象的重要程度，库水位采用计算剖面处正常高水位多年平均流量回水位。

4 某水库塌岸预测

通过对库区天然岸坡进行调查，根据以上原则，最终获取了客观真实的塌岸预测方法和参数，经计算，库区典型岸坡预测成果见表1。

表1 蓄水后典型岸坡最终塌岸量预测成果表

5 结 语

本研究采用工程地质调查及工程类比法，确定水库塌岸参数。水库蓄水后，通过用卡丘金法和图解法分析计算，其最大塌岸宽度在13～48 m，通过对该水库塌岸预测方法及参数研究，对工程建设具有指导性意义。