陕北黄土水库蓄水后岸坡稳定性分析与塌岸预测

张引平，屈永龙，王怀琦，任思远，李增强

(1.延安南沟门水利枢纽工程有限责任公司，陕西 延安 716099；2.西安工业大学建筑工程学院，西安 710021；3.长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054)

0 前 言

水库塌岸是一个复杂的工程地质问题，通常是库区水位变动促使松散岸坡水文地质条件发生改变，原始岸坡在库水浸泡、干湿交替、风浪冲击、水流侵蚀等作用下而发生坍塌的过程，又称水库岸坡再造[1-3]。黄土是黄土高原地表主要岩土类型，其具有强结构性、湿陷性和水敏性等特性，受水分影响显著[4]。陕北延安某黄土水库初期蓄水后出现岸坡严重的滑塌现象，对水库正常运行构成不良影响，给周边群众耕地、住宅等财产造成一定经济损失[5-6]。后期蓄水位上升后，塌岸规模将进一步扩大，加剧库区不良影响和经济损失，故亟需对该水库黄土岸坡稳定性与塌岸预测进行深入研究。当前，国内外对塌岸预测方法开展了长期研究，目前主要的预测方法以半经验、半定量方法为主，如图解法、动力法、统计法和模拟试验法等[7-9]。本文主要采用地质调查、数值模拟和理论计算等方法对陕北黄土水库岸坡稳定性分析和塌岸预测评价, 为黄土水库安全运行、预防水库塌岸及保护地质环境提供参考。

1 工程概况

该水库位于陕西省延安市黄陵县与洛川县交界处，距洛川县交口河镇约3.9 km，距黄陵县城约26.2 km。水库工程由大坝、溢洪道、导流泄洪洞、引水发电洞及电站等组成，控制流域面积为5 443 km2，正常蓄水位848.00 m，死水位824.00 m，水库总库容2.006亿m3，属于Ⅱ等大(二)型工程。自2014年底下闸蓄水以来，库区内多段黄土岸坡出现滑塌现象(见图1)，对库岸周边的地质环境、部分耕地以及水库淤积和水质等造成严重影响。

2 黄土塌岸破坏模式及影响因素

通过对库区72处涉及黄土地层的岸坡点进行工程地质调查和分析，发现水库岸坡失稳破坏模式以坍塌型为主，其次是滑塌型和滑移型；库区岸坡失稳的规模大小不同，但成群连片现象显著。同时，水库塌岸的影响因素众多、作用机制复杂，是水利枢纽工程安全运营必须重视的地质环境问题[10-12]。

2.1 塌岸破坏模式

(1) 坍塌型塌岸

岸坡坍塌破坏，是库区的主要黄土塌岸形式，尤其是在暴雨和库水位大幅变化时[2,13]。这是由于库水冲刷及浸泡作用破坏了下部坡脚支撑，地表降水加剧了上部坡体重力，使岸坡失去平衡，产生突发性的坍塌破坏。库区这类塌岸共计64处，占塌岸总数92.8%。

(2) 滑移型塌岸

滑移型塌岸，多发在坡度较缓的黄土状土岸坡以及滑坡隐患岸坡，变形过程较缓慢[2-3]。其破坏演化过程是在库水冲刷等因素影响下，岸坡沿黄土内部结构面或原有滑动面等发生整体滑移破坏。库区这类塌岸共1处，占塌岸总数1.4%。

(3) 滑塌型塌岸

岸坡滑塌型破坏，多发生于黄土-基岩岸坡，具有坍塌型和滑移型破坏岸坡的部分特征。其演化过程是在库水作用下，岸坡坡脚被淘蚀或被浸泡软化失去支撑后，黄土岸坡在重力作用下发生先滑后崩或先崩后滑的岸坡破坏形式[14-15]。库区这类塌岸共计4处，占塌岸总数5.8%。

2.2 库区塌岸影响因素

(1) 地形地貌因素

1) 岸线形态

岸线主要有凸岸和凹岸两种形态，不同岸线对库区塌岸的影响不同。水库有伸入水域的窄长型凸岸，为原葫芦河淤积侧，端部坡度较缓，侧翼较陡，多发育滑塌型破坏，甚至将岸坡滑塌成孤岛。而凹岸多为河道冲刷侧，基岩面高、坡度陡，一般为避风地带，库区波浪较小，塌岸宽度较小。

2) 岸线高度与坡度

该水库的塌岸速度与岸线高度、坡度等密切相关。同一库区水深处，高岸的滑塌慢而低岸的滑塌快；并且，陡岸的塌岸速度快、宽度大，而缓岸与之相反；当岸坡缓于浅滩磨蚀角时，很少发生岸坡滑塌。

3) 水下岸坡走向与坡形

库区岸坡坡脚为较平缓阶地或漫滩时，可减弱风浪的冲蚀作用，减缓岸坡滑塌失稳；但水下岸坡又高又陡时，风浪用强烈，坍落物不易沉积，将加速塌岸发生，形成窄陡岸坡。

4) 岸坡的切割程度

该水库冲沟发育、切割破碎的黄土岸坡滑塌一般较严重；而坡形平整、阶地宽阔、支沟不发育的岸坡则较轻。

(2) 地质因素

水库岸坡地层类型、产状、层厚、上下层序、各层的出露位置及其物质组成和性质等地质因素对库区塌岸影响显著。它们不仅直接控制岸坡滑塌的宽度、速度和模式，还决定了浅滩的形状、宽度和披角。对于该水库的黄土岸坡，由于其粉粒含量高，孔隙率大，崩解速度快，浸水后土体结构被破坏，承载力大幅降低，形成快速、强烈的坍塌。而基岩岸坡，由于岩石强度高、水平层理，受库水的影响小。

(3) 水文因素

1) 风浪作用

风浪对黄土岸坡的淘刷与磨蚀，使其形成浪蚀洞、倒坡，诱发塌岸发生。并且，风浪越高、波能越大，则破坏力越强，搬运塌落物的能力越大，形成宽缓型浅滩。相反，破坏岸坡稳定的能力弱，将形成的陡窄型浅滩。

2) 库水渗透与地下水位

水库蓄水后，库区岸坡的地下水位迅速升高，岸坡因毛细作用形成水面以上1.0～1.5 m高的浸润线。这些库水渗透和地下水位变化，改变了岸坡地层的水土平衡状态，尤其是土体饱和后，重力增加、强度衰减等，加剧岸坡失稳。

3) 沿岸流

沿岸流是由于风浪对岸边作用而产生的顺岸水流，有一定的流速。这种水流可冲蚀凸岸，使岸线顺直化，有利于水下浅滩的稳定，减缓塌岸的发展。

(4)水库运行方式

在水库调洪调蓄过程中，库区水位总是呈规律性变化。相同条件下，水位变化幅度越大，将形成的浅滩越宽、台阶越多；水位持续时间越长、波浪冲蚀越频，形成的浅滩越缓、宽度越大。

(5)其他因素

由于水库处于季节性冻土区，岸坡在冬季发生冻结而春季发生融化。这种周期性冻融作用可损伤岩土结构、降低强度、加速风化，使其出现裂缝或破坏。

总之，塌岸是水库内、外因素相互作用的过程，其中地形地貌、地质条件等是影响水库塌岸的内在因素，而水文变化、水库运行等外在因素则是岸坡失稳的关键诱发条件，应引起足够重视。

3 黄土岸坡稳定性分析

3.1 库岸地质模型

根据岸坡调查和工程勘查，确定库区失稳岸坡典型地质模型有黄土岸坡、黄土-基岩组合岸坡两大类，如图2。其中，黄土岸坡以中更新统和上更新风积黄土为主，是水库塌岸的主要类型，有湿陷性，结构疏松，大孔隙，无层理，在库水浸泡和水位变动下土体结构极易受破坏。基岩以三叠系上统砂岩为主，产状近水平，沿河谷两岸，呈带状出露。水库当前蓄水位为844.23 m，后期随着水库调洪蓄水方案，将达到的设计正常蓄水位为848.00 m。

3.2 岸坡数值建模

采用Geo-studio 有限元分析软件，建立库区典型岸坡数值模型，通过细化网格提高计算精度，对库岸边坡模型的网格划分，采用 SLOPE/W模块和Morgenster-Price算法进行岸坡稳定性研究。其中，黄土岸坡模型坡长80 m，坡高26 m；黄土-基岩组合岸坡长50 m，坡高32 m；岸坡水位条件为水库设计正常蓄水位848.00 m。计算工况分别为天然工况和暴雨工况，地下水位以下地层均视为饱和，暴雨工况下考虑岸坡地表2 m厚度范围为饱和状态，计算参数见表1。

表1 岸坡稳定性计算参数

3.3 岸坡稳定性模拟结果

水库典型岸坡稳定性的模拟结果，如图3和图4所示。由图3可见，当库区水位上升为设计正常蓄水位848.00 m时，天然工况下黄土岸坡的稳定系数为0.703，小于安全系数1.0，处于不稳定状态，将发生滑塌失稳；暴雨工况下黄土岸坡的稳定系数更小，降低了1.71%，说明库水浸没、冲蚀岸坡坡脚必将引起岸坡失稳，暴雨条件下岸坡表层土体饱和、自重增加，进一步加剧岸坡失稳。同时，两种工况下黄土岸坡滑裂面总是后缘较陡而前缘较缓，滑面均沿岸坡水下坡脚剪出，这与库区黄土岸坡坍塌型破坏的实际特征相一致，说明模拟结果可靠。

由图4可知，天然和暴雨工况下，库区黄土-基岩组合岸坡在的稳定系数均小于1.0，处于不稳定状态，说明正常蓄水位浸没岸坡土-岩界面后，诱发岸坡失稳破坏。与黄土岸坡相比，黄土-基岩组合岸坡的稳定系数略大，滑裂面较平缓，滑面剪出口位于土-岩界面处，这是由于库水浸没黄土-基岩组合岸坡坡脚较低引起的，但基于黄土和岩石物理力学特性的巨大差异，二者界面易成为岸坡软弱面，加速岸坡滑塌，与库区塌岸实际特征相一致。

3.4 岸坡变形特征分析

水库典型岸坡的位移分布，如图5～6所示。由图5可见，天然和暴雨工况下，黄土岸坡的最大水平位移均集中在塌岸堆积体坡脚上侧位置，最大水平位移量为0.30～0.85 m。并且，位移量向岸坡内部上方逐渐衰减，这说明黄土岸坡最大变形处于坡脚处，而塌岸堆积可使岸坡破坏面上移，这与库区现场塌岸实际情况基本一致。同时，对比图5(a)和图5(b)，发现暴雨工况下岸坡地表饱和对位移分布的影响并不大，说明塌岸孕灾过程中库区水位变化是控制性因素。

对于黄土-基岩组合岸坡的变形特征，由图6发现两种工况下岸坡的最大位移均集中在土-岩交界面与地下水位线之间的黄土地层处，最大水平位移量约0.10～0.12 m，符合库区黄土-基岩组合岸坡沿界面滑塌失稳的实际特征。与天然工况(见图6(a))相比，暴雨工况(见图6(b))下最大位移向坡顶和后缘移动，说明暴雨增大了坡顶表层的变形，加剧了岸坡的失稳破坏。

4 塌岸预测分析

通过水库塌岸预测，确定岸坡最终塌岸宽度和塌方量，将对库区土地规划、移民搬迁、防洪工程等起到决定性作用，也可给岸坡治理提供重要的依据[16-17]。

4.1 塌岸预测分析原理

目前，卡丘金图解法在黄土等松散沉积层塌岸预测分析中应用广泛[7-8]，其基本原理是依据实测的洪枯水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塌岸预测宽度St，如图7所示。预测计算公式如下：

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

(1)

式中：St最终塌岸宽度，m；A为水位变化幅度，m；N为与岸坡土的颗粒成分有关的堆积系数；hp为波浪冲刷深度；hB为浪击高度或浪爬高；H为正常蓄水位以上岸坡高度；α为水下稳定坡角；β为水上岸坡的稳定坡角；γ为原始岸坡坡角。

4.2 预测参数选取

根据水库运行情况和现场监测等确定计算参数的取值，堆积系数N=0.6，库水位变化幅度A=24 m。依据水库特征，浪高按1.5 m计，确定波浪冲刷深度hp=3 m，浪击高度hB=1.2 m。依据现场塌岸调查与相关研究[2]，综合分析确定水库黄土岸坡的水下岸坡的稳定坡角α取24°，水上岸坡为中、低边坡(高度≤20 m)的稳定坡角β取70°，高边坡(高度>20 m)时β取60°。

4.3 计算断面确定

根据水库岸坡调查与测量，共选取库区72处可能发生塌岸的库岸断面作为预测分析对象，地质模型为黄土岸坡和黄土-基岩混合岸坡，典型岸坡塌岸预测分析如图8所示。

4.4 塌岸预测结果

根据卡丘金图解法，确定该黄土水库72处岸坡最终塌岸宽度St、塌岸占地面积和塌方量，计算结果如图9所示。

(1) 最终塌岸宽度

由图9可知，库区最终塌岸宽度最大为43.9 m，最小为4.4 m，平均约25.5 m。其中，塌岸宽度介于0～10 m的岸坡有1处，介于10～20 m的有15处，介于20～30 m的有37处，大于30 m的有19处。对于近坝区的22处黄土岸坡塌岸预测中，最终塌岸宽度大于20 m的占比高达75.0%，说明近坝区后期发生塌岸的规模和影响较大。

(2) 塌岸范围与方量

结果表明，水库岸坡塌方量均大于0.5×104m3，占地面积为58.9 hm2，塌岸总方量为894.5×104m3。单个岸坡点塌方量多超过3.0×104m3，其中，3.0×104～10.0×104m3的有26处，大于10.0×104m3的有39处，最大塌方量高达52.20×104m3。

5 结 论

(1) 陕北黄土地区水库产生塌岸的岸坡有黄土岸坡、黄土-基岩组合岸坡两大类；岸坡破坏模式以坍塌型塌岸为主，其次为滑塌型和滑移型；库区塌岸是复杂的地质问题，受地形地貌、

地质条件、水位变化、水库运行方式及冻融等因素影响，水文因素起控制性影响。

(2) 基于Geo-studio软件对两种典型地质模型的岸坡在天然和暴雨工况下的稳定性进行数值模拟，结果表明正常蓄水位下两种岸坡均处于不稳定状态，稳定系数为0.691～0.865；黄土岸坡最大位移集中于塌岸堆积体以上的坡脚处，土岩组合岸坡则集中在土-岩界面处，说明了岸坡滑裂面剪出口位置，这与现场塌岸实际特征基本一致。

(3) 通过卡丘金图解法对水库长期塌岸进行预测计算，发现库区最终塌岸宽度以10.0～35.0 m为主，最大43.9 m，平均25.5 m；塌岸占地总面积为58.9 hm2，塌岸总方量为894.5×104m3，方量以3.0×104～32.0×104m3为主，平均12.5×104m3，且近坝区塌岸更严重，应引起足够重视并采取相应的监测和防治措施。