新建车村水库岸坡类型及塌岸预测

2022-07-09胡向阳鲁博侯智斌

科学技术与工程 2022年15期

胡向阳，鲁博，侯智斌

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

水库蓄水后伴随库水位的周期性抬升消落及波浪作用，岸坡在库水浸泡、干湿交替、风浪冲击、水流侵蚀等作用下，改变了松散岸坡的水文地质与工程地质条件，导致岩土体物理力学参数降低，库岸稳定性变差[1-2]，从而发生坍塌作用，形成与新环境条件相适应的库岸形态，这种因水库蓄水造成的库岸再造变形破坏称为水库塌岸。水库塌岸是水库区常见的一类工程地质问题，因此需要在工程前期调查清楚塌岸影响范围，查明塌岸对库区沿岸重要建筑物的影响以及对水库总库容的影响。库区塌岸作为水库区的突出灾害之一，严重时会影响整个水库的正常运行，因此针对库区工程地质条件，提出预测塌岸的方法，并做出合理预测，是工程设计和施工的关键理论依据。

目前常用的预测塌岸方法有卡丘金法、佐洛塔寥夫法、两段法、岸坡结构法和冲淤平衡法等[3]。卡丘金法依据实测的水位变动带下各类岩土体的长期稳定坡角，以几何关系图解去预测水库塌岸，预测时必须对已有的岸坡塌岸进行观测，以获得较为准确的计算参数[4]，如果库岸为基岩-黄土结构时，基岩面随地形的抬升起伏坡度较大，此时卡丘金公式法不适用，应要结合实际的地形地质条件，如果未考虑其预测起点以下的稳定性，对峡谷型岸坡塌岸，预测的塌岸宽度比实际大许多[5]。佐洛塔寥夫法适合水下地形缓的情况，即水下原始斜坡低于水下堆积体前缘坡度，适合于平原型水库。而冲淤平衡法适合于水下地形陡的情况，堆积物在水下形成堆积斜坡，参考佐洛塔寥夫法的思路，这种水下堆积斜坡并不是最终平衡状态，进一步堆积就会出现水下浅滩，因此冲淤平衡法是在非平衡状态下做出的预测，存在本质缺陷。两段法是一种类比法，水上稳定坡角和水下稳定坡角所选取的参数不同，其预测塌岸宽度时，应与卡丘金法进行比较，验证其合理性，科学的取舍坡角参数，其适用性有待进行大量观测证明。岸坡结构法[6]根据岸坡上不同物质的水下堆积角、冲磨蚀角、水上稳定坡角和水库蓄水的正常水位和最高水位来进行预测，考虑了不同水库岸坡地形和岩土类型，适用于峡谷型水库塌岸。目前的众多方法依旧在岸坡塌岸预测方面起很大作用，但是针对不同的实际情况选取的岸坡预测方法不同。黄土具有强水敏性，易于塌岸。王永春[7]、卢功臣[8]及郝永刚[9]等对黄土地区的水库塌岸案例分析，皆采用了卡丘金法；刘天翔[10]、刘兴旺等[11]、张强[12]、黄军学等[13]及吴炳富[14]都认为塌岸的形成条件与堤岸地形地貌特征、岸坡岩土体性质、岸坡结构、地下水作用等有关，受水库的个体特征影响显著；王静等[15]进一步考虑了各影响因素的权重，利用层次分析法建立塌岸危险性评价指标体系，对黄河宁蒙段两岸的塌岸危险性进行评价。其实各种方法并没有优劣之分，李鹏等[16]认为采用何种方法更多取决于水库的岸坡地形和岩土体类型。

以陕西省引汉济渭鲸鱼沟调蓄工程的新建车村水库为研究对象，通过野外地质调查，对新建车村水库的岸坡类型以及岩土性质进行分类，采用卡丘金法和岸坡结构法相结合的方式对鲸鱼沟库区塌岸量做出预测，并预估塌岸量占总库容的比例，可以对库区的设计及施工提供一定的参考依据。

1 工程概况

西安市白鹿塬鲸鱼沟内目前已修建有红旗水库、车村水库、杨家沟水库和鹿塬水库，主要承担供水、灌溉、防洪、旅游等任务，但目前4个水库的库容都较小，难以满足两岸居民饮水、灌溉等需求。为了进一步增加库容，拟在红旗水库坝址上游约1 km处修建新水库，命名为新建车村水库，其具体位置见图1。新建车村水库初拟最大坝高86 m，正常蓄水高水位550 m时，回水至杨家沟水库坝址下游，回水长约6.6 km，此时的相应库容为3 701.74 万m3。正常蓄水位与死水位之间的调节库容(有效库容)为2 721.7 万m3，水库消落高度为32 m。

图1 新建车村水库位置Fig.1 Location of newly-built Checun Reservoir

新建车村水库所在沟谷为浐河一级支沟，河谷呈“V”字形，对称度差，呈现出左岸较陡右岸较缓的特点，同时两岸广布第四系黄土地层。库区岸坡的上部有连续分布的自全新世到早更新世的第四系黄土地层，在两侧塬顶，黄土层平缓，大致和地表平行。尤其在鲸鱼沟沟口和两岸的斜坡地带，全新统黄土被剥蚀，中更新统上部和晚更新统的地层(L1、S1、L2、S24层黄土古土壤)顺坡披覆，黄土和其中的古土壤层顺坡披覆在更老的黄土和第三系砂泥岩之上，地层产状大致和斜坡坡向一致，其鲸鱼沟两岸斜坡平缓的地带，黄土披覆在整个岸坡上。此次工程是在黄土地区建设的水库，其设计将原水位抬高了近60 m，扩大了整个水库区的库容量，随着水库蓄水的开始，库岸岸坡会遭到强烈的水流冲刷和侵蚀，产生的塌岸量会导致河道的阻塞和库内淤泥量的沉积。

2 库区岸坡类型

为了对鲸鱼沟新建车村水库的塌岸范围及塌岸量进行准确预测，需要将库区岸坡类型进行分类。在对新建车村水库汇水区附近的塌岸情况进行调查，并对新建车村水库附近的岸坡进行统计与整理后发现，目前库区共存在4种岸坡类型，即砂泥岩岸坡、黄土岸坡、残坡积层岸坡和滑坡堆积岸坡。根据岸坡调查和水下断面的测量结果，各类岩土岸坡的塌岸具有以下特点。

(1)砂泥岩岸坡：第三系灞河组的砂泥岩，致密坚硬，砂岩为钙质胶结，泥岩中含钙板层，抗侵蚀能力强，因此该类岸坡仅表层坡积层和强风化带被侵蚀，到弱风化带则不易侵蚀，不再发生塌岸。现场测得水位变动带坡度和地表原始坡度基本一致，说明塌岸后的地形受基岩地形控制，砂泥岩岸坡典型的工程地质剖面图见图2。

(2)黄土岸坡：库区两岸L1～S2的黄土地层顺塬顶一直披覆至沟底，但是大部分地段的黄土发生滑坡或被冲沟侵蚀，在半坡上残留下直立的黄土滑坡后壁或侵蚀残留的黄土陡坎。也有部分延伸到沟底的黄土披盖仍然保留，由于两侧冲沟发育，形成自塬顶到库岸的黄土长梁，这部分水库的库岸为黄土岸坡，塌岸后的黄土岸坡在水上形成近直立的陡坎，水位变动带形成缓坡。其典型的工程地质剖面图见图3。

(3)残坡积层岸坡：库岸中下部披覆的黄土被剥蚀后，在第三系砂泥岩之上形成残坡积地层，在较陡的砂泥岩坡段残坡积层较薄，可将其作为砂泥岩岸坡处理；沿大的冲沟两侧的下部残坡积层较厚，地形较缓，在库区两岸大部分地段是竹林，因此大部分坡积层库岸被竹林和其他植被覆盖，露头较少。残坡积层岸坡的典型工程地质剖面见图4。

(4)滑坡堆积岸坡：库区调查发现共有6处大型黄土古滑坡，这6处古滑坡的滑体物质都是黄土，其中黄土、古土壤和结核层挤压掺杂在一起，结构破碎，部分滑坡体底部可见第三系砂泥岩夹杂在黄土中间。水库蓄水后，将淹没滑坡体的中上部，该部分物质以黄土为主，因此滑坡堆积体的水下磨蚀角仍参考黄土取值。滑坡堆积岸坡的典型工程地质剖面图见图5。

图2 砂泥岩岸坡Fig.2 Sand and mudstone bank slope

图3 黄土岸坡Fig.3 The loess slope

图4 滑坡堆积岸坡Fig.4 Landslides piled up bank slpoe

图5 残坡积层岸坡Fig.5 Residual slope sedimentary bank slope

3 塌岸预测

3.1 塌岸预测方法

新建车村水库属于峡谷型水库，基于对众多塌岸方法的分析，适合采用卡丘金法和岸坡结构法相结合的方法来预测此类型水库塌岸问题，即水下岸坡较陡，不考虑水下淤积对水上塌岸的影响，水上塌岸线按不同岩土性质分别予以考虑。新建车村水库的正常蓄水位为550 m，在坝前比当前水位高出60 m。由于砂泥岩和残坡积层的发育高程较低，因此在水位抬升以后，砂泥岩岸坡和残坡积层岸坡会比现有水库减少，而黄土岸坡和滑坡堆积岸坡会比现有水库增多，但这四种岸坡类型都会出现。

3.1.1 卡丘金法

卡丘金法适用于松散沉积层，且波浪较小的水库，预测模型见图6。其计算方法为

St=N[(A+hp+hb)cotα+(H-hb)×

cotβ-(A+hp)cotγ]

(1)

式(1)中：St为塌岸带最终宽度；N为与土颗粒大小有关的系数；A为库水位变化幅度；hp为波浪冲刷深度；hb为波浪爬高；H为正常蓄水位以上岸坡高度；α为浅滩冲刷后水下稳定坡角；β为岸坡水上稳定坡角；γ为原始岸坡坡角。其中波浪爬高hb的计算方法为

hb=3.2KdHtanα

(2)

式(2)中：Kd为与被冲刷岸坡表面粗糙度有关的系数，砂质岸坡取0.55～0.75，抛石岸坡取0.78～0.80，砾石岸坡取0.85～0.90，混凝土岸坡取1.00。在对新建车村水库的岸坡类型、岩土体类型进行综合分析后，取毛细水上升高度hb=2 m。

3.1.2 岸坡结构法

岸坡结构法是根据山区河道型水库的特点，针对不同的岸坡类型、结构和塌岸模式采用不同的预测模型进行预测，依据岸坡上各种不同岩组的水下堆积坡角、冲磨蚀角、水上稳定坡角以及水库的设计低水位、设计高水位进行预测。其计算模型见图7。

图6 卡丘金法示意图Fig.6 Diagram of the Katchukin method

η为不同物质的水下堆积坡角；α为不同物质的冲磨蚀坡角；β为不同物质的水上稳定坡角；S为预测塌岸宽度图7 岸坡结构法示意图Fig.7 Schematic diagram of bank slope structure method

3.2 参数确定

根据此次水库工程的设计，新建水库的死水位为518 m，正常蓄水位为550 m，水库建成之后的水位变动幅度为32 m。在现状水位条件下库区大部分地段被河水淹没，同时也存在部分地段无水的情况。因此塌岸线起始点自当前水位线算起，若当前沟底没有被水库淹没，自当前沟底算起。

新建车村水库坝址下游的红旗水库于1977年10月建成蓄水，其两岸水位变动带范围内发育有裸露的黄土岸坡和残坡积土岸坡。经过四十多年的河水侵蚀作用，两岸岸坡已基本稳定，因此可将水位变动带范围内黄土岸坡和残坡积土岸坡的坡角定义为水库蓄水后对应岸坡的水下磨蚀角。此次用罗盘测量了红旗水库左岸某处残坡积土岸坡和右岸某处黄土岸坡的水下磨蚀角，统计结果见表1。由表1可见，黄土岸坡的水下磨蚀角度在14°～22°，坡度最集中的区间在17°～19°，因此将黄土岸坡的水下磨蚀角定为18°；而残坡积岸坡的水下磨蚀角度在21°～29°，坡度主要集中在24°～26°，因此将残坡积土的水下磨蚀角定为25°。

表1 水下磨蚀角统计表Table 1 Statistics of underwater abrasion angle

对有残坡积覆盖的砂泥岩岸坡只考虑2 m厚的残坡积及强风化层塌岸，水下磨蚀角取α=25°，对裸露的弱风化砂泥岩不考虑塌岸；残坡积层强风化层坡度如果低于25°，不会发生塌岸，大于25°则水下磨蚀角α=25°；滑坡堆积体坡度如果低于18°，不会发生塌岸，大于18°则水下磨蚀角α=18°；黄土岸坡如果低于18°，不考虑塌岸，大于18°则水下磨蚀角α=18°。

根据野外实地调查可知，只有黄土岸坡塌岸后形成水上塌岸坡，黄土直立性好，形成直立岸坡，但是坡脚有堆积土，坡度缓，综合坡脚堆积土和直立陡坎，水上稳定坡角β≈70°。由于在550 m高程之上残坡积土、滑坡堆积土岸坡出现的坡段极少，因此对残坡积土岸坡、滑坡堆积土岸坡和黄土岸坡，水上岸坡坡角统一取为β=70°。由于鲸鱼沟植被茂盛，以上原则并未考虑植被的影响，根据现有库岸的情况看，若考虑植被对塌岸的抑制作用，实际塌岸量不会超过按此估计的量，因此本次计算的塌岸量是偏保守的。

3.3 预测原则

(1)首先在库区工程地质平面图上按库岸的岩土体类型进行分段，在同一种岩土体分段中，按斜坡地形分小段，尽可能使同一小段岩性相同、地形坡度相同。

(2)在每一小段切取一个代表性段断面，按以上原则做出塌岸线预测剖面，在剖面上统计塌岸宽度、塌岸方量及入库方量(入库量为552 m高程之上的塌岸方量，考虑了2 m的波浪爬高)。

(3)将每一小段的塌岸方量和入库量乘以断面所代表的库岸线长度，即为该段塌岸方量和入库量，把所有库段的量累加则得总的塌岸方量和入库量。

3.4 预测模型

针对库区内不同岸坡类型以及两岸的岸坡结构进行塌岸量预测，从51条剖面中选取了几种典型的岸坡剖面进行分析，岸坡的典型塌岸预测剖面如图8所示。

图8 典型剖面的预测塌岸模型Fig.8 Prediction model of bank collapse in typical section

4 结果分析

此次在库区共规划了51个剖面段来预测库区的塌岸量情况，库区左右岸的总塌岸量、入库量计算结果见图9，塌岸宽度计算结果见图10。

经过计算可得，库区总塌岸量为567.5 万m3，总入库量为230.3 万m3。在对库区各剖面段的塌岸量进行统计后发现，在其他条件相似的情况下，黄土岸坡和滑坡堆积岸坡因为水下磨蚀角取值较小的原因塌岸量较大，残坡积土岸坡的水下磨蚀角取值较大且单层厚度偏薄故塌岸量较小，而砂泥岩岸坡抗侵蚀能力较强基本不发生塌岸。

同时由图9可见，库区有三个地段的塌岸量较大，分别为新建水库坝址附近、鲸鱼沟景区和伯坊村。三个区间内的塌岸量分别为597 682.36、574 458.70、457 165.35 m3。因此在水库建成蓄水后，这三个地段是库区内需要重点关注的水库岸坡。

图9 库区各剖面段塌岸量与入库量Fig.9 The profile of the area of bank collapse and storage quantity

图10 库区各剖面段的塌岸宽度Fig.10 The width of the paragraph section of the collapsed bank of the reservoir area

(1) 新建车村水库坝址附近。位于新建车村水库上游0.3 km左右，此处现状河水位为490.0 m，在水库建成之后库水位会抬升60.0 m，因此此处也是整个库区水位变动幅度最大的地段。同时由于左岸为黄土岸坡且坡度较陡，故塌岸量是库区内最大的，左岸塌岸影响宽度达80.39 m。而右岸发育有竹林，竹林坐落在第三系砂泥岩之上，而砂泥岩岸坡基本不发生塌岸，故右岸塌岸影响范围较小仅13.35 m，所以该地段的塌岸量主要由左岸黄土岸坡所贡献。

(2) 鲸鱼沟景区。位于新建车村水库上游1.0 km左右，左岸为滑坡堆积岸坡，右岸为鲸鱼沟景区最著名的景点“竹海”，为黄土岸坡。由图10可知，该地段右岸的塌岸影响宽度为66.34 m，左岸的塌岸影响宽度为42.75 m，造成两岸塌岸影响宽度差异较大的主要原因是右岸的坡度较左岸陡。

(3) 伯坊村。位于新建车村水库上游5.0 km左右，距伯坊村古滑坡500 m，其右岸为阶梯状(台阶式)的伯坊村，是之前的旧村庄建设地，已成为农业地，其岸坡类型为黄土岸坡；左岸毗邻一条大型冲沟，地层以中更新世晚期和晚更新世的黄土披覆为主，其岸坡类型也为黄土岸坡。由图10可知，左岸的塌岸宽度为55.0 m,右岸的塌岸宽度为34.66 m。两岸的岸坡类型相同，但是左岸冲沟的存在使得岸坡较陡，水库建成蓄水后左岸的塌岸影响范围较大。