不同水位下渭北黄土台塬水库岸坡塌岸模型试验

李常虎 马学通 高德彬 李征征 李萍 李同录

摘 要：通过现场调查渭北黄土台塬大北沟水库岸坡塌岸形态，并通过物理模型试验对不同水位条件下的直立型黄土岸坡的塌岸特征、形态开展了试验研究，试验结果表明，岸坡高度相同时，塌岸宽度与水位成正比，且水位越高塌岸频次越多、时间间隔越短、塌岸越剧烈。同时，岸坡塌岸后的水上岸坡存在直立段，水下岸坡呈曲线形，这与图解法的直线形存在一定的差异。另外，水下岸坡坡角随着与坡脚距离不同而差异较大，但远离坡脚处的水下岸坡角度基本相同，综合确定出水下综合稳定坡角为１６°～１８°。

关键词：黄土台塬；水库；岸坡塌岸；模型试验；水下坡角

中图分类号： ＴＶ６９７．２３ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０２８

引用格式：李常虎，马学通，高德彬，等．不同水位下渭北黄土台塬水库岸坡塌岸模型试验［Ｊ］．人民黄河，２０２３，４５（７）：１５２－１５６．

０ 引言

黄土地区生态环境脆弱，水库塌岸的发生会导致水土流失，对库区自然生态环境造成不良影响，如三门峡水库最大塌岸宽度达到了９５０ ｍ，塌岸方量９．２３ 亿ｍ３，造成库区严重的水土流失与淤积，因此黄土地区塌岸研究对库区生态环境保护具有重要意义［１］ 。濮声荣［２］ 对黄土岸坡的塌岸特征进行了总结，将岸坡分为堆积岸坡、磨蚀岸坡和磨蚀堆积岸坡３ 类，并对各類塌岸岸坡的分布及不同岩土类型岸坡的稳定坡角进行了统计。吕占彪等［３］ 调查发现小浪底水库不同时期塌岸影响因素存在差异，秋季以水流侧向侵蚀为主，其余时间则为蓄水；在考虑岸坡塌岸特征的基础上，用卡丘金法计算了岸坡的塌岸宽度。李永乐［４］ 指出黄土塌岸的主要影响因素包括地质环境条件和水力条件的变化，黄土塬岸坡塌岸剧烈，而一级阶地塌岸则相对较少。陈思明等［５］ 则认为黄土岸坡塌岸主要是水的作用导致的，库水位下降时塌岸剧烈。郭凯等［６－７］ 根据岸坡土体性质将岸坡分为离石黄土岸坡和重力堆积体岸坡两类，并通过原位浸水试验分析指出两者水下稳定坡角存在差异。樊晓明［８］ 指出黄土地区中小型水库受风浪作用影响较小，且运行水位较为稳定，塌岸主要是库水通过物理化学作用使岸坡岩土体的强度降低导致的。岳永峰等［９］ 根据泾河岸坡发育特征对卡丘金法进行改进，有效提高了塌岸的预测精度。王春永［１０］ 通过对王圪堵水库的调查指出陕北黄土岸坡后缘存在一定高度的直立岸坡。除此以外，还有部分学者对库区渗流场进行研究， 如： 刘晓光等［１１］ 采用Ｍｏｄｆｌｏｗ 对库区地下水位进行了模拟，指出地下水位变化的滞后性主要与岸坡距离、渗透系数、给水度有关，降雨蒸发对其影响较小；王志浩［１２］ 、卿菁等［１３］ 研究指出岸坡渗流的滞后性对岸坡稳定性具有一定影响。

目前针对黄土岸坡塌岸预测主要采用图解法进行，关于塌岸的主要影响因素、渗流场等有一些研究成果，而关于不同水位的岸坡塌岸特征、动态发展趋势的研究相对较少。基于此，笔者以渭北黄土台塬宝鸡峡灌区大北沟水库岸坡为研究对象，通过现场调查水库不同位置直立岸坡的塌岸形态，借助物理模型试验对不同水位下直立岸坡塌岸的发生发展及最终稳定形态进行研究，以期为黄土台塬区地质环境条件相同或相似的水库治理塌岸及修复生态环境提供参考。

１ 大北沟水库环境地质条件及岸坡塌岸特征

大北沟水库地处关中盆地西北部的渭北黄土台塬地区渭河支流莫谷河下游，行政区划属陕西省乾县。该水库由莫谷河截流形成，水库沿黄土塬间沟壑展布，整体呈Ｖ 形（见图１），回水长度约４．５ ｋｍ，最大水深３１．０ ｍ，有效库容约为３ ０２５ 万ｍ３。据现场调查，岸坡土体主要为第四系风积黄土，抗冲刷能力差，在库水作用下易发生变形破坏，塌岸现象严重（见图２）。

２ 材料和方法

２．１ 试验材料

室内物理模型试验的模型箱为长方体， 长度１４０ ｃｍ、高度８０ ｃｍ、宽度５０ ｃｍ，选取刚度大且质量较轻的亚克力材料制作（厚度０．５ ｃｍ）。为了方便进出水，模型箱设置对称的进出水孔，且用阀门控制，孔中心与模型箱底部和侧边的距离均为５．０ ｃｍ，孔径２．０ｃｍ。模型箱构造见图３。

模型箱填筑的黄土取自大北沟水库岸坡上部的扰动黄土，通过室内土工试验确定黄土的液限、塑限及压实性控制指标（见表１）。同时，采用Ｂｅｔｔｅｒｓｉｚｅ ２０００ 型激光粒度分布仪对其进行粒度分析，其粒径分布曲线见图４。

２．２ 试验方案

为了研究水库不同位置的岸坡塌岸特征，设置了３ 种不同的水位，即１５、４０、６５ ｃｍ，分别对应水库上游、中游与下游（大坝附近）水位。考虑到高水位塌岸宽度较大，试验时增加了岸坡模型填筑的宽度。模型填筑的压实黄土压实度指标为０．８，接近于岸坡黄土的天然密实度。模型填筑黄土控制指标及试验方案见表２。岸坡填筑完成后静置４８ ｈ，以使其达稳定状态。试验开始时以１５ ｃｍ３ ／ ｓ 的流量向模型箱内注水，达到预定水位后进行试验观察，记录岸坡变形破坏过程及塌岸稳定后的最终宽度与形态特征。

３ 试验结果及讨论

方案１ 模型试验（水位１５ ｃｍ）的塌岸发生发展过程见图５。在加水过程中，水下岸坡坡面出现少量溜土。试验进行４ ｈ 时，岸坡出现第１ 次塌岸，塌岸高度约４０ ｃｍ、宽度约５ ｃｍ。岸坡临水面出现明显的裂缝，水面以上岸坡出现冲蚀龛。第２ 次塌岸出现在１１ ｈ时，塌岸边界明显上移，高度达到了６０ ｃｍ，塌岸宽度１０～１５ ｃｍ，且在岸坡临水面出现新的裂缝，冲蚀龛进一步扩大，部分被塌岸土体掩埋。第３ 次塌岸发生于４ ｄ 时，之后岸坡处于稳定状态。最终塌岸宽度约１５ｃｍ，冲蚀龛被塌岸土体完全掩埋，同时渗流作用使得模型水位出现下降。

由模型坡上部可以观察到岸坡稳定时坡面线为曲线，而从模型侧面可以观察到，岸坡上部呈近似直立状，而水下部分呈曲线形。水下堆积岸坡长度达６０ ｃｍ。同时，水下堆积体角度测量结果显示，靠近坡脚附近稳定坡角为１８°～２０°，远离坡脚的稳定坡角为８°～１２°。水下综合坡角为１６°～１８°，这与濮声荣［２］ 统计的结果基本一致。

方案２ 模型试验（水位４０ ｃｍ）的塌岸发生发展过程见图６。

方案２ 模型试验共发生５ 次塌岸：第１ 次塌岸发生于试验开始后２ ｈ，塌岸位置位于水下，由于水体浑浊，因此仅能从侧面进行观察，塌岸高度约为４０ ｃｍ、宽度为３ ｃｍ，全部塌岸部分位于水下。第２ 次塌岸发生于５．５ ｈ 时，塌岸宽度１０ ｃｍ，塌岸高度没有明显变化，此时可以观察到水下岸坡呈曲线形。第３ 次塌岸发生于１８ ｈ 时，塌岸宽度为１７ ｃｍ，高度扩大至５０ ｃｍ，此时塌岸有部分露出水面，可以观察到水位附近出现冲蚀龛，且坡顶出现了一条裂缝。第４ 次塌岸发生在３ ｄ时，塌岸高度扩大至６０ ｃｍ，其他没有变化。第５ 次崩塌发生在４ ｄ 时，塌岸宽度约３５ ｃｍ，冲蚀龛被塌岸土体掩埋，之后岸坡处于稳定状态。由模型坡上部可以观察到塌岸后坡面线呈曲线形，从模型侧面可以观察到岸坡上部呈近似直立状，而水下部分呈曲线形，水下沉积物的长度超过１１０ ｃｍ。同时，水下堆积体角度测量显示，靠近坡脚附近稳定角为２５°～３０°，远离坡脚的稳定角为８°～１２°，水下综合坡角为１６°～１８°。

方案３ 模型试验（水位６５ ｃｍ）的塌岸发生发展过程见图７。在此次模型试验中，共发生了６ 次塌岸：第１ 次塌岸发生于试验开始后３０ ｍｉｎ，塌岸宽度约为５ｃｍ，越靠近岸坡底部塌岸宽度越小。同时，塌落土体在水下形成了曲线形堆积岸坡，对水下岸坡起到了一定的保护作用。第２ 次塌岸发生在１．５ ｈ 时，塌岸宽度达到了１０ ｃｍ，同时形成了新的冲蚀龛，水下堆积岸坡仍为曲线形。第３ 次塌岸发生在３ ｈ 时，塌岸宽度约为１５ ｃｍ，岸坡形态轮廓基本无变化。第４ 次塌岸发生于５ ｈ 时，塌岸宽度达到了２５ ｃｍ，在水位以上岸坡为直立状态，水下原始岸坡仍存在较大角度，水下堆积岸坡角度则较小，且延展长度和厚度不断增大。第５次塌岸发生在１０ ｈ 时，塌岸宽度达到了４０ ｃｍ，水下岸坡完全被塌落土体掩埋，水下岸坡剖面角度为堆积物的角度。第６ 次塌岸发生在１３ ｈ 时，塌岸宽度约５０ ｃｍ，水上岸坡仍为直立状，岸坡后缘与模型箱脱开，但未发生滑塌，之后岸坡一直处于稳定状态，直至试验结束。同时，水下堆积体角度测量结果显示，靠近坡脚附近稳定角为３０° ～ ３５°，远离坡脚的稳定角为８° ～１５°，水下综合坡角为１６° ～１８°。值得指出的是，在试验结束后排水过程中又一次发生塌岸，水上岸坡完全滑落至水面以下。

表３ 为模型试验所得塌岸结果及不同位置岸坡稳定角度。可以看出，水位越高，塌岸次数越多，塌岸宽度越大。同时，不同水位条件下水上岸坡的稳定角度均为９０°，而水下堆积岸坡在远离坡脚处的角度基本一致，但坡脚处的稳定角度随着水位的升高而增大。不同水位条件下的水下综合坡角均为１６° ～１８°，这一结果与目前黄土地区塌岸预测所采用的水下稳定角度基本一致，说明图解法虽然对水下岸坡形态描述不准确，但其水下稳定角的选取是合理的。

将不同水位的塌岸宽度与浸水时间、水位与最终塌岸宽度的关系绘制成图，见图８、图９。

由图８ 可以看出，模型水位越高，最终塌岸宽度越大。同时水位越高，模型塌岸发生的频次越多、时间间隔越短、塌岸越剧烈。由图９ 可知，水库岸坡的塌岸宽度与库水位为线性关系，这与水库下游（大坝附近）宽度明显大于中、上游区域的现象一致。

４ 结论

通过现场调查渭北黄土台塬大北沟水库不同位置岸坡塌岸形态，并借助物理模型试验对不同水位下直立黄土岸坡的塌岸过程、塌岸形态及水下稳定坡角等进行试验研究，得到以下结论。

１）水位越高，岸坡最终塌岸的宽度越大，且最终塌岸宽度与水位呈线性关系。同时，库水位越高，其岸坡塌岸发生的频次越多、时间间隔缩短、塌岸越剧烈。

２）黄土岸坡发生塌岸后，存在一定高度的水上直立岸坡，而水下岸坡形态呈曲线形。因此，选用图解法对直立黄土岸坡进行塌岸预测时，应考虑水位和岸坡高度，并对图解法进行相应的修正，保证塌岸预测结果的准确性。

３）水下岸坡坡角随着与坡脚距离的不同而差异较大，远离坡脚处的水下岸坡角度基本相同，水下综合稳定角为１６°～１８°，这与文献［２］统计结果一致，表明黄土塌岸预测时水下稳定综合坡角参数选取是合理的。

参考文献：

［１］ 高德松，席占平，王西超，等．三门峡水库塌岸量的计算分析［Ｊ］．人民黄河，１９９７，１９（３）：１３－１５．

［２］ 濮声荣．黄土地区水库岸坡变形［Ｊ］．人民黄河，１９８３，５（５）：２－５．

［３］ 吕占彪，尚锋，刘丰收，等．黄河小浪底水库塌岸分析及初步评价［Ｊ］．人民黄河，１９９８，２０（７）：３５－３８，４７．

［４］ 李永乐．三门峡水库库岸坍塌成因分析与防治措施研究［Ｊ］．水土保持学报，２００３，１７（６）：１２９－１３２．

［５］ 陈思明，杨秀娟．黄土区水库库岸稳定分析［Ｊ］．科技视界，２０１５（２１）：１８，１１９．

［６］ 郭凯．庆阳黄土区芡子沟水库库岸塌岸分析［Ｊ］．地下水，２０１６，３８（３）：２２３－２２４，２２７．

［７］ 郭凯，王旭银，徐喜刚．庆阳黄土区芡子沟水库蓄水前后的塌岸评价［Ｊ］．地下水，２０２１，４３（５）：１６８－１６９．

［８］ 樊晓明．黄土地区水库库岸失稳机理探讨［Ｊ］．陕西水利，２００８（３）：７１－７２．

［９］ 岳永峰，罗延婷，李伟．东庄水库黄土岸坡的塌岸预测方法研究［Ｊ］．资源环境与工程，２０１３，２７（４）：３９８－４００．

［１０］ 王春永．黃土地区水库塌岸预测方法研究［Ｊ］．城市建设理论研究（电子版），２０２０，２０（２０）：１０６－１０７．

［１１］ 刘晓光，黄勇．平原型水库水位变化对库区附近地下水位影响的滞后性研究［Ｊ］．水电能源科学，２０２０，３８（４）：８４－８６，１６６．

［１２］ 王志浩．水位升降及降雨联合作用下库岸边坡稳定性研究［Ｄ］．杨凌：西北农林科技大学，２０２１：５２－６２．

［１３］ 卿菁，朱蕾，陈昊，等．库水位波动与降雨作用下的滑坡流固耦合分析［Ｊ］．湖北工业大学学报，２０２１，３６（４）：５２－５６，８４．

【责任编辑 张华岩】