“两段法”在某水源水库塌岸预测中的应用

芦建军，孙治新，玉 博

（1.宁夏水投清水河城乡供水有限公司，宁夏 吴忠 751100；2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

某水源水库位于甘肃省甘南州白龙江中游，水 库坝址在白龙江与腊子沟支流交汇处下游100 m，库区洄水至坝址上游约25 km。 白龙江在多年的运行中， 逐渐形成较为稳定的河流岸坡， 但随着水库建造，库区水文地质条件较之前发生较大改变，受库水位变动、风浪等因素影响，土质岸坡的平衡条件遭到破坏发生坍塌，对沿岸分布的村庄、农田、道路、桥梁存在威胁，同时会造成水库淤积，因此进行水库塌岸预测具有重要意义。

行业内将水库塌岸预测分为长、短期预测，现行规范、手册中主要介绍了类比图解法、计算图解法［1］。目前，常用的库岸塌岸预测方法以类比图解法为主，包括卡丘金法、佐洛塔廖夫法、“两段法”、岸坡结构法4 种［2］。王跃敏等［3］通过外福铁路线水口水库库岸塌岸观测研究， 提出适合我国南方山区峡谷型水库塌岸的两段预测法，利用“两段法”对该工程水库进行库区塌岸长期预测。

1 库岸地形地质条件

白龙江干流及其腊子沟支流河谷形态呈不对称型，且多为斜向谷，自然坡降平均值约0.663%，河道弯曲、水流湍急。河谷两岸阶地较为发育，以Ⅲ～Ⅳ级阶地为主，呈扇型或狭长型在河谷两岸展布，天然岸坡坡角约47°～65°，植被覆盖较少。

库区范围内基岩以砂质板岩夹粉砂岩、 炭质板岩为主，局部出露灰岩，两岸不连续分布不同成因的第四系松散堆积物， 按其成因可分为上更新统冲洪积物、综合成因黄土及全新统冲洪积物、坡洪积物、坡积物、坡崩积物，厚度分布不均，0.5～30 m 不等，水库蓄水后， 正常蓄水位附近及以上覆盖层部位将会发生不同程度的塌岸。

2 影响塌岸的主要因素

2.1 库岸地层物质组成

岸坡物质组成及土层性质是影响水库塌岸的内在因素［4］，对水库塌岸的影响较大。一般坚硬岩石地层抗冲刷能力强，水库塌岸发展缓慢，且不严重；半坚硬岩中的黏土岩等具遇水软化、易崩解等特点，较易形成塌岸、且塌岸发展较快、较坚硬岩严重；第四系松散堆积物， 一般塌岸发展迅速， 且塌岸较为严重。本工程库岸地层以第四系冲洪积物、坡洪积物、坡崩积物等组成， 厚度分布不均， 成份以卵石混合土、碎石混合土等巨粒土为主，阶地平缓地带表层多分布低液限黏土，厚度一般小于1 m。其中卵石混合土一般具泥质弱胶结，结构稍密实，碎石混合土结构松散， 上述土体遇水极易发生崩解， 抗冲刷能力较差，极易发生水库塌岸。

2.2 风浪作用

风浪作用是水库塌岸的主要外部动力。 水库蓄水后，在风力作用下，波浪对岸壁土体产生淘刷与磨蚀，并对塌落物质进行搬运，从而加速塌岸。波浪的浪高与风速、风向、水深等因素有关。一般来说，风速越大、水面越宽、水深越大，波浪的能量就越大，塌岸就越严重。本工程库区风速较大，库水较深，但因地处高山峡谷地区，水面呈狭长带状，宽度较窄，因此综合分析，风浪对水库塌岸的影响一般。

2.3 冻融变化

工程区属非典型性大陆性气候，冬季较寒冷，海拔较高，昼夜温差大，由于土体的冻融作用，极易破坏土体结构，导致土体强度降低，致使岸坡破坏。

2.4 植被保持

植物根系可对岸坡起到固结作用， 可提高岸坡的抗冲刷能力。工程区地处高山峡谷地带，两岸岸坡较陡峭，植被覆盖较少，对岸坡的保护作用较小。

3 “两段法”塌岸预测

3.1 基本原理

“两段法”主要将预测塌岸线分为两部分，即水下稳定岸坡线和水上稳定岸坡线。 水上稳定岸坡线起点同高程的原始岸坡点与水上稳定岸坡线终点之间的水平距离即为预测的塌岸宽度Sk，如图1。水下稳定岸坡线由原河道多年最高洪水位h 及水下稳定坡角α 确定， 水上稳定岸坡线由正常蓄水位和毛细水上升高度H′及水上稳定坡角β 确定。

图1 “两段法”塌岸预测示意图

图1 为“两段法”的具体图解：以原河道多年最高洪水位与岸坡交点A 为起算高程点， 以水下稳定坡角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， 再以B 点为起点， 以水上稳定坡角β 为倾角绘出水上稳定岸坡线， 该线与原岸坡的交点C 即为水上稳定岸坡的终点。 水上稳定岸坡线的起点B 的高程所对应的原岸坡点D 与该线终点C 之间的水平距离，即为“两段法”预测的塌岸宽度Sk。

在塌岸预测的实际工作中，各地层中水下、水上稳定坡角（α，β）一般采用工程类比法和现场地质调查的方法来确定； 毛细水上升高度H′一般通过试验与现场调查相结合来确定，其值与岸坡岩土体的颗粒组成有关，粗颗粒毛细水上升高度小，细颗粒相对较高。

3.2 长期塌岸预测

3.2.1 各地层塌岸预测参数选择

岩土体力学参数的选取是勘察、 设计研究的重要问题，常通过室内外力学试验、反演及工程地质类比加以确定［5］。该工程勘察期间，对库区及周边进行小比例尺地质测绘工作， 针对易塌岸段进行野外实测地质剖面，对不同地层水下岸坡、水上岸坡的稳定坡角和毛细水上升高度进行统计，在此基础上，提出水库蓄水后未采取防护状态下， 土质岸坡的稳定坡角及毛细水上升高度建议值如表1。

表1 各地层稳定坡角建议值

3.2.2 塌岸宽度预测

依据上述坡角建议值（表1）,对水库区土质岸坡采用“两段法”进行最终塌岸预测，塌岸预测典型剖面如图2。根据预测剖面（图2）可知：该剖面位置塌岸宽度Sk为69.53 m， 水上稳定岸坡塌岸高度Hu为24.49m。本文仅以此剖面为例，实际工作中，为提高塌岸预测准确率，预测剖面数量应尽可能的密集，理论上剖面间距越近，塌岸预测精度越高。

图2 塌岸预测典型剖面图

3.2.3 塌岸面积预测

根据工程区库岸稳定调查成果， 初步确定存在塌岸段的库岸长度， 剖面预测塌岸宽度与该剖面代表的塌岸段库岸长度之积，即为该段塌岸面积（水平投影面积）。

3.2.4 塌岸体积预测

由图2 可知， 该剖面水上塌岸横截面积为1407.36 m2， 该剖面所代表塌岸长度与横截面积之积，即为该段水上塌岸体积。

4 结语

“两段法”塌岸预测较适用于库面狭窄、风浪作用较小的峡谷型水库，在实际工作中，提高塌岸库段的预测剖面精度及数量， 并同时运用卡丘金图解法塌岸预测进行对比，以提高塌岸预测的可靠性。