某水库库岸稳定性预测

王仁槐 寇学文

摘  要：库岸稳定对水库蓄水后的安全和长期运行有重要影响，将常见库岸类型划分为基岩库岸、土质库岸、岩土混合库岸，探讨图解法和卡丘金法计算水库塌岸的结果差异，利用图解法对某水库塌岸进行预测。结果显示，随着距坝距离的增加，塌岸宽度先增加后减少，拟合曲线大致呈抛物线型，同时塌岸宽度大于100 m的严重塌岸贡献塌岸总方量的89%。该文的数据分析方法及研究成果对类似工程勘察设计、施工具有一定的借鉴意义。

关键词：库岸；稳定性预测；水利工程；工程勘察；图解法

中图分类号：TV522      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）19-0082-04

Abstract： The stability of the reservoir bank has an important influence on the safety and long-term operation of the reservoir after impoundment. The common reservoir bank types are divided into bedrock reservoir bank， soil reservoir bank and geotechnical mixed reservoir bank. The difference between the results of the graphic method and the Kaqiujin method for calculating reservoir bank collapse is discussed. The graphic method is used to predict the bank collapse of a reservoir. The results show that with the increase of the distance from the dam， the width of bank collapse increases at first and then decreases， and the fitting curve is roughly parabolic， and the serious bank collapse whose width is more than 100 m contributes 89% of the total amount of bank collapse. The data analysis method and research results of this paper can be used for reference to the survey， design and construction of similar projects.

Keywords： reservoir bank; stability prediction; hydraulic engineering; engineering survey; graphic method

库岸崩塌通常发生在库水位剧烈变化时，当库水位迅速上升时，周围的地下水位也随之上升，使地下水和库水共同作用于岩体和库岸，对岩体和库岸产生物理和力学作用[1]，表现为岩体强度及抗剪强度降低，再加上波浪的淘刷，容易发生崩塌，使库岸由单一坡度变为上凹下凸的复坡体[2]；库水位下降威胁边坡稳定的机理主要体现在孔隙水压激增，水位下降后带来的水头差引发了渗流拖拽效应，甚至可能导致渗透破坏，在剪出口形成一个应力集中区域，该应力集中区域会向坡体内部和上部扩张，最终诱发边坡整体失稳[3]。降雨是诱发库岸崩塌的重要因素之一，降雨的入渗，一方面增加了不稳定岩体的重量，从而增加了岩体的下滑力；另一方面对软弱岩层产生较强的软化作用，加剧了崩塌的形成[4]。

库岸稳定性是一项复杂的系统工程，库岸崩塌的产生既有确定性也有不确定性。岩体参数内摩擦角φ、黏聚力c、重度γ对崩塌是否发生具有决定性意义[5]，但影响库岸稳定性的因素多而复杂，且各因素的影响程度也不相同，其相互间又存在着一定的牵连，各种因素的影响很难做出经典数学模型加以统一量度[6]。随着数学理论的发展，神经网络方法、模糊综合评判方法、灰色理论、模糊理论、层次分析法和信息量法等开始用于库岸稳定性评价，这些评价方法取得了重要的进展，但仍然存在一定的局限[7]，实际工程中使用较少。

目前，库岸塌岸预测方法有以佐洛塔廖夫为代表的条件类比图解法、以康德拉捷夫为代表的数学分析法、平衡剖面法、动力法、徐瑞春的塌岸预测图解的若干修正和超前信息法等[8]。其中，卡丘金图解法的实质是依据实测的洪枯水位变幅带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，其精度取决于计算参数的选定。该方法在山区河道型水库的塌岸预测中，适用于水库的中游和上游地带，而预测水库下游的结果往往与实际相差甚远，实际塌岸宽度要比预测的小得多，卡丘金图解法的预测结果偏于安全[8]，因此，在实际工程中应用最为广泛。

某水库库区山高谷深，沟壑纵横，库区人烟稀少、偶有耕地。基岩地层岩性为砂岩、泥岩、粉砂岩。河谷多呈宽“U”字型，库岸出露地层岩性主要为三叠系上统胡家村组（T3h）、更新统风积黄土（Q3eol）、残坡积（Q4dl+el）和崩坡积层（Q4dl+col）。本文利用卡丘金图解法对水库运行后的塌岸长度进行分析预测，根据塌岸长度分析预测结果进行塌岸严重程度分级，最后，依据库区地形地貌、地质特征、地质构造等开展库岸稳定性评价。

1  库岸类型分布

根据水库区地形地貌、地层结构与岸坡的组合关系，将库岸分为基岩库岸、土质库岸、岩土混合库岸，其中岩土混合库岸又可根据基岩坡度分为A、B 2个亚类，水库蓄水后，A类向B类发展。图1为库区岸坡结构类型示意图。

基岩库岸基岩面高程高于正常蓄水位，基岩岩性为三叠系上统胡家村组（T3h）的砂岩、粉砂岩泥岩地层，地质构造简单，地层产状近于水平。砂岩、粉砂岩夹泥岩地段岸坡较陡，约50°，局部近直立，形成高陡岩壁，天然岸坡稳定性较好，临沟未见大的滑坡和崩塌体。

黄土库岸广泛分布上更新统风积黄土（Q3eol），岸坡表层主要由黄土类土组成，上部岸坡较缓，坡度一般在10～30°，下部为三叠系的砂岩、粉砂岩夹泥岩地层。

岩土混合库岸A基岩出露高程低于正常蓄水位，基岩岩性为砂岩、粉砂岩、泥岩，地层产状近于水平。砂岩、粉砂岩夹泥岩地段岸坡较陡，约50°，局部近直立，形成高陡岩壁，岸坡稳定性较好。上覆更新统风积黄土（Q3eol），受库水位影响，存在塌岸问题。

岩土混合库岸B岸坡下部基岩岩性以砂岩、粉砂岩夹泥岩为主，地层产状近于水平。岸坡坡度在15～25°，岸坡坡脚附近为河流堆积物和黄土坡积物（主要是Q4dl+el和Q4dl+col），低于正常蓄水位而被淹没。由于基岩出露高程低于正常蓄水位，上覆更新统风积黄土（Q3eol），受库水位影响，存在塌岸问题。

库区岸坡结构类型分布如图2所示。库区库岸主要以基岩为主，占比接近70%，其余3类合计占比约30%，现状条件下，库岸总体保持稳定。

2  塌岸主要影响因素

2.1  地层岩性

地层岩性是影响塌岸是否发生的最主要因素。由碎石土、砂砾石组成的库岸及基岩库岸抗冲刷能力强，塌岸发育缓慢。由黄土、砂土等组成的库岸抗冲刷能力弱，一般随着蓄水初期库水位迅速上升，侵蚀、搬运、堆积剧烈，直至库岸稳定。本水库易产生塌岸的是岩土混合库岸A，其下部基岩具备一定抗冲刷能力，上部土质容易发生塌岸，向岩土混合库岸B发展。

2.2  水库运行方式

一般情况下，多年调节水库水位变化较慢，对库岸影响较小。年内调节水库水位高低频繁波动，塌岸反复进行，持续时间长，水下坡角逐步减少至稳定坡脚，根据月潭水库[9]及新疆某水库[10]的经验，该值通常小于20°。本水库的主要功能为调蓄，对库岸的影响可视为年内调节水库。

2.3  波浪

波浪对塌岸的影响主要表现为波浪对库岸的淘蚀和对塌落物质进行搬运[11]。波浪的高度与风速、风在自由水面的吹程及水深等因素有关[12]。波浪越高，对岸坡的破坏力就越强。

2.4  其他因素

影响塌岸发育的其他因素还有冻融、降雨等。岸坡土体孔隙和裂隙中的水结冰后体积膨胀产生冰劈作用，并破坏了土体结构，解冻后，土体强度降低，致使岸坡发生破坏。降雨会增加不稳定土体的容重，同时降低土体黏聚力，导致库岸稳定系数迅速下降从而引起边坡失稳。

3  塌岸预测

水库塌岸预测的目的是对水库运行后的最终塌岸宽度进行分析预测，评价塌岸对工程水库运行、对塌岸区和周边环境的影响，并提出防治措施。目前常用的方法有图解法和卡丘金法，卢欣[13]曾采用2种方法分别计算同一库区24个剖面的塌岸宽度，按照图解法计算结果由小到大顺序排列，结果如图3所示，结果显示当利用图解法计算塌岸宽度达到29 m以上时，卡丘金法与图解法计算结果相对一致。

根据水库运行特点和库岸结构类型，初步考虑利用图解法进行岸坡塌岸的初步预测评价，预测参数的选取主要通过现状调查，类比同类工程实测数据确定。浪高计算采用官厅水库公式[14]，水下稳定坡角α、水上稳定坡角β按表1取值。本工程土质库岸、岩土混合库岸A、岩土混合库岸B容易产生塌岸的主要为粉砂土，计算塌岸分布情况如图4所示。

根据计算结果，库区塌岸宽度大多在35～150 m之间，在该区间图解法与卡丘金法计算结果相对一致。随着距坝距离的增加，塌岸宽度先增加后减少，拟合曲线大致呈抛物线型，曲线方程为y=-13.391x2+43.842x+110.24，塌岸宽度最大处发生在距坝距离3.2 km左右。

发生塌岸的库岸类型主要是土质库岸和岩土混合库岸A，计算14处库岸中，土质库岸和岩土混合库岸A各5处，其他4处为土质库岸与岩土混合库岸A的“结合体”。岩石库岸和岩土混合库岸B相对稳定，基本不发生或很少发生塌岸。岩土混合库岸A发生塌岸，经过侵蚀、搬运、堆积发育为岩土混合库岸B。土质库岸会通过塌岸，逐步发育为基岩库岸及岩土混合库岸。

根据塌岸宽度将塌岸分为轻微塌岸（0～40 m）、中等塌岸（40～100 m）、严重塌岸（大于100 m），各类型塌岸占比为1∶3∶6，同时严重塌岸集中分布在距坝4.0 km以内。

土质库岸与岩土混合库岸A的“结合体”产生塌岸方量占比约为40%，岩土混合库岸A产生塌岸方量占比约50%，土质库岸产生塌岸方量仅有10%。此外，严重塌岸（塌岸宽度大于100 m）贡献塌岸总方量的89%。

4  结论

本文介绍了水库库岸常见的4种类型，并就某水库的库岸类型分布进行了研究，数据显示该水库的基岩库岸占比超过70%，水库库岸整体稳定；同时探讨了图解法和卡丘金法计算水库塌岸的结果差异，认为当计算塌岸宽度达到29 m以上时，卡丘金法与图解法计算结果相对一致，本库区塌岸宽度多为35～150 m之间；根据计算结果，严重塌岸（大于100 m）贡献了绝大部分塌岸方量。本文的数据分析方法及研究成果可为类似工程勘察设计、施工提供参考，具有一定的借鉴意义。

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