水庫塌岸預測參數(shù)取值體系研究

彭仕雄，陳衛(wèi)東

（中國電建集團 成都勘測設(shè)計研究院有限公司地質(zhì)處，成都 610072）

1 研究背景

水庫塌岸問題由前蘇聯(lián)學者薩瓦連斯基首次提出，認為波浪作用是造成水庫塌岸的主要因素［1］。前蘇聯(lián)學者早期提出了卡丘金法和卓洛塔寥夫法等水庫塌岸預測方法［1-3］，至今仍在工程中進行應(yīng)用。我國學者也提出了一些水庫塌岸預測方法，如兩段法［4］、岸坡結(jié)構(gòu)法［5］、三段法［2-3］、經(jīng)驗法［2-3］、平衡剖面法［2-3］等，并都在工程中廣泛應(yīng)用，具有一定的現(xiàn)實意義。

在進行水庫塌岸預測時，會涉及到一個非常重要的預測參數(shù)（包括水上穩(wěn)定坡角、沖磨蝕角、水下穩(wěn)定坡角），由于各種預測方法的不同，塌岸預測參數(shù)取值差別較大［2-3，6-7］，如卡丘金法和卓洛塔寥夫法的水下穩(wěn)定坡角取值較小，兩段法、岸坡結(jié)構(gòu)法、三段法等預測參數(shù)取值相對較大。據(jù)作者粗略統(tǒng)計，大多數(shù)已建成的大型水庫都存在著塌岸和庫岸再造現(xiàn)象，平均塌岸達20多處，少者幾處，多者數(shù)十處。實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，塌岸預測的準確性不高，塌岸預測寬度往往比實際要寬很多，通過分析，認為其中一個主要原因是與塌岸參數(shù)的選取不甚合理有關(guān)，現(xiàn)有的塌岸預測方法給出的各類土體塌岸預測參數(shù)通常是在實驗數(shù)據(jù)或少數(shù)樣本調(diào)查基礎(chǔ)上給出的，客觀上造成了與實際可能存在較大差異。國內(nèi)外有關(guān)塌岸預測參數(shù)系統(tǒng)研究甚少，僅湯明高、許強［8］對三峽庫區(qū)塌岸預測參數(shù)作過較為系統(tǒng)的研究，何元宵［9］給出了不同成因土體塌岸預測參數(shù)建議值。由于影響塌岸預測參數(shù)的原因較多，塌岸預測參數(shù)取值還有待進一步系統(tǒng)研究。因此，本文將在大量現(xiàn)場調(diào)查基礎(chǔ)上，分析塌岸預測參數(shù)的影響因素，形成不同土體類型的塌岸預測參數(shù)取值體系。

2 塌岸參數(shù)調(diào)查統(tǒng)計分析

為了客觀分析和評價塌岸預測參數(shù)，根據(jù)對二灘、紫坪鋪、天生橋、三峽、磽磧、大朝山、寶珠寺、漫灣等水庫塌岸情況的調(diào)查研究和塌岸參數(shù)的現(xiàn)場實測，各種常見不同類型土體如殘坡積物、沖洪積物等的水下穩(wěn)定坡角、沖磨蝕角、水上穩(wěn)定坡角等的塌岸實測參數(shù)統(tǒng)計分別見圖1至圖4。

2.1 沖洪積岸坡

全新世階地的黏土、粉質(zhì)黏土含卵石；卵石含量約占15%，密實卵石、角礫及粗砂混合沉積，結(jié)構(gòu)密實，處于固結(jié)狀態(tài)，稍濕。這類岸坡的水下堆積坡角最小的只有8°，最大的為32°，平均為18.4°；水位變動帶穩(wěn)定坡角最小的僅7°，最大46°，平均在20°左右；水上穩(wěn)定坡角在11°～46°之間，均值為23.4°。

2.2 殘坡積岸坡

（1）殘坡積碎塊石土，碎石成分在30%～90%之間，其余的為黏土。稍密—中密、輕微膠結(jié)，稍濕。其水位變動帶穩(wěn)定坡角最大的可達60°，平均為31.6°；水上穩(wěn)定坡角一般在25°～55°之間。

圖1 殘坡積物（碎石土，松散—稍密）水位變動帶穩(wěn)定坡角和水上穩(wěn)定坡角統(tǒng)計Fig.1 Statistics of stable slope angle in water level fluctuation zone and above water for residual diluvial material（gravel soil，loose-slightly dense）

圖2 殘坡積物（碎塊石土，稍密—中密）水位變動帶穩(wěn)定坡角和水上穩(wěn)定坡角統(tǒng)計Fig.2 Statistics of stable slope angle in water level fluctuation zone and above water for residual diluvial material（gravel soil，slightly dense-moderately dense）

圖3 殘坡積物（黏土）水位變動帶穩(wěn)定坡角和水上穩(wěn)定坡角統(tǒng)計Fig.3 Statistics of stable slope angle in water level fluctuation zone and above water f or residual diluvial material（clay）

（2）殘坡積碎石土，碎石成分多為炭質(zhì)頁巖、千枚巖、長石石英砂巖等。碎石含量約占20%～80%；其余為黏土。松散—稍密、輕微膠結(jié)，干燥。這類岸坡的水下堆積坡角最大的只有18°，平均為11°；水位變動帶穩(wěn)定坡角最小的為7°，最大的為46°，均值為24.4°；水上穩(wěn)定坡角差異較大，在7°～45°之間，平均約30°。

（3）殘坡積碎黏性土，軟塑—硬塑，含少量碎石。稍密、輕微膠結(jié)，干燥—稍濕。這類岸坡的水位變 動帶穩(wěn)定坡角一般在2 0°～4 0°之間，平均為29.3°；水上穩(wěn)定坡角一般在25°～45°之間，最大的可達60°，平均為40.4°。

將上述塌岸實測參數(shù)成果進一步歸納整理，得出不同成因類型土體不同狀態(tài)穩(wěn)定坡角見表1。調(diào)查表明，不同成因類型的土體其塌岸參數(shù)特征值不同，一般來講，崩坡積岸坡其土體顆粒組成相對粗大，各類塌岸參數(shù)特征值較大，沖洪積、殘坡積岸坡特征值次之，滑坡堆積其組成物質(zhì)差異較大，受控因素較多，特征值變化較大。

圖4 沖洪積物水下堆積坡角、水位變動帶穩(wěn)定坡角和水上穩(wěn)定坡角統(tǒng)計Fig.4 Statistics of under water accu mulation slope angle，stable slope angle in water level fluctuation zone，and stable slope angle above water for alluvial material

表1 不同類型土體穩(wěn)定坡角調(diào)查情況統(tǒng)計表Table 1 Statistics of stable slope angle survey for different types of soil

3 塌岸參數(shù)的影響因素分析

3.1 地質(zhì)因素

調(diào)查統(tǒng)計表明，各類土體岸坡塌岸參數(shù)與土體的類型、成因、時代、結(jié)構(gòu)組成等地質(zhì)因素有關(guān)。

（1）土體顆粒大小不同，塌岸預測參數(shù)往往不同。一般情況而言，巨粒類土體水上、水下、水位變幅帶坡角較大，粗粒類土體次之，細粒類土體最小。

（2）土體成因不同、塌岸預測參數(shù)往往差別較大。成因與水密切相關(guān)的沖積、冰水積、洪積等土體的塌岸預測參數(shù)值一般較大；而成因與水關(guān)系不密切的殘積、風積等土體的塌岸預測參數(shù)值一般較小。一般同種地質(zhì)成因土體形成時代越早，塌岸預測參數(shù)值越大。

（3）土體結(jié)構(gòu)不同，塌岸預測參數(shù)往往也不同。成因類型相同，密實度和固結(jié)程度越高塌岸預測參數(shù)值越大，反之則越小。

3.2 影響塌岸參數(shù)的其他因素

（1）庫水的軟化作用。由于組成岸坡的土體差別較大，有的巖性軟弱，遇水易軟化。如黏土巖、泥巖、千枚巖等軟巖形成的土質(zhì)岸坡遇水后強度會有較大的降低。

（2）庫水升降形成的動水作用。庫水動力作用越強，塌岸越易發(fā)生，沖磨蝕作用就越強，塌岸參數(shù)就越小，反之則越小。

（3）風（波）浪沖刷作用。波浪的沖刷和研磨會使江岸逐漸后退。風浪越大，則產(chǎn)生的波的能量就越強，作用時間越長，塌岸參數(shù)也就越小。波浪作用主要產(chǎn)生在寬闊的水域。

4 塌岸預測參數(shù)取值研究

4.1 塌岸預測參數(shù)取值方法

通過大量的實踐和總結(jié)，塌岸預測參數(shù)的取值方法主要有現(xiàn)場調(diào)查、工程類比等3種。

（1）現(xiàn)場調(diào)查法：在擬評價預測的水庫區(qū)段，分別實測天然河流的平均枯水位以下、江水漲幅帶以及平均洪水位以上三帶內(nèi)的不同巖土體的坡角，并分類統(tǒng)計，以此類比水庫蓄水后的水下堆積坡角、沖磨蝕坡角和水上穩(wěn)定坡角等塌岸預測參數(shù)特征值。此種方法求得的塌岸預測參數(shù)值往往偏于安全。

（2）工程類比法：調(diào)查已經(jīng)建成運行多年、地質(zhì)條件相似水庫的實際各種塌岸特征參數(shù)值，來類比獲得即將運行水庫的塌岸預測參數(shù)。

（3）基于分形理論的顆粒組成分析水下穩(wěn)定坡角取值法：通過現(xiàn)場調(diào)查和取樣進行顆粒組成分析，根據(jù)細粒含量和粒度分維建立細粒含量、粒度、分維與水下穩(wěn)定坡角的相關(guān)關(guān)系來預測水下穩(wěn)定坡角。

表2 水庫塌岸預測參數(shù)取值Table 2 Values of parameters for reservoir bank collapse prediction

4.2 塌岸預測參數(shù)取值

對二灘、紫坪鋪、磽磧、三峽、寶珠寺、大朝山、天生橋一級等水庫進行典型塌岸段的塌岸參數(shù)進行現(xiàn)場實測，采用統(tǒng)計學方法統(tǒng)計分析，塌岸參數(shù)一般有以下規(guī)律性。

（1）不同的庫水動力條件，巖土體塌岸參數(shù)存在一定差異，水位變動帶以下表現(xiàn)為堆積特性，形成水下堆積坡角；水位變動帶表現(xiàn)為沖刷和磨蝕作用，形成沖磨蝕坡角；水位變動帶以上表現(xiàn)為穩(wěn)定的自然休止角。水下堆積坡角值最小，沖磨蝕角次之，水上穩(wěn)定坡角最大。

（2）庫水動力條件大小往往決定著塌岸參數(shù)的大小。庫水水動力作用越強，岸坡更容易產(chǎn)生塌岸，其塌岸參數(shù)值往往較低，反之則較高。

（3）塌岸預測參數(shù)值與巖土體顆粒大小、成因類型等密切相關(guān)。巨粒類土往往由崩積、沖積、冰水積等組成，土體粗顆粒含量較多，塌岸參數(shù)值一般較大；細粒類土往往由湖積、殘積、風積等組成，顆粒相對較細，其塌岸參數(shù)值一般較小，粗粒類土往往由坡積、崩坡積等組成，塌岸參數(shù)值介于兩者之間。

（4）水下穩(wěn)定坡角取值主要考慮土體顆粒組成因素；沖磨角取值主要考慮土體地質(zhì)成因、顆粒組成等因素；水上穩(wěn)定坡角取值主要考慮地質(zhì)成因、顆粒組成、密實度、水的作用等因素。

本文根據(jù)10余座水庫塌岸現(xiàn)場調(diào)查、取樣試驗、回歸分析、工程類比等綜合研究，提出基于岸坡土體顆粒組成、野外地質(zhì)定名、地質(zhì)成因等因素的水下穩(wěn)定坡角、沖磨蝕角、水上穩(wěn)定坡角的塌岸預測參數(shù)取值，見表2。

5 結(jié) 語

（1）塌岸預測參數(shù)是塌岸預測必不可少的特征參數(shù)，其取值的合理性直接關(guān)系到塌岸預測的結(jié)果，在大量現(xiàn)場塌岸參數(shù)調(diào)查成果基礎(chǔ)上，結(jié)合土體室內(nèi)外定名、地質(zhì)成因等，提出的塌岸預測參數(shù)取值表，形成了較為完善的取值體系，規(guī)范了水庫塌岸預測參數(shù)取值標準。

（2）由于影響塌岸特征參數(shù)的因素較多，在實際工作中還需要根據(jù)不同土體類型、不同塌岸模式、不同塌岸預測方法等進行靈活運用才能取得較好的預測效果。

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