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山西某水库黄土岸坡的塌岸影响因素与预测方法
山西某水库黄土岸坡的塌岸影响因素及预测方法
孙
辉
（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司,新疆
石河子
832000）
摘 要：塌岸是影响黄土地区水库的重要问题之一.库岸土体湿度的变化导致土体物理力学性质发生改变,影响库岸稳定性,造成水库塌岸,水库塌岸导致沿岸植被破坏,水土流失加剧,因此必须对其作出预测,定量估计塌岸宽度.本文分析黄土地区水库塌岸的影响因素,并通过采用卡丘金法对水库塌岸进行了预测.
关键词：水库塌岸；黄土地区；影响因素；预测方法
1
水库塌岸的发展过程
水库蓄水后,水位的变化将使土质岸坡发生坍塌破坏现象,又称水库边坡再造,在黄土地区是水库的重要环境地质问题[1-2].在这个过程中,库水改变了库岸土质的含水量,使容重加大、抗剪强度降低,引起土体软化、崩解以至坍滑.又因水面展宽后,风浪增大,库岸在波浪的侵蚀、冲击和淘刷作用下,下部土体被淘空,上部土体失去支撑而塌落,岸线随之后移.塌滑物经水流搬运、分选后形成浅滩.在水和波浪的不断作用下,库岸破坏继续发生,岸线不断后移,浅滩逐渐增大,直到水上岸壁与水下浅滩达到相对平衡时,库岸才趋于稳定[3].
2
水库区地形地貌及黄土特征
河谷两岸为梁状黄土丘陵地貌,梁间主要发育若干条冲沟,切割深度40 ～ 100 m,冲沟沟壁陡峭,呈“V”字型.两岸黄土梁多为宽梁,顶部坡度较小,向两侧冲沟和河谷缓倾,向两侧随高程增加逐渐变窄.黄土梁前缘冲沟林立,长度较短,呈梳状分布.
工程区黄土大面积分布,黄土分布往往不受地势高低限制,具有坡向性,产状往往与原始地形吻合,与下伏基岩呈假整合接触.库区黄土分为2层,上层为第四系上更新统马兰黄土（Q3m）,下层为第四系中更新统离石黄土（Q2l）.马兰黄土呈灰或浅棕,结构疏松,孔隙发育,垂直节理发育.离石黄土多呈浅红色或红色,夹若干层古土壤,结构较密实.2种黄土颗粒组成均以粉粒为主,占比可达80%,粘粒含量20%左右.
3
影响水库塌岸的因素
3.1
地貌因素
库区冲沟发育,地形破碎,使得库岸凹凸不平.深入水库内的凸岸,三面环水,受多向风浪的冲蚀,塌岸迅速而剧烈,塌岸宽度较大.凹岸一般为避风地带,波浪和沿岸搬运的物质往往堆积于此,形成浅滩,对库岸有保护作用,塌岸宽度较小.库岸高度、坡度与塌岸有直接关系.在水深相同的情况下,库岸高的地段塌岸速度慢,库岸低的地段塌岸速度快.坡度大的地段塌岸速度快,塌岸宽度亦较大,坡度缓的地段塌岸速度与塌岸宽度较小.在黄土地区,冲沟发育、切割破碎的库岸塌岸严重,而岸坡平整、阶面宽阔、支沟不发育的库岸塌岸较小.
3.2
地质因素
库区库岸主要为黄土,其粉粒含量大,孔隙率大,垂直节理发育,浸水后抗剪强度大大降低,所以塌岸宽度大,浅滩的坡度较小.黄土地区地层结构一般较为简单,黄土底层下一般为基岩,呈假整合或不整合接触关系.黄土结构疏松,因此塌岸速度与塌岸宽度都比较大.黄土还可能沿下伏基岩接触面整体滑动.黄土毛细水上升高度较大,地下水位壅高将引起黄土湿度变大,降低黄土的强度和承载力.当库水位下降时,又产生很大的动水压力,加之黄土颗粒的抗冲刷能力较差,都将加剧塌岸的发展.另外,水文条件、风化作用、地震作用、植被覆盖情况以及波浪作用、冻融作用和地表水的冲刷等都会对塌岸产生影响,因此,黄土塌岸的发生和发展是极其错综复杂的,影响因素也很多.
4
库区黄土塌岸的预测方法
水库塌岸预测是根据水库区的工程地质条件和水库运行期间水位变化的情况等,定量估算水库蓄水后的塌岸宽度,作出一定的防治措施.
水库塌岸问题有诸多预测方法和理论.对黄土地区,目前多采用卡丘金预测法进行预测.卡丘金预测法根据几何关系用图解法求解最终塌岸宽度.最终塌岸宽度是指从正常高水位与原始库岸交线至塌岸最终库岸的距离[4].
选取下式估算塌岸宽度：
St 等于 N[（A + hP + hB）ctgα + （H - hB）ctgβ - （A + hP）ctgγ]（1）
式中：St - 塌岸最终宽度（m）；A - 库水位变化幅度（m）；N - 与土的颗粒大小有关的系数,黄土采用N 等于 0.6； hP - 波浪冲刷深度（m）,相当于1 ～ 2倍浪高（中小型水库一般采用0.5 ～ 1.5m）； hB - 浪击高度及浪爬高度（m）,为0.1 ～ 0.8倍浪高；H - 正常蓄水位以上岸坡高度（m）；α - 浅滩冲刷后水下稳定坡角（°）；β - 预测的库岸水上稳定坡角（°）；γ - 原始岸坡坡角（°）.其中,α、β可在相关手册中查找,结合室内试验进行选取.该方法计算精度取决于参数的选取,如N的选取,当原始岸坡较陡,水深较大时,N值应适量增大,否则计算结果会有比较大的偏差.
对可能产生塌岸的库岸选取典型地质剖面（见图1）,选取合适参数运用公式估算最终塌岸宽度,在平面图中标出塌岸范围,在平面图中量测塌岸分区的宽度,对分区内截取剖面估算水上岸坡平均高度,并最终估算塌岸方量.
5
小结
水库塌岸是黄土地区水利水电工程必须应对的工程地质问题,黄土地区水库塌岸的影响因素较为复杂.黄土地区一般采用卡丘金预测法对水库塌岸进行预测,由于水库塌岸过程中,会在坡脚形成浅滩,对库岸有保护作用,减小塌岸影响,预测结果偏于安全,但比较符合实际情况.
参考文献
[1]彭土标.水力发电工程地质手册[M].北京：中国水利水电出版社,2011.
[2]常士骠,张苏民.工程地质手册[M].北京：中国建筑工业出版社（第四版）,2007.
[3]宋岳,段世委,陈书文,等.官厅水库塌岸影响因素分析[J].水利水电工程设计,2004,23（1）：34-37.
[4]程洪涛,代常友.黄土地区水库塌岸的影响因素及预测方法[J].四川建筑,2014（6）：121-123.
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