小浪底庫區(qū)垣曲段塌岸參數(shù)及其影響因素研究

楊金林 吳國宏 劉慶軍 王耀軍

摘要：小浪底庫區(qū)黃土塌岸再造發(fā)育已危及沿岸居民區(qū)、工礦企業(yè)及公路的安全，若想對此類庫岸的塌岸范圍和規(guī)模做出準確的預測評價，預測塌岸參數(shù)是關(guān)健。通過大量調(diào)查，歸納總結(jié)出了橫向類比和縱向類比兩種預測塌岸參數(shù)取值的方法。同時在對小浪底庫區(qū)垣曲段（沈河、毫清河、黃河）和二個類比水庫（三門峽、官廳）典型塌岸的大量現(xiàn)場調(diào)查、參數(shù)實測的基礎(chǔ)上，綜合給出了垣曲段兩種容易產(chǎn)生塌岸的巖土體塌岸關(guān)健參數(shù)水下堆積坡角θ、沖磨蝕坡角α、水上穩(wěn)定坡角β特征值。調(diào)查結(jié)果表明，巖土體結(jié)構(gòu)越松散、庫水動力條件越強、粗粒徑料含量越少，塌岸關(guān)健參數(shù)越小。

關(guān)鍵詞：水庫塌岸；預測參數(shù)；特征值；沖磨蝕型；坍塌型；小浪底水庫

中圖分類號：TV223.2 文獻標志碼：A doi：10.3969/ j.issn.1000-1379.2018.01.022

小浪底水利樞紐蓄水運行后，庫岸再造現(xiàn)象十分普遍，尤其是近兩年，隨著部分地區(qū)遭受強降雨連襲以及庫水位的變化，災害危及的范圍逐漸擴大、人數(shù)日益增多，庫周塌岸地質(zhì)災害問題已直接威脅到當?shù)厝罕姷纳敭a(chǎn)安全，引起了國家的高度重視。因此，準確預測塌岸范圍和規(guī)模是保障小浪底水庫庫區(qū)和周邊地區(qū)和諧穩(wěn)定的前提。20世紀，卡丘金、佐羅塔廖夫、薩瓦連斯基等[1-3]研究了水庫塌岸問題，提出了塌岸預測方向的圖解法和公式法。目前在國內(nèi)水庫塌岸預測中應用最多且相對有說服力的長期塌岸預測方法主要有工程類比法[1-2，4]、圖解法[1-3]、兩段法[5]、圖解修正法[6]。以上塌岸預測方法計算水庫塌岸都涉及到一個關(guān)鍵問題——塌岸預測參數(shù)的選取。截至目前，國內(nèi)外有關(guān)塌岸預測參數(shù)的系統(tǒng)研究甚少，湯明高等[7]對三峽庫區(qū)塌岸預測參數(shù)進行過較為系統(tǒng)的研究，給出了三峽庫區(qū)各種巖土體的塌岸預測參數(shù)及相似水庫的塌岸預測參數(shù)；何元宵[8]給出了不同成因土體塌岸預測參數(shù)建議值并給出了預測參數(shù)的適用范圍。然而，北方的大型河流塌岸參數(shù)研究成果鮮見文端，多采用工程類比或參考卡氏圖選取塌岸預測參數(shù)[9-11]，其預測結(jié)果往往與實際出入較大。因此，本文依據(jù)小浪底庫區(qū)典型黃土岸坡塌岸段實地測量統(tǒng)計資料，對垣曲段黃土塌岸關(guān)鍵預測參數(shù)及其影響因素進行研究。

1 塌岸預測參數(shù)及其調(diào)查取值

1.1 塌岸預測參數(shù)

不同的岸坡結(jié)構(gòu)在小浪底水庫運用方式下產(chǎn)生的塌岸破壞模式有所不同，通過對典型塌岸段（沇河、毫清河及繩池黃河右岸）庫岸塌岸調(diào)查分析，小浪底水庫黃土塌岸模式以沖磨蝕型和坍塌型為主。沖磨蝕型黃土塌岸是在水庫正常運用過程中，庫水升降、風浪、洪水沖刷侵蝕等外力作用下，岸坡物質(zhì)被庫水攜帶走，從而使庫岸邊線后移，庫岸岸坡再造，這種破壞模式在調(diào)查段庫區(qū)較為常見，如沇河、毫清河兩岸塌岸多為此類模式；坍塌型指岸坡坡腳在庫水長期浸泡或河水沖刷作用下，上部物質(zhì)失去下部支撐，出現(xiàn)下挫或坍塌，岸坡物質(zhì)被河水攜帶走出現(xiàn)的一種變形破壞模式。

2012-2013年對庫區(qū)典型塌岸段剖面的測量得知，庫區(qū)典型塌岸段岸坡破壞過程中普遍出現(xiàn)以下特征角：①水下堆積坡角（θ），庫水升降反復沖刷庫岸岸坡，岸坡在水下淺灘形成的穩(wěn)定坡角；②沖磨蝕坡角（α），是指在小浪底水庫正常蓄水位調(diào)度范圍230-275m內(nèi)巖土體的穩(wěn)定坡角；③水上穩(wěn)定坡角（β），小浪底水庫正常高水位275m以上的岸坡，受外界地質(zhì)作用而形成的穩(wěn)定坡角。

通過對沇河4.5km、毫清河7.8km及繩池黃河大橋附近1.8km岸坡的調(diào)查統(tǒng)計分析得知，沖磨蝕型塌岸占總長度的86.8%（長度約12.24km），坍塌型塌岸占總長度的10.9%（長度約1.56km），其余為少量的滑移型。從統(tǒng)計結(jié)果分析，小浪底庫區(qū)以沖磨蝕塌岸為主?？梢姡M行水下沖磨蝕坡角α和水上穩(wěn)定坡角β特征研究非常必要。小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙期間運行水位較低，針對塌岸較為嚴重地段，布置26條斷面，對水下磨蝕坡角進行實測。

1.2 塌岸預測參數(shù)的調(diào)查方法

采用橫向類比調(diào)查和縱向類比調(diào)查方法對小浪底庫區(qū)典型塌岸段關(guān)鍵塌岸預測參數(shù)進行統(tǒng)計分析。

（1）橫向類比調(diào)查。橫向類比調(diào)查法就是通過調(diào)查運行多年類似水庫的塌岸預測參數(shù)來獲得即將運行水庫的塌岸預測參數(shù)。就區(qū)域而言，三門峽水庫與小浪底水庫的地質(zhì)背景較為相近，其水庫的運用方式也有相似之處，因此三門峽水庫塌岸預測參數(shù)具有很好的參考性。

（2）縱向類比調(diào)查。當水庫穩(wěn)定運行一段時間后，庫岸岸坡地貌重分布趨于穩(wěn)定，可以對水庫某一段庫岸進行塌岸參數(shù)實測，以獲得該水庫的塌岸關(guān)鍵預測參數(shù)（θ、α、β）。

2 關(guān)鍵塌岸預測參數(shù)特征值

2012-2013年對26處典型塌岸段進行實測和統(tǒng)計，總結(jié)了黃土塌岸預測參數(shù)特征值。

2.1 沇河沖洪積岸坡塌岸預測參數(shù)特征值

沇河兩岸地貌發(fā)育不對稱，左岸以Ⅰ級階地及洪積扇為主，基本不存在塌岸；右岸為Ⅰ、Ⅱ級階地，存在塌岸。Ⅰ級階地主要為Q4al+pl，Ⅱ級階地為Q3al+pl。右岸岸坡組成物質(zhì)為抗沖蝕能力較低的粉質(zhì)黏土，土體結(jié)構(gòu)均一，垂直節(jié)理發(fā)育，強度低。選取10個典型塌岸剖面進行測量，實測期間野外輕型勘探未見沙礫石層，推測沙礫石層頂面高程在230m以下。此類塌岸為沖磨蝕型。統(tǒng)計（圖1～圖3）得知：沇河右岸粉質(zhì)黏土岸坡水下堆積坡角最小值的均值為3.3°，最大值的均值為9.3°，平均值的均值為6.9°；水下沖磨蝕坡角最小值的均值為5.3°，最大值的均值為13.1°，平均值的均值為8.9°；水上穩(wěn)定坡角最小值的均值為36.5°，最大值的均值為41.5°，平均值的均值為39.1°。

2.2 毫清河沖洪積岸坡塌岸預測參數(shù)特征值

根據(jù)勘探[12]結(jié)果，毫清河岸坡為二元結(jié)構(gòu)，上部以粉質(zhì)黏土夾薄層狀粉土為主，粉土夾層厚度一般為0.30.5m；下部為半膠結(jié)的沙礫石層，沙礫石層埋藏較深，位于小浪底水庫正常低水位230m下。故本次實測典型塌岸物質(zhì)以粉質(zhì)黏土夾薄層狀粉土為主，薄層狀粉土厚0.1～0.3m。根據(jù)野外調(diào)查統(tǒng)計（圖4～圖6）得知：毫清河右岸岸坡水下堆積坡角最小值的均值為3.4°，最大值的均值為8.9°，平均值的均值為6.7°；水下沖磨蝕坡角最小值的均值為6.2°，最大值的均值為12.3°，平均值的均值為9.3°；水上穩(wěn)定坡角最小值的均值為44.5°，最大值的均值為51.4°，平均值的均值為48.1°。

2.3 澠池黃河大橋右岸洪積岸坡塌岸預測參數(shù)特征值

選取繩池黃河大橋右岸5個典型剖面進行實測，其中剖面A-A坡腳出露沙礫石層，沙礫石粒徑一般為2～7cm，中密狀態(tài)，分選、磨圓性較好，呈松散一半膠結(jié)；上部為中密狀態(tài)的粉質(zhì)黏土。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果（表1）得知：繩池黃河大橋右岸附近砂礫石層（剖面A-A）水下堆積坡角最小值為8.0°，最大值為12.0°，均值為11.0°；水下沖磨蝕坡角最小值為22.0°，最大值為24.0°，均值為23.0°；粉質(zhì)黏土岸坡形成的水下堆積坡角最小值的均值為5.5°，最大值的均值為11.0°，平均值的均值為9.0°；水下沖磨蝕坡角最小值的均值為8.8°，最大值的均值為18.3°，平均值的均值為13.8°；水上穩(wěn)定坡角最小值的均值為44.8°，最大值的均值為62.5°，平均值的均值為53.8°。由于松散一半膠結(jié)的沙礫石層密度較大，巖土體結(jié)構(gòu)較為緊密，組成岸坡物質(zhì)粗粒徑較多，因此同等水力條件下，實測的塌岸預測參數(shù)較粉質(zhì)黏土略大。

3 類比水庫塌岸預測參數(shù)特征值統(tǒng)計

為了驗證小浪底庫區(qū)典型塌岸段調(diào)查統(tǒng)計的塌岸參數(shù)，選取運行多年、地形地貌、運用方式和水動力條件相似的三門峽水庫、官廳水庫部分塌岸參數(shù)（見表2，塌岸研究較少，官廳水庫的α、θ及三門峽水庫的α都沒有收集到）進行類比?？芍簺W河水下堆積坡角為6.9°，毫清河水下堆積坡角為6.7°，三門峽水庫水下堆積坡角為6.0°；沇河水上穩(wěn)定坡角為39.1°，毫清河水上穩(wěn)定坡角為48.1°，三門峽水庫水上穩(wěn)定坡角為49°，官廳水庫水上穩(wěn)定坡角為45°。一般情況下，相似的巖土體，如果水動力條件越強，則岸坡越容易產(chǎn)生再造，其塌岸參數(shù)特征值往往越?。环粗?，塌岸參數(shù)特征值越大。鑒于支流（沇河、毫清河）與干流、堆積段庫岸與侵蝕段庫岸的庫水動力條件的差異，統(tǒng)計結(jié)果顯示，支流兩岸岸坡的塌岸特征參數(shù)一般大于干流同類巖土體的塌岸特征參數(shù)。

4 塌岸預測參數(shù)影響因素

4.1 內(nèi)部因素

（1）地層巖性和岸坡結(jié)構(gòu)。地層巖性和岸坡結(jié)構(gòu)是控制塌岸的主要因素。不同地層巖性塌岸的發(fā)育頻度和規(guī)模存在很大差異。不同巖、土岸坡具有不同的抗剪強度和抗沖刷能力，其形成的塌岸預測參數(shù)也有所不同，一般松散的巖土物質(zhì)塌岸預測參數(shù)較小，而顆粒較粗、膠結(jié)較好的物質(zhì)形成的塌岸預測參數(shù)較大。地層巖性不僅直接控制著塌岸預測參數(shù)形成的速度和形式，還決定淺灘的形狀、坡角和寬度。密實的黏土凝聚力大、抗沖性較強，水下淺灘形成較慢。膠結(jié)或膠結(jié)好的沙礫石層抗剪強度較高，抗沖蝕性較強，遇水較穩(wěn)定，形成淺灘寬度較小，塌岸預測參數(shù)較大。

調(diào)查結(jié)果表明：岸坡結(jié)構(gòu)對塌岸預測參數(shù)影響較大。土體粒徑越小，塌岸預測參數(shù)越大；密實度和固結(jié)度越高，塌岸預測參數(shù)越大；級配好的土體塌岸預測參數(shù)大，級配不良的土體塌岸預測參數(shù)小。因此，形成年代久的塌岸預測參數(shù)往往大于形成年代近的土體塌岸預測參數(shù)。

（2）礦物成分。巖土體的礦物成分不同，其礦物間聯(lián)結(jié)力和親水特征也有所不同，親水礦物成分越多，遇水崩解越快，越易形成大量的坍塌和寬緩的淺灘，塌岸預測參數(shù)則越小。

4.2 外部因素

（1）風（浪）作用。水庫蓄水后，水面變得開闊，波浪作用進一步增強，對岸坡的侵蝕與淘刷作用就越強。激浪對庫岸坡角的沖刷、磨蝕和崩積物的搬運，其影響大小取決于激浪強度（浪高與沖刷深度）。強度愈大，塌岸寬度越大，塌岸預測參數(shù)越小。

（2）水庫運用方式。黃河來水挾沙較多，這在一定程度上對塌岸的發(fā)生發(fā)展有一定的減緩作用，使塌岸預測參數(shù)變大。

（3）其他因素。河水結(jié)冰、人類活動往往也影響著庫岸再造進程。

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)，其選取正確與否直接關(guān)系到預測結(jié)果的準確性。本文在對小浪底庫區(qū)幾處典型塌岸段岸坡大量調(diào)查的基礎(chǔ)上，提出了塌岸關(guān)鍵預測參數(shù)取值，形成了小浪底庫區(qū)黃土塌岸較為完善的取值體系。

（2）塌岸預測參數(shù)值是巖土體在不同動力條件下的綜合表征，在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，相似巖土體在不同河段的塌岸預測參數(shù)有所區(qū)別。因此，本文所提供的塌岸預測參數(shù)僅具有統(tǒng)計意義，不能完全反映塌岸預測參數(shù)，但通過大量調(diào)查研究，對小浪底庫區(qū)黃土塌岸有了一個全面的認識。因此，在進行小浪底庫區(qū)黃土塌岸預測時，該成果具有一定的參考價值。

（3）本次統(tǒng)計的塌岸關(guān)鍵預測參數(shù)是在原始數(shù)據(jù)資料基礎(chǔ)上統(tǒng)計得到的，在一定程度上受原始數(shù)據(jù)代表性、準確性的影響。在后期運用中，可根據(jù)實際情況廣泛收集該地區(qū)的塌岸預測參數(shù)，不斷擴充相應的數(shù)據(jù)庫，使預測結(jié)果更加符合實際。

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