北掌水庫庫區(qū)土質(zhì)岸坡塌岸研究

郝永剛

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

1 工程概況

北掌水庫位于山西省汾西縣對竹河一支溝內(nèi)，總庫容465.4萬m3，壩型為均質(zhì)土壩，壩頂高程973.5 m，最大壩高46 m，水庫正常蓄水位971.02 m，庫水回水長度約2.0 km。

庫區(qū)地貌類型為梁峁?fàn)铧S土地貌，庫區(qū)受長期流水侵蝕切割，地形較復(fù)雜，溝谷發(fā)育，黃土梁與溝谷交錯排列。在水庫回水范圍內(nèi)，兩岸多為土質(zhì)岸坡，僅在庫尾基巖裸露。庫區(qū)左岸壩址至三岔口段，自然邊坡15°～20°，三岔口至庫尾段，自然邊坡 30°～60°。庫區(qū)右岸壩址至三岔口段，自然邊坡50°～70°。岸坡上部為上更新統(tǒng)（Q3pl）淡黃色低液限粉（黏）土，厚3～10 m，下部為中更新統(tǒng)（Q2pl）淡紅色低液限黏土夾鈣質(zhì)結(jié)核層構(gòu)成。水庫蓄水后兩岸土質(zhì)岸坡將會產(chǎn)生不同程度的塌岸。

兩岸土層的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。上部Q3pl低液限粉（黏）土天然含水率10.6%～14.0%，平均值12.4%，天然密度 1.37～1.58 g/cm3，平均密度 1.50 g/cm3，干密度1.23～1.43 g/cm3，平均值 1.34 g/cm3，孔隙比 0.890～1.199，平均值 1.027，飽和抗剪凝聚力 c=6.6～17.0 kPa，平均值 12.3 kPa，內(nèi)摩擦角 Φ=20.0°～22.0°，平均值21.0°。下部Q2pl低液限黏土天然含水率7.5%～18.1%，平均值14.6%，天然密度1.39～1.92 g/cm3，平均密度1.70 g/cm3，干密度 1.29～1.67g/cm3，平均值 1.48 g/cm3，孔隙比0.633～1.080，平均值0.837，飽和抗剪凝聚力c=10.4～22.1 kPa，平均值 15.3 kPa，內(nèi)摩擦角 Φ=19.0～24.0°，平均值 21.5°。

2 水庫塌岸影響因素

水庫塌岸影響因素主要有地形地貌、巖層結(jié)構(gòu)和巖性、水的作用、波浪作用、沿岸流及凍融作用、水流沖刷及水庫淤積等。

水庫所處地貌單元，岸坡形態(tài)，包括岸高、岸的坡度、水下岸形、岸坡的曲率及岸坡切割程度等對塌岸的型式、速度、塌岸量和淺灘的形態(tài)有很大的影響。一般岸形彎曲地段，容易發(fā)生塌岸，凸岸地段更易受到?jīng)_蝕，塌岸速度快。山區(qū)河谷型水庫一般岸坡較高，塌岸較寬，但速度較小。庫區(qū)陡坡岸段塌岸嚴(yán)重、寬度范圍也大。

表1 庫區(qū)岸坡原狀土拌物理學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計表

庫岸巖層的層厚、上下層序、各層的出露位置及其物質(zhì)組成和性質(zhì)，直接控制岸壁坍塌的寬度、速度和型式，還決定著淺灘的形狀、寬度和坡角。一般黃土的粉土粒組含量大，孔隙率高，崩解速度快，易形成快速、強(qiáng)烈的坍塌。且水下淺灘坡角小。

水庫回水影響著庫岸地下水動態(tài)變化，也對庫岸土體的物理、力學(xué)、水理性質(zhì)起著很重要影響。庫水的變化幅度與持續(xù)時間對淺灘寬度、坡角影響強(qiáng)烈，一般庫水變化幅度越大，淺灘越寬。庫水持續(xù)時間越長，淺灘坡度越小。

波浪作用主要表現(xiàn)為擊岸浪對岸壁土體的淘刷和磨蝕，對塌落物質(zhì)進(jìn)行搬動，從而加速塌岸過程。

沿岸流主要對凸岸、岸嘴進(jìn)行沖刷，加速塌岸過程。北方水庫凍融作用破壞岸坡土層結(jié)構(gòu)，使土體發(fā)生裂縫和坍塌。庫岸的物理地質(zhì)作用，如風(fēng)化、滑坡現(xiàn)象和地表水沖刷，也會加速塌岸過程。黃土地區(qū)水庫蓄水后泥沙淤積，會導(dǎo)致河床抬高，水深減小，波浪淘刷作用減弱，進(jìn)行減小塌岸寬度和速度。

3 水庫塌岸預(yù)測

3.1 預(yù)測方法

采用二段預(yù)測法和卡丘金預(yù)測法選取典型斷面進(jìn)行預(yù)測計算。

1）兩段法：

具體原理為：預(yù)測塌岸線由水下穩(wěn)定岸坡線和水上穩(wěn)定岸坡線的連線組成時，水下穩(wěn)定岸坡線由原河道多年最高洪水位及水下穩(wěn)定坡腳α確定；水上穩(wěn)定岸坡線由設(shè)計洪水位和毛細(xì)水上升高度H’及水上穩(wěn)定坡腳β確定（圖1）。以原河道多年最高洪水位與岸坡交點(diǎn)A為起點(diǎn)，以α為傾角繪出水下穩(wěn)定岸坡線，該線延伸至設(shè)計洪水位加毛細(xì)水上升高度的高程點(diǎn)B，再過B點(diǎn)以β為傾角繪出水上穩(wěn)定岸坡線，與原岸坡交于點(diǎn)C，C點(diǎn)即為水上穩(wěn)定岸坡的終點(diǎn)。水上穩(wěn)定岸坡線起點(diǎn)B的高程所對應(yīng)的原岸坡D點(diǎn)，與該線終點(diǎn)C之間的水平距離即為預(yù)測的塌岸寬度St。

圖1 兩段法塌岸預(yù)測示意圖

圖2 卡丘金預(yù)測法示意圖

2）卡丘金預(yù)測法

卡丘金法適用于松散沉積層，且波浪較小的水庫，如圖2。其計算公式為：

式中：St——塌岸帶最終寬度，m；

N——與土的顆粒大小有關(guān)的系數(shù)，取N=1.0；

A——庫水位變化幅度，m；

hp——波浪沖刷深度，m，取hp=1.3 m；

hb——波浪爬高，m，取hb=2.23 m；

H——正常蓄水位以上岸坡高度，m；

α——淺灘沖刷后水下穩(wěn)定坡角，（°）；

β——岸坡水上穩(wěn)定坡角，（°）；

γ——原始岸坡坡角，（°）。

3.2 參數(shù)確定

1）水下穩(wěn)定坡角α

臨汾市曲亭水庫庫區(qū)兩岸土質(zhì)岸坡下部為中更新統(tǒng)洪積低液限黏土，與本庫區(qū)兩岸土質(zhì)類似。據(jù)曲亭水庫庫區(qū)兩岸水下穩(wěn)定坡角調(diào)查，其左右岸水下穩(wěn)定坡角略有差異，左岸水下穩(wěn)定坡角11.0°～19.6°，平均值 14.6°，右岸水下穩(wěn)定坡角 14.1°～21.1°平均值17.3°，總平均值15.8°。水下穩(wěn)定坡角α取值參考臨汾市曲亭水庫庫區(qū)水下坡角數(shù)據(jù)，綜合考慮，α取15°。

2）水上穩(wěn)定坡角β

水上穩(wěn)定坡角β取北掌水庫庫區(qū)現(xiàn)狀兩岸土質(zhì)岸天然坡角，Q3pl低液限黏土取45°，Q2pl低液限黏土取55°。

3）低液限黏土層毛細(xì)水上升高度H′

取低液限黏土室內(nèi)毛細(xì)水上升高度試驗(yàn)平均值H′=2.84 m。

3.3 計算成果及評價

在庫區(qū)范圍內(nèi)選取三條典型剖面采用兩段法及卡丘金法進(jìn)行庫區(qū)塌岸寬度及塌岸方量預(yù)測計算。計算成果見表2。

由表可知，兩段法預(yù)測庫區(qū)塌岸寬度范圍30.3～80.4 m，庫區(qū)兩岸長期塌岸總方量215.1×104m3，其中水上塌岸方量 141.3×104m3，水下塌岸方量 73.8×104m3?？ㄇ鸾痤A(yù)測法庫區(qū)兩岸塌岸寬度范圍33.5～81.1 m，庫區(qū)兩岸長期塌岸總方量161.1×104m3，其中水上塌岸方量 110.5×104m3，水下塌岸方量 50.6×104m3。兩種方法預(yù)測塌岸寬度范圍接近，其中卡丘金預(yù)測法估算塌岸方量要小于兩段法。上述兩種方法均假定庫區(qū)岸坡塌方土方被庫水帶至下游，直至岸坡處于穩(wěn)定狀態(tài)下所算塌岸寬度及方量。實(shí)際情況，隨著庫區(qū)兩岸塌岸進(jìn)行，庫容達(dá)到一定淤積后，兩岸塌岸最終寬度及方量要小于上述計算值。

表2 庫區(qū)土質(zhì)岸坡塌岸寬度及塌岸方量計算成果表

4 結(jié)論及措施建議

北掌水庫總庫容465.4萬m3，庫水回水長度約2.0 km。北掌水庫兩岸土質(zhì)岸坡塌岸嚴(yán)重，預(yù)測庫區(qū)塌岸寬度范圍 30～80 m，塌岸方量 161.1～215.1 萬 m3，對庫容及大壩安全均造成威協(xié)，建議對庫區(qū)土質(zhì)岸坡塌岸線范圍內(nèi)的岸坡進(jìn)行削坡或防護(hù)處理，邊坡坡度庫水位以上按 45°～55°考慮，庫水位以下按 13°～15°考慮。此外，大壩壩型為均質(zhì)土壩，庫區(qū)兩岸第四系中、上更新統(tǒng)低液限黏土均可作為土料使用，庫區(qū)兩岸土質(zhì)岸坡削坡土料可作為上壩土料使用。