小盤河水庫(kù)庫(kù)區(qū)黃土塌岸分析預(yù)測(cè)及庫(kù)岸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

周延國(guó) 吳國(guó)宏 楊金林

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州450003）

塌岸問(wèn)題是水庫(kù)區(qū)主要環(huán)境地質(zhì)與工程地質(zhì)問(wèn)題之一，水庫(kù)塌岸對(duì)水庫(kù)工程影響重大，尤其是在黃土大片覆蓋的黃河流域中游地區(qū)，黃土塌岸直接影響著水庫(kù)正常運(yùn)行、移民安置、庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境治理、交通通訊等工程和設(shè)施的安全。通過(guò)黃土岸坡塌岸破壞機(jī)制分析，研究塌岸主要影響因素及參數(shù)的敏感性，采用預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法對(duì)岸坡塌岸寬度進(jìn)行預(yù)測(cè)，為改善庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境及庫(kù)區(qū)塌岸防護(hù)提供技術(shù)支撐，具有重要的科學(xué)意義。

1 基本地質(zhì)條件

小盤河水庫(kù)工程位于涇河的一級(jí)支流蒲河下游，下距蒲河與涇河匯合口約14km，距離慶陽(yáng)市約50km。小盤河水庫(kù)工程總庫(kù)容約3311 萬(wàn)m3，屬于中型水庫(kù)，正常蓄水位982m，水庫(kù)大壩最大壩高約40m，擬采用混凝土重力壩和均質(zhì)土壩的組合壩型。工程區(qū)位于隴東黃土高原東部，在地貌單元上屬黃土高原溝壑區(qū)。區(qū)內(nèi)溝谷密布，岸坡陡立，地形連綿起伏。黃土塬、梁、峁等黃土地貌形態(tài)交錯(cuò)分布。除河道岸坡局部有基巖裸露外，大部分為第四系黃土所覆蓋，上覆土層厚度100m～300m。自然邊坡：黃土30°～50°，基巖50°～80°，河谷表現(xiàn)為“U”型不對(duì)稱谷。

根據(jù)甘肅省區(qū)域地質(zhì)志，本區(qū)地層分區(qū)屬于隴東區(qū)慶陽(yáng)小區(qū)。區(qū)域內(nèi)主要出露白堊系下統(tǒng)（K1）泥灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、砂巖和第四系地層。

1.1 白堊系下統(tǒng)涇川組（K1j）

該組地層為區(qū)內(nèi)第四系地層的基底，巖性為青灰色泥灰?guī)r、泥巖、灰黃色細(xì)～中砂狀砂巖。巖層產(chǎn)狀為5°～40°/SE∠5°～20°，下壩址左壩肩巖層傾角局部大于10°,但小于20°，其余基巖出露部位巖層傾角均小于10°，較為平緩。

1.2 第四系（Q）

第四系地層在壩址區(qū)分布較廣泛，按其成因分述如下：

a.第四系下更新統(tǒng)午城黃土（Q1w）：兩岸均有分布，主要分布在涇川組基巖之上。巖性為褐黃色重粉質(zhì)壤土局部含薄層褐紅色粉質(zhì)粘土，含有少量鈣質(zhì)結(jié)核，呈堅(jiān)硬～硬塑狀。b.第四系中更新統(tǒng)離石黃土(Q2l)：一般伏于Q3m 馬蘭黃土層之下，呈灰褐色、灰色，均質(zhì)，結(jié)構(gòu)密實(shí)，孔洞不發(fā)育，新鮮面上可見(jiàn)有白色鈣質(zhì)斑點(diǎn)或絲狀物分布，垂直裂隙較發(fā)育，一般含鈣質(zhì)結(jié)核，在庫(kù)區(qū)陡壁底部有少量出露，底部發(fā)育不等厚度的礫石層。c.第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土（Q3m）：主要分布在黃土塬頂部。巖性主要為灰色、淺灰黃色粉質(zhì)壤土，質(zhì)地較均一、結(jié)構(gòu)疏松，常具大孔隙及垂直節(jié)理等。d.第四系全新統(tǒng)沖積物（Q4al）：物質(zhì)組成主要為淺黃色粉質(zhì)壤土和砂礫石，厚度差別較大，5m～15m，分別堆積在沿線河床、漫灘、Ⅰ級(jí)階地。

2 庫(kù)岸類型分類

水庫(kù)區(qū)基巖地層主要為白堊系涇川組（K1j）泥灰?guī)r、砂質(zhì)砂質(zhì)泥巖夾灰黃色細(xì)～中砂狀砂巖，地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育，基巖地層較平緩。區(qū)內(nèi)午城和離石黃土分布廣泛，一般覆蓋于基巖之上。根據(jù)水庫(kù)區(qū)地形地貌、地層結(jié)構(gòu)與庫(kù)水的組合關(guān)系，可分A 類：基巖～黃土庫(kù)岸和B 類：黃土庫(kù)岸兩類。A 類基巖-黃土庫(kù)岸：該類岸坡一般黃土覆蓋于基巖之上，基巖岸坡坡度較陡，約50°，局部近直立；上部黃土岸坡坡度一般25°～40°。天然狀態(tài)下岸坡穩(wěn)定，蓄水后岸坡可能存在塌岸問(wèn)題。根據(jù)基巖出露高程與正常蓄水位的關(guān)系可分為兩類，A1 類為基巖出露高程低于正常蓄水位，A2 類為基巖出露高程高于正常蓄水位。A1 基巖-黃土庫(kù)岸：基巖出露高程低于正常蓄水位，基巖岸坡較陡，約50°，局部近直立，岸坡穩(wěn)定性較好。上部為午城或離石黃土，岸坡坡度一般30°～40°。該類岸坡的黃土受庫(kù)水影響存在塌岸問(wèn)題。該類岸坡約占水庫(kù)庫(kù)岸的4%。A2 基巖-黃土庫(kù)岸：基巖出露高程高于正常蓄水位，岸坡穩(wěn)定性較好。蓄水后庫(kù)水直接沖刷基巖，黃土受庫(kù)水位影響較小。基本不存在塌岸問(wèn)題。該類岸坡約占水庫(kù)庫(kù)岸的53%。B 類：黃土庫(kù)岸：庫(kù)區(qū)分布廣泛，左右岸均有分布。該類岸坡主要由黃土組成，蓄水后存在黃土塌岸問(wèn)題，屬不穩(wěn)定岸坡。該類庫(kù)岸約占水庫(kù)庫(kù)岸的43%。

3 庫(kù)區(qū)塌岸影響因素分析以及塌岸預(yù)測(cè)方法

3.1 庫(kù)區(qū)塌岸影響因素分析

水庫(kù)塌岸作用的誘發(fā)及影響因素的作用強(qiáng)度和延續(xù)性的因素等是多種多樣的。其中波浪的沖刷磨蝕能力與庫(kù)岸巖土體的抗沖刷能力是決定塌岸作用發(fā)生發(fā)展的最本質(zhì)因素。但在一定的自然條件下，塌岸作用的強(qiáng)度與延續(xù)性還跟許多間接因素有密切的關(guān)系。進(jìn)行庫(kù)岸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，必須考慮與之相關(guān)的各種因素，真實(shí)而科學(xué)地評(píng)價(jià)庫(kù)岸岸坡的穩(wěn)定性狀況。

3.2 庫(kù)區(qū)塌岸預(yù)測(cè)方法

前蘇聯(lián)學(xué)者卡丘金通過(guò)對(duì)大量初期資料的研究，特別是塌岸中的速度與波高、巖性及岸高關(guān)系，提出了與波能、巖性及時(shí)間有關(guān)的岸坡塌岸速度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式（1）。卡丘金的方法考慮了塌岸后形成的淺灘并非全部為磨蝕的，其中一部分為由未被波浪搬運(yùn)走的岸壁破壞產(chǎn)物中粗顆粒堆積形成，卡丘金通過(guò)該公式計(jì)算庫(kù)岸的沖刷量，再根據(jù)沖刷量與堆積量的關(guān)系繪制庫(kù)岸再造剖面。后來(lái)人們根據(jù)其基本原理和方法提出了簡(jiǎn)化的卡丘金圖解法。本次選取長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的E.F.卡丘金公式法（圖1）進(jìn)行岸坡塌岸的初步預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，并結(jié)合工程類比，最終確定塌岸的寬度。

E.F.卡丘金計(jì)算公式如下：

式中：St-塌岸寬度（m）；A-庫(kù)水位變化幅度（m）；H- 正常蓄水位以上岸坡高度（m）；γ-原始岸坡坡角（度）；α-水下淺灘坡角（度）；β-水上穩(wěn)定坡角（度）；hB-波浪爬高（m），取0.1～0.8 倍浪高；hp-波浪影響深度（m），相當(dāng)于1～2 倍浪高；B-正常高水位與最低水位之差（m）；N－與組成岸邊坡的土粒有關(guān)的系數(shù)，N 值的大小是根據(jù)組成岸邊坡的物質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)確定的，對(duì)典型黃土來(lái)說(shuō)，一般取1.0。

（1）水下淺灘穩(wěn)定坡角α

水下淺灘坡角（α）的大小不僅與巖性有關(guān)，還與浪高有關(guān)。據(jù)E.F 卡金丘提出的不同種類濱海淺灘水下穩(wěn)定坡角關(guān)系曲線圖查得：粉土為2.00～4.50，粉質(zhì)粘土3.50～6.70，半膠結(jié)粘土60～80，砂礫石層100～250。小盤河庫(kù)區(qū)河流階地堆積物主要為Q1、Q2黃土，巖性以中、重粉質(zhì)壤土為主，綜合考慮地層特征，黃土水下穩(wěn)定坡角取值如下：黃土α 取60～80。

（2）水上穩(wěn)定坡角（β）

水庫(kù)區(qū)岸坡下部基巖穩(wěn)定性較好，上部黃土，強(qiáng)度較高，自然坡度可達(dá)650以上。據(jù)小浪底水庫(kù)資料，黃土類粉土和粉質(zhì)粘土β 為500～600。綜合考慮庫(kù)區(qū)黃土特征，參考小浪底水庫(kù)塌岸資料，小盤河水庫(kù)黃土β 取500～600。

根據(jù)上述黃土塌岸計(jì)算方法及參數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)庫(kù)區(qū)規(guī)模較大、影響到村鎮(zhèn)居民點(diǎn)、耕地果園的主要塌岸地段進(jìn)行分析計(jì)算，據(jù)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)，水庫(kù)區(qū)兩岸塌岸總長(zhǎng)度約3km，總塌岸量約500×104m3，水庫(kù)區(qū)塌岸主要集中在下壩址～劉家河的庫(kù)首河段，其它庫(kù)段塌岸零星分布。

4 庫(kù)岸穩(wěn)定性分段評(píng)價(jià)

依據(jù)庫(kù)區(qū)地形地貌、巖土體工程地質(zhì)特征、地質(zhì)構(gòu)造、岸坡結(jié)構(gòu)類型等因素，結(jié)合水庫(kù)塌岸分級(jí)、滑坡等變形破壞體的穩(wěn)定性分析，可將水庫(kù)區(qū)庫(kù)岸分為不穩(wěn)定庫(kù)岸段、次穩(wěn)定庫(kù)岸段、基本穩(wěn)定庫(kù)岸段和穩(wěn)定庫(kù)岸段。

水庫(kù)回水約16km，水庫(kù)蓄水后，在庫(kù)水作用下，會(huì)發(fā)生一定庫(kù)岸再造，通過(guò)對(duì)庫(kù)區(qū)岸坡穩(wěn)定性調(diào)查，根據(jù)地形地貌、岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)等特征，可將庫(kù)岸大體分為六段。

4.1 下壩址～下孟河段

該段河流彎曲，長(zhǎng)約1300m，河水面高程957m～958.1m，正常蓄水位982m 時(shí)，庫(kù)水位升高23m～24m。水庫(kù)左岸：上壩址軸線上游約300m、下游約150m 范圍屬于黃土岸坡，岸坡類型為B類，為不穩(wěn)定庫(kù)岸段，計(jì)算塌岸寬度約130m；下壩址上游約500m 范圍庫(kù)段岸坡類型屬基巖-黃土庫(kù)岸A2 類，為穩(wěn)定庫(kù)岸；其余庫(kù)段屬基巖-黃土庫(kù)岸A1 類，為不穩(wěn)定庫(kù)岸。水庫(kù)右岸：上壩址軸線上游約400m、下游約200m 范圍屬于基巖-黃土岸坡，岸坡類型為A2 類，為穩(wěn)定庫(kù)岸；其余庫(kù)段屬于黃土岸坡B 類，正常蓄水位時(shí)塌岸較嚴(yán)重，塌岸寬度110m～140m，屬于不穩(wěn)定庫(kù)段。在水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中，該段為黃土塌岸的主要區(qū)域，也是庫(kù)區(qū)固體徑流物質(zhì)的主要來(lái)源之一。

4.2 下孟-劉家河段

該段河流彎曲，長(zhǎng)約2680m，河水面高程為958.1m～962.3m，正常蓄水位982m 時(shí)，庫(kù)水位升高19m～23m。水庫(kù)左岸：岸坡類型屬于基巖-黃土性庫(kù)岸A2 類，庫(kù)水對(duì)庫(kù)岸影響較小，庫(kù)岸穩(wěn)定。水庫(kù)右岸：岸坡類型屬于黃土庫(kù)岸B 類，計(jì)算塌岸寬度50m～90m，屬于不穩(wěn)定庫(kù)段。

4.3 劉家河-莊子洼段

該段長(zhǎng)約1500m，河水面高程為962.3m～969.2m，正常蓄水位982m 時(shí)，庫(kù)水位升高11m～19m。該段庫(kù)岸屬于基巖-黃土性庫(kù)岸A2 類，水庫(kù)蓄水對(duì)庫(kù)岸影響較小，庫(kù)岸穩(wěn)定。

4.4 莊子洼-下河社段

該段長(zhǎng)約1800m，河水面高程為968.7m～969.6m，正常蓄水位982m 時(shí)，庫(kù)水位升高11m～12m。該段右岸階地發(fā)育，高出河水面3m～8m，正常蓄水位時(shí)，將被淹沒(méi)。水庫(kù)左岸：屬于基巖-黃土性庫(kù)岸A2 類，庫(kù)水對(duì)庫(kù)岸影響較小，庫(kù)岸穩(wěn)定；水庫(kù)右岸：屬于黃土庫(kù)岸B 類，經(jīng)計(jì)算，塌岸寬度小于10m，屬不穩(wěn)定岸坡，但塌岸寬度較小。

4.5 下河社-小坪段

該段長(zhǎng)5900m，河谷呈“U”型，河流彎曲。該段河水面高程為969.8m～979m，正常蓄水位982m 時(shí)，庫(kù)水位升高2m～11m，根據(jù)計(jì)算該段僅零星地段存在小規(guī)模輕微塌岸，對(duì)庫(kù)岸影響較小，但該段浸沒(méi)問(wèn)題比較嚴(yán)重。

4.6 小坪-庫(kù)尾

該段位于庫(kù)尾，河谷呈“U”型，河谷寬度65m～100m。河水面高程為979m～982m，兩岸階地發(fā)育，階地一般高出河水面8m～10m。正常蓄水位982m 時(shí)，庫(kù)水位升高僅1～2m，對(duì)庫(kù)岸影響較小，僅零星地段存在小規(guī)模輕微塌岸，岸坡整體穩(wěn)定性好，屬穩(wěn)定庫(kù)岸。

總體來(lái)看，水庫(kù)蓄水后，近壩段岸坡在庫(kù)水及風(fēng)浪作用下會(huì)形成庫(kù)岸再造，對(duì)庫(kù)容形成淤積，應(yīng)加強(qiáng)排沙排於措施。遠(yuǎn)壩段岸坡相對(duì)穩(wěn)定，受水庫(kù)影響相對(duì)較小。從環(huán)境地質(zhì)角度，對(duì)塌岸發(fā)展的最終寬度、穩(wěn)定時(shí)間歷程進(jìn)行預(yù)測(cè)，可為水庫(kù)工程移民安置、庫(kù)區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)提供了借鑒。