新建車村水庫岸坡類型及塌岸預(yù)測

胡向陽， 魯博， 侯智斌

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司， 西安 710065)

水庫蓄水后伴隨庫水位的周期性抬升消落及波浪作用，岸坡在庫水浸泡、干濕交替、風(fēng)浪沖擊、水流侵蝕等作用下，改變了松散岸坡的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件，導(dǎo)致巖土體物理力學(xué)參數(shù)降低，庫岸穩(wěn)定性變差[1-2]，從而發(fā)生坍塌作用，形成與新環(huán)境條件相適應(yīng)的庫岸形態(tài)，這種因水庫蓄水造成的庫岸再造變形破壞稱為水庫塌岸。水庫塌岸是水庫區(qū)常見的一類工程地質(zhì)問題，因此需要在工程前期調(diào)查清楚塌岸影響范圍，查明塌岸對庫區(qū)沿岸重要建筑物的影響以及對水庫總庫容的影響。庫區(qū)塌岸作為水庫區(qū)的突出災(zāi)害之一，嚴重時會影響整個水庫的正常運行，因此針對庫區(qū)工程地質(zhì)條件，提出預(yù)測塌岸的方法，并做出合理預(yù)測，是工程設(shè)計和施工的關(guān)鍵理論依據(jù)。

目前常用的預(yù)測塌岸方法有卡丘金法、佐洛塔寥夫法、兩段法、岸坡結(jié)構(gòu)法和沖淤平衡法等[3]?？ㄇ鸾鸱ㄒ罁?jù)實測的水位變動帶下各類巖土體的長期穩(wěn)定坡角，以幾何關(guān)系圖解去預(yù)測水庫塌岸，預(yù)測時必須對已有的岸坡塌岸進行觀測，以獲得較為準確的計算參數(shù)[4]，如果庫岸為基巖-黃土結(jié)構(gòu)時，基巖面隨地形的抬升起伏坡度較大，此時卡丘金公式法不適用，應(yīng)要結(jié)合實際的地形地質(zhì)條件，如果未考慮其預(yù)測起點以下的穩(wěn)定性，對峽谷型岸坡塌岸，預(yù)測的塌岸寬度比實際大許多[5]。佐洛塔寥夫法適合水下地形緩的情況，即水下原始斜坡低于水下堆積體前緣坡度，適合于平原型水庫。而沖淤平衡法適合于水下地形陡的情況，堆積物在水下形成堆積斜坡，參考佐洛塔寥夫法的思路，這種水下堆積斜坡并不是最終平衡狀態(tài)，進一步堆積就會出現(xiàn)水下淺灘，因此沖淤平衡法是在非平衡狀態(tài)下做出的預(yù)測，存在本質(zhì)缺陷。兩段法是一種類比法，水上穩(wěn)定坡角和水下穩(wěn)定坡角所選取的參數(shù)不同，其預(yù)測塌岸寬度時，應(yīng)與卡丘金法進行比較，驗證其合理性，科學(xué)的取舍坡角參數(shù)，其適用性有待進行大量觀測證明。岸坡結(jié)構(gòu)法[6]根據(jù)岸坡上不同物質(zhì)的水下堆積角、沖磨蝕角、水上穩(wěn)定坡角和水庫蓄水的正常水位和最高水位來進行預(yù)測，考慮了不同水庫岸坡地形和巖土類型，適用于峽谷型水庫塌岸。目前的眾多方法依舊在岸坡塌岸預(yù)測方面起很大作用，但是針對不同的實際情況選取的岸坡預(yù)測方法不同。黃土具有強水敏性，易于塌岸。王永春[7]、盧功臣[8]及郝永剛[9]等對黃土地區(qū)的水庫塌岸案例分析，皆采用了卡丘金法；劉天翔[10]、劉興旺等[11]、張強[12]、黃軍學(xué)等[13]及吳炳富[14]都認為塌岸的形成條件與堤岸地形地貌特征、岸坡巖土體性質(zhì)、岸坡結(jié)構(gòu)、地下水作用等有關(guān)，受水庫的個體特征影響顯著；王靜等[15]進一步考慮了各影響因素的權(quán)重，利用層次分析法建立塌岸危險性評價指標體系，對黃河寧蒙段兩岸的塌岸危險性進行評價。其實各種方法并沒有優(yōu)劣之分，李鵬等[16]認為采用何種方法更多取決于水庫的岸坡地形和巖土體類型。

以陜西省引漢濟渭鯨魚溝調(diào)蓄工程的新建車村水庫為研究對象，通過野外地質(zhì)調(diào)查，對新建車村水庫的岸坡類型以及巖土性質(zhì)進行分類，采用卡丘金法和岸坡結(jié)構(gòu)法相結(jié)合的方式對鯨魚溝庫區(qū)塌岸量做出預(yù)測，并預(yù)估塌岸量占總庫容的比例，可以對庫區(qū)的設(shè)計及施工提供一定的參考依據(jù)。

1 工程概況

西安市白鹿塬鯨魚溝內(nèi)目前已修建有紅旗水庫、車村水庫、楊家溝水庫和鹿塬水庫，主要承擔供水、灌溉、防洪、旅游等任務(wù)，但目前4個水庫的庫容都較小，難以滿足兩岸居民飲水、灌溉等需求。為了進一步增加庫容，擬在紅旗水庫壩址上游約1 km處修建新水庫，命名為新建車村水庫，其具體位置見圖1。新建車村水庫初擬最大壩高86 m，正常蓄水高水位550 m時，回水至楊家溝水庫壩址下游，回水長約6.6 km，此時的相應(yīng)庫容為3 701.74 萬m3。正常蓄水位與死水位之間的調(diào)節(jié)庫容(有效庫容)為2 721.7 萬m3，水庫消落高度為32 m。

圖1 新建車村水庫位置Fig.1 Location of newly-built Checun Reservoir

新建車村水庫所在溝谷為浐河一級支溝，河谷呈“V”字形，對稱度差，呈現(xiàn)出左岸較陡右岸較緩的特點，同時兩岸廣布第四系黃土地層。庫區(qū)岸坡的上部有連續(xù)分布的自全新世到早更新世的第四系黃土地層，在兩側(cè)塬頂，黃土層平緩，大致和地表平行。尤其在鯨魚溝溝口和兩岸的斜坡地帶，全新統(tǒng)黃土被剝蝕，中更新統(tǒng)上部和晚更新統(tǒng)的地層(L1、S1、L2、S24層黃土古土壤)順坡披覆，黃土和其中的古土壤層順坡披覆在更老的黃土和第三系砂泥巖之上，地層產(chǎn)狀大致和斜坡坡向一致，其鯨魚溝兩岸斜坡平緩的地帶，黃土披覆在整個岸坡上。此次工程是在黃土地區(qū)建設(shè)的水庫，其設(shè)計將原水位抬高了近60 m，擴大了整個水庫區(qū)的庫容量，隨著水庫蓄水的開始，庫岸岸坡會遭到強烈的水流沖刷和侵蝕，產(chǎn)生的塌岸量會導(dǎo)致河道的阻塞和庫內(nèi)淤泥量的沉積。

2 庫區(qū)岸坡類型

為了對鯨魚溝新建車村水庫的塌岸范圍及塌岸量進行準確預(yù)測，需要將庫區(qū)岸坡類型進行分類。在對新建車村水庫匯水區(qū)附近的塌岸情況進行調(diào)查，并對新建車村水庫附近的岸坡進行統(tǒng)計與整理后發(fā)現(xiàn)，目前庫區(qū)共存在4種岸坡類型，即砂泥巖岸坡、黃土岸坡、殘坡積層岸坡和滑坡堆積岸坡。根據(jù)岸坡調(diào)查和水下斷面的測量結(jié)果，各類巖土岸坡的塌岸具有以下特點。

(1)砂泥巖岸坡：第三系灞河組的砂泥巖，致密堅硬，砂巖為鈣質(zhì)膠結(jié)，泥巖中含鈣板層，抗侵蝕能力強，因此該類岸坡僅表層坡積層和強風(fēng)化帶被侵蝕，到弱風(fēng)化帶則不易侵蝕，不再發(fā)生塌岸?，F(xiàn)場測得水位變動帶坡度和地表原始坡度基本一致，說明塌岸后的地形受基巖地形控制，砂泥巖岸坡典型的工程地質(zhì)剖面圖見圖2。

(2)黃土岸坡：庫區(qū)兩岸L1～S2的黃土地層順塬頂一直披覆至溝底，但是大部分地段的黃土發(fā)生滑坡或被沖溝侵蝕，在半坡上殘留下直立的黃土滑坡后壁或侵蝕殘留的黃土陡坎。也有部分延伸到溝底的黃土披蓋仍然保留，由于兩側(cè)沖溝發(fā)育，形成自塬頂?shù)綆彀兜狞S土長梁，這部分水庫的庫岸為黃土岸坡，塌岸后的黃土岸坡在水上形成近直立的陡坎，水位變動帶形成緩坡。其典型的工程地質(zhì)剖面圖見圖3。

(3)殘坡積層岸坡：庫岸中下部披覆的黃土被剝蝕后，在第三系砂泥巖之上形成殘坡積地層，在較陡的砂泥巖坡段殘坡積層較薄，可將其作為砂泥巖岸坡處理；沿大的沖溝兩側(cè)的下部殘坡積層較厚，地形較緩，在庫區(qū)兩岸大部分地段是竹林，因此大部分坡積層庫岸被竹林和其他植被覆蓋，露頭較少。殘坡積層岸坡的典型工程地質(zhì)剖面見圖4。

(4)滑坡堆積岸坡：庫區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)共有6處大型黃土古滑坡，這6處古滑坡的滑體物質(zhì)都是黃土，其中黃土、古土壤和結(jié)核層擠壓摻雜在一起，結(jié)構(gòu)破碎，部分滑坡體底部可見第三系砂泥巖夾雜在黃土中間。水庫蓄水后，將淹沒滑坡體的中上部，該部分物質(zhì)以黃土為主，因此滑坡堆積體的水下磨蝕角仍參考黃土取值?；露逊e岸坡的典型工程地質(zhì)剖面圖見圖5。

圖2 砂泥巖岸坡Fig.2 Sand and mudstone bank slope

圖3 黃土岸坡Fig.3 The loess slope

圖4 滑坡堆積岸坡Fig.4 Landslides piled up bank slpoe

圖5 殘坡積層岸坡Fig.5 Residual slope sedimentary bank slope

3 塌岸預(yù)測

3.1 塌岸預(yù)測方法

新建車村水庫屬于峽谷型水庫，基于對眾多塌岸方法的分析，適合采用卡丘金法和岸坡結(jié)構(gòu)法相結(jié)合的方法來預(yù)測此類型水庫塌岸問題，即水下岸坡較陡，不考慮水下淤積對水上塌岸的影響，水上塌岸線按不同巖土性質(zhì)分別予以考慮。新建車村水庫的正常蓄水位為550 m，在壩前比當前水位高出60 m。由于砂泥巖和殘坡積層的發(fā)育高程較低，因此在水位抬升以后，砂泥巖岸坡和殘坡積層岸坡會比現(xiàn)有水庫減少，而黃土岸坡和滑坡堆積岸坡會比現(xiàn)有水庫增多，但這四種岸坡類型都會出現(xiàn)。

3.1.1 卡丘金法

卡丘金法適用于松散沉積層，且波浪較小的水庫，預(yù)測模型見圖6。其計算方法為

St=N[(A+hp+hb)cotα+(H-hb)×

cotβ-(A+hp)cotγ]

(1)

式(1)中：St為塌岸帶最終寬度；N為與土顆粒大小有關(guān)的系數(shù)；A為庫水位變化幅度；hp為波浪沖刷深度；hb為波浪爬高；H為正常蓄水位以上岸坡高度；α為淺灘沖刷后水下穩(wěn)定坡角；β為岸坡水上穩(wěn)定坡角；γ為原始岸坡坡角。其中波浪爬高hb的計算方法為

hb=3.2KdHtanα

(2)

式(2)中：Kd為與被沖刷岸坡表面粗糙度有關(guān)的系數(shù)，砂質(zhì)岸坡取0.55～0.75，拋石岸坡取0.78～0.80，礫石岸坡取0.85～0.90，混凝土岸坡取1.00。在對新建車村水庫的岸坡類型、巖土體類型進行綜合分析后，取毛細水上升高度hb=2 m。

3.1.2 岸坡結(jié)構(gòu)法

岸坡結(jié)構(gòu)法是根據(jù)山區(qū)河道型水庫的特點，針對不同的岸坡類型、結(jié)構(gòu)和塌岸模式采用不同的預(yù)測模型進行預(yù)測，依據(jù)岸坡上各種不同巖組的水下堆積坡角、沖磨蝕角、水上穩(wěn)定坡角以及水庫的設(shè)計低水位、設(shè)計高水位進行預(yù)測。其計算模型見圖7。

圖6 卡丘金法示意圖Fig.6 Diagram of the Katchukin method

η為不同物質(zhì)的水下堆積坡角；α為不同物質(zhì)的沖磨蝕坡角；β為不同物質(zhì)的水上穩(wěn)定坡角；S為預(yù)測塌岸寬度圖7 岸坡結(jié)構(gòu)法示意圖Fig.7 Schematic diagram of bank slope structure method

3.2 參數(shù)確定

根據(jù)此次水庫工程的設(shè)計，新建水庫的死水位為518 m，正常蓄水位為550 m，水庫建成之后的水位變動幅度為32 m。在現(xiàn)狀水位條件下庫區(qū)大部分地段被河水淹沒，同時也存在部分地段無水的情況。因此塌岸線起始點自當前水位線算起，若當前溝底沒有被水庫淹沒，自當前溝底算起。

新建車村水庫壩址下游的紅旗水庫于1977年10月建成蓄水，其兩岸水位變動帶范圍內(nèi)發(fā)育有裸露的黃土岸坡和殘坡積土岸坡。經(jīng)過四十多年的河水侵蝕作用，兩岸岸坡已基本穩(wěn)定，因此可將水位變動帶范圍內(nèi)黃土岸坡和殘坡積土岸坡的坡角定義為水庫蓄水后對應(yīng)岸坡的水下磨蝕角。此次用羅盤測量了紅旗水庫左岸某處殘坡積土岸坡和右岸某處黃土岸坡的水下磨蝕角，統(tǒng)計結(jié)果見表1。由表1可見，黃土岸坡的水下磨蝕角度在14°～22°，坡度最集中的區(qū)間在17°～19°，因此將黃土岸坡的水下磨蝕角定為18°；而殘坡積岸坡的水下磨蝕角度在21°～29°，坡度主要集中在24°～26°，因此將殘坡積土的水下磨蝕角定為25°。

表1 水下磨蝕角統(tǒng)計表Table 1 Statistics of underwater abrasion angle

對有殘坡積覆蓋的砂泥巖岸坡只考慮2 m厚的殘坡積及強風(fēng)化層塌岸，水下磨蝕角取α=25°，對裸露的弱風(fēng)化砂泥巖不考慮塌岸；殘坡積層強風(fēng)化層坡度如果低于25°，不會發(fā)生塌岸，大于25°則水下磨蝕角α=25°；滑坡堆積體坡度如果低于18°，不會發(fā)生塌岸，大于18°則水下磨蝕角α=18°；黃土岸坡如果低于18°，不考慮塌岸，大于18°則水下磨蝕角α=18°。

根據(jù)野外實地調(diào)查可知，只有黃土岸坡塌岸后形成水上塌岸坡，黃土直立性好，形成直立岸坡，但是坡腳有堆積土，坡度緩，綜合坡腳堆積土和直立陡坎，水上穩(wěn)定坡角β≈70°。由于在550 m高程之上殘坡積土、滑坡堆積土岸坡出現(xiàn)的坡段極少，因此對殘坡積土岸坡、滑坡堆積土岸坡和黃土岸坡，水上岸坡坡角統(tǒng)一取為β=70°。由于鯨魚溝植被茂盛，以上原則并未考慮植被的影響，根據(jù)現(xiàn)有庫岸的情況看，若考慮植被對塌岸的抑制作用，實際塌岸量不會超過按此估計的量，因此本次計算的塌岸量是偏保守的。

3.3 預(yù)測原則

(1)首先在庫區(qū)工程地質(zhì)平面圖上按庫岸的巖土體類型進行分段，在同一種巖土體分段中，按斜坡地形分小段，盡可能使同一小段巖性相同、地形坡度相同。

(2)在每一小段切取一個代表性段斷面，按以上原則做出塌岸線預(yù)測剖面，在剖面上統(tǒng)計塌岸寬度、塌岸方量及入庫方量(入庫量為552 m高程之上的塌岸方量，考慮了2 m的波浪爬高)。

(3)將每一小段的塌岸方量和入庫量乘以斷面所代表的庫岸線長度，即為該段塌岸方量和入庫量，把所有庫段的量累加則得總的塌岸方量和入庫量。

3.4 預(yù)測模型

針對庫區(qū)內(nèi)不同岸坡類型以及兩岸的岸坡結(jié)構(gòu)進行塌岸量預(yù)測，從51條剖面中選取了幾種典型的岸坡剖面進行分析，岸坡的典型塌岸預(yù)測剖面如圖8所示。

圖8 典型剖面的預(yù)測塌岸模型Fig.8 Prediction model of bank collapse in typical section

4 結(jié)果分析

此次在庫區(qū)共規(guī)劃了51個剖面段來預(yù)測庫區(qū)的塌岸量情況，庫區(qū)左右岸的總塌岸量、入庫量計算結(jié)果見圖9，塌岸寬度計算結(jié)果見圖10。

經(jīng)過計算可得，庫區(qū)總塌岸量為567.5 萬m3，總?cè)霂炝繛?30.3 萬m3。在對庫區(qū)各剖面段的塌岸量進行統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，在其他條件相似的情況下，黃土岸坡和滑坡堆積岸坡因為水下磨蝕角取值較小的原因塌岸量較大，殘坡積土岸坡的水下磨蝕角取值較大且單層厚度偏薄故塌岸量較小，而砂泥巖岸坡抗侵蝕能力較強基本不發(fā)生塌岸。

同時由圖9可見，庫區(qū)有三個地段的塌岸量較大，分別為新建水庫壩址附近、鯨魚溝景區(qū)和伯坊村。三個區(qū)間內(nèi)的塌岸量分別為597 682.36、574 458.70、457 165.35 m3。因此在水庫建成蓄水后，這三個地段是庫區(qū)內(nèi)需要重點關(guān)注的水庫岸坡。

圖9 庫區(qū)各剖面段塌岸量與入庫量Fig.9 The profile of the area of bank collapse and storage quantity

圖10 庫區(qū)各剖面段的塌岸寬度Fig.10 The width of the paragraph section of the collapsed bank of the reservoir area

(1) 新建車村水庫壩址附近。位于新建車村水庫上游0.3 km左右，此處現(xiàn)狀河水位為490.0 m，在水庫建成之后庫水位會抬升60.0 m，因此此處也是整個庫區(qū)水位變動幅度最大的地段。同時由于左岸為黃土岸坡且坡度較陡，故塌岸量是庫區(qū)內(nèi)最大的，左岸塌岸影響寬度達80.39 m。而右岸發(fā)育有竹林，竹林坐落在第三系砂泥巖之上，而砂泥巖岸坡基本不發(fā)生塌岸，故右岸塌岸影響范圍較小僅13.35 m，所以該地段的塌岸量主要由左岸黃土岸坡所貢獻。

(2) 鯨魚溝景區(qū)。位于新建車村水庫上游1.0 km左右，左岸為滑坡堆積岸坡，右岸為鯨魚溝景區(qū)最著名的景點“竹海”，為黃土岸坡。由圖10可知，該地段右岸的塌岸影響寬度為66.34 m，左岸的塌岸影響寬度為42.75 m，造成兩岸塌岸影響寬度差異較大的主要原因是右岸的坡度較左岸陡。

(3) 伯坊村。位于新建車村水庫上游5.0 km左右，距伯坊村古滑坡500 m，其右岸為階梯狀(臺階式)的伯坊村，是之前的舊村莊建設(shè)地，已成為農(nóng)業(yè)地，其岸坡類型為黃土岸坡；左岸毗鄰一條大型沖溝，地層以中更新世晚期和晚更新世的黃土披覆為主，其岸坡類型也為黃土岸坡。由圖10可知，左岸的塌岸寬度為55.0 m,右岸的塌岸寬度為34.66 m。兩岸的岸坡類型相同，但是左岸沖溝的存在使得岸坡較陡，水庫建成蓄水后左岸的塌岸影響范圍較大。

5 結(jié)論

針對白鹿塬地區(qū)鯨魚溝水庫的庫岸類型進行了實地勘察，劃分了51個剖面并采用卡丘金法和岸坡結(jié)構(gòu)法相結(jié)合的方式，預(yù)測了庫區(qū)內(nèi)不同地段不同岸坡類型的塌岸量，得出了以下結(jié)論。

(1)新建車村水庫庫區(qū)共存在4種岸坡類型，分別為砂泥巖岸坡、黃土岸坡、滑坡堆積岸坡及殘坡積層岸坡。4種岸坡類型對塌岸量的影響由大到小排序依次為：黃土岸坡、滑坡堆積岸坡、殘破積層岸坡及砂泥巖岸坡。其中砂泥巖岸坡對塌岸基本無影響。

(2)鯨魚溝新建車村水庫正常蓄水位550 m時，總庫容3 701.7 萬m3，正常蓄水位與死水位之間的調(diào)節(jié)庫容為2 721.7 萬m3。庫區(qū)內(nèi)預(yù)測的總塌岸量為567.5萬m3，占總庫容的3/20，因此塌岸對水庫正常運行影響較小。

(3)新建車村水庫壩址附近、鯨魚溝景區(qū)、伯坊村等剖面段塌岸量平均45 萬m3，塌岸寬度平均50 m，是庫區(qū)內(nèi)塌岸量最大的地段，對水庫運行影響最大。因此在后期進行設(shè)計和施工時應(yīng)重點關(guān)注此地段。