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(zhǔn)確的預(yù)測評價，預(yù)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(yù)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(yù)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(biāo)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(zāi)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(zāi)害問題已直接威脅到當(dāng)?shù)厝罕姷纳敭a(chǎn)安全，引起了國家的高度重視。因此，準(zhǔn)確預(yù)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(jì)，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(yù)測方向的圖解法和公式法。目前在國內(nèi)水庫塌岸預(yù)測中應(yīng)用最多且相對有說服力的長期塌岸預(yù)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(yù)測方法計算水庫塌岸都涉及到一個關(guān)鍵問題——塌岸預(yù)測參數(shù)的選取。截至目前，國內(nèi)外有關(guān)塌岸預(yù)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(yù)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(yù)測參數(shù)及相似水庫的塌岸預(yù)測參數(shù)；何元宵[8]給出了不同成因土體塌岸預(yù)測參數(shù)建議值并給出了預(yù)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(yù)測參數(shù)[9-11]，其預(yù)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(yù)測參數(shù)及其影響因素進行研究。

1 塌岸預(yù)測參數(shù)及其調(diào)查取值

1.1 塌岸預(yù)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(fēng)浪、洪水沖刷侵蝕等外力作用下，岸坡物質(zhì)被庫水?dāng)y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?dāng)y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(fù)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?，進行水下沖磨蝕坡角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(yán)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(yù)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(yù)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(yù)測參數(shù)來獲得即將運行水庫的塌岸預(yù)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(yù)測參數(shù)具有很好的參考性。

（2）縱向類比調(diào)查。當(dāng)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(yù)測參數(shù)（θ、α、β）。

2 關(guān)鍵塌岸預(yù)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(yù)測參數(shù)特征值。

2.1 沇河沖洪積岸坡塌岸預(yù)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(yù)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(yù)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(yù)測參數(shù)較粉質(zhì)黏土略大。

3 類比水庫塌岸預(yù)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??；反之，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(yù)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(yù)測參數(shù)也有所不同，一般松散的巖土物質(zhì)塌岸預(yù)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(yù)測參數(shù)較大。地層巖性不僅直接控制著塌岸預(yù)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(yù)測參數(shù)較大。

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

4.2 外部因素

（1）風(fēng)（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(yù)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(yù)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(yù)測參數(shù)是塌岸預(yù)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(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)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(yù)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(yù)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(yù)測參數(shù)有所區(qū)別。因此，本文所提供的塌岸預(yù)測參數(shù)僅具有統(tǒng)計意義，不能完全反映塌岸預(yù)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(rèn)識。因此，在進行小浪底庫區(qū)黃土塌岸預(yù)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(yù)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(zhǔn)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(yù)測參數(shù)，不斷擴充相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，使預(yù)測結(jié)果更加符合實際。

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