关寰宇
梧州水力电力设计院 广西梧州 543002
摘要：水库蓄水过程中，水库塌岸是经常频发的地质问题之一。在水库进行蓄水以后，实际水库塌岸现象和预期估计存在很大的差异，针对我国已经完成的大型水库进行调查，探讨现有预测塌岸的方法，最适合什么条件下的预测，以及影响塌岸的因素等，从而根据实际情况提出冲堆平衡法来有效预测水库塌岸。大量实验数据和结果显示，这种方法弥补了原来传统预测方法的不足之处，塌岸起算点和预测参数更加科学，预测塌岸准确性也得到了提升，从理论上也更加贴近真实状况，这种预测具有推广和实际应用价值。
关键词：水利工程；塌岸；预测方法；冲堆平衡法
水库蓄水后，土质岸坡发生的坍塌破坏现象，又称水库边岸再造。它是某些水库的重要环境地质问题。而在开始提出的卡丘金法和卓洛塔寥夫法，在现在的水利工程中仍然用来预测水库塌岸，并且对以后的塌岸预测有一定的作用意义。随着时间推移，我国的专家学者也总结出水库塌岸预测的方法，例如，两段法、三段法、岸坡结构法等，这些预测方法在实际的水利工程中，都得到了广泛的使用，并且具有一定程度的作用意义。但是，自然地质条件还存在一定程度上的不确定性以及复杂性，而这些方法都是定量、定性的，物理和数学方程不能够够直接、有效地解决实际的水库塌岸问题。通常情况下，起算点都是在低水位时或者是低水位加上水波实际影响范围进行确定的，通过塌岸的实际情况和机制，总结出冲堆平衡法，通过应用实例进行分析，希望可以给水库塌岸预测提供理论支撑。
一、塌岸预测方法简述
（一）卡丘金法
前苏联的卡丘金提出，按照几何关系计算出塌岸最终的预测宽度，这种方法以卡丘金的名字进行命名，而这种方法则试用于土壤类型是黄土层或者是平原地区的水库。将这种方法运用到山区峡谷型水库的塌岸预测上，所预测的结果和实际塌岸差距很大，而塌岸的实际情况比预测塌岸范围小很多[1]。导致这种情况的根本原因可能预测方法中，给出的浅滩坡角度比较小，或者是和砂卵石岸坡的角度有关，其工作原来如图1所示。
图1 卡丘金法预测图
（二）卓洛塔寥夫图解法
这种方法认为，产生塌岸的主要因素是水的波浪起到主要作用的，针对松散堆积的岸坡，较大型水库的中游或者是下游区域，可以使用这种方法进行预测塌岸。这种方法虽然充分的考虑到了水库下方的堆积状况，起算点依然是在水库的低水位，但是在实际预算过程中涉及到的参数数量较大，复杂程度高，尤其是冲蚀浅滩坡度比较小，只有几度的情况下，预测结果和调查结果有很大差距，而预测结果也不是特别理想。其工作原理如图2所示。
图2 卓洛塔寥夫预测图
（三）两段法
我国学者通过对现有大型水库塌岸进行深入研究，提出两段法指导某铁路线的塌岸预测设计，并且这种方法得到了成功应用。实际的起算点是原来河道中最高洪水水位，对一些小型水库，水位波动不大的水库预测效果十分良好。但是对于水位抬升比较大的水库，预测结果比实际结果大很多，通过分析得出，影响误差出现的原因，可能是起算点的位置偏低导致[2]。其工作原理如图3所示。
图3 两段法预测塌岸图
二、冲堆平衡法原理
因为山区峡谷型的水库河谷相对比较狭窄，受到风量影响比较小，水库实际的水流速度也相对较小，当水库水位以下形成堆积地形时，水库水位变化，导致水库下方土体出现垮塌现象，土体变得松散，土体体积随之增加，其中较细的颗粒会被水流带走，所以，堆存系数使用n来代表[3]。其原理是使用塌岸不稳定土体体积乘以堆存系数等于原来堆积土体体积的原理，使用水位下方的稳定坡度、冲蚀坡度角、水位上方稳定坡度角等，再结合水库实际的特征水位进行画图，最后连结成冲堆平衡法图解体系。如图4所示。所以在预算塌岸的计算过程中，忽略风浪对塌岸预算的影响，只是用失去稳定性的土体体积乘以堆存系数，也是能够满足计算的。
图4 塌岸计算图解
塌岸计算图解中，实际体积可以使用面积来代替，然后进行计算，因为山型水库受到风量的影响较小，可以忽略不计，而冲蚀坡脚、稳定坡脚（分为水下和水上两个），实际的堆存系数，都可以在进入水库现场进行调查，或者是根据预测经验来进行确定。而这种冲堆平衡法涉及到的参数相比其他方法要少很多，参数也不是很复杂，并且还容易获取，预测的结果和实际结果差距较小，理论和实际更加接近。
三、冲堆平衡法注意事项
第一，这种方法适用于坍塌型和冲蚀型水库塌岸的预测。第二，实际的特征水位，要按照水库在正常情况下的蓄水状况进行确定。蓄水位以上预测参数适用水上稳定坡角，水位以下使用冲蚀坡角，而堆积部分则使用水下堆积稳定坡角。第三，稳定坡角、冲蚀坡脚等预测参数，要根据水库现场的调查数据或者是通过类比的方法来确定。第四，水下堆积稳定坡角要按照不同的死水水位进行确定。水位上部要陡峭一些，下部要相对平缓。第五，堆存系数的选择要根据土体不同的种类，进行确定。土体颗粒越大留下的就越多，相对堆存的系数就越大，砾类土体堆存系数比粗粒土体小，细粒土体堆存系数最小。因为堆存土体的呈现松散状态，体积也比原来土体要大，其堆存系数可以选择1.0、1.1、1.2，这种情况是堆存区在水下。而在水上的堆存区，会随着水位下降，带走细颗粒的土体，所以堆存系数就会变小。通过调查分析得出，砾卵石堆存系数大概在0.8左右，细土可能会达到0.4左右，而砾土类则处在二者之间[4]。
四、应用实例和验证
下面我们以世界第一高度的水电站为例，探究冲堆平衡法在预测水库塌岸的实际应用。电站水库蓄水位在正常情况下是1880m左右，死水水位比正常水位低80m，水库的落差在80米左右。水涵子处在小金河内，这个区域都是由一些碎石土所构成，碎石土层下面是粉砂质板岩，在水位下部是堆积地形。确定稳定坡角，水上是五十度，水下是二十二度，冲腐蚀角是三十度，其堆存系数是0.85，使用卓洛塔寥夫法以及岸坡结构法，进行比较分析，其剖面图如图5所示。
图5 坡面塌岸图解
这个水库在12年11月底进行蓄水工作的，蓄水过程可以分为4各阶段。在第三个阶段，也就是水位达到1840m左右时出现了塌岸现象，塌岸宽度达到20m，土体没有完全塌掉，而是堆积在坡角，这种现象就符合冲堆平衡法，而其他两种方法预测的结果差距很大。在进行第四阶段蓄水后，塌岸现象还会后退，冲堆平衡法预测塌岸38米，而其他两种方法分别是，岸坡结构法64米。另外一种是108米[5]。
结论
总而言之，不同类型的塌岸预测方法适用于不同类型特点的水库塌岸预测，所以选取预测手法一定要根据实际情况对其进行选择。不同中的预测方法起算点都能保证适合，但是，一旦水下有堆积地形形成时，选取的起算点就不再是固定的低水位点或者是死水位作为起算点，这时的起算点则是一个平衡的动态点。冲堆平衡法的预算符合山型水库的特点，同时也补充了其他塌岸预测方法的不足，但是，这种方法可能还存在相应可以改进的地方，仍然通过不断的应用加以完善。
参考文献：
[1]彭仕雄.水库塌岸预测的现状及冲堆平衡法[J].岩石力学与工程学报，2014，（11）：2332-2340
[2]蒲达成.汶川震区典型崩塌、滑坡、泥石流分析及防治措施探讨[D].成都理工大学，2010
[3]范大波.三峡库区香溪河段滑坡发育特征及水库蓄水对岸坡稳定性的影响研究[D].成都理工大学，2011
[4]刘云鹏.库岸再造条件下桥隧结合部边坡稳定性分析及防治措施研究[D].成都理工大学，2008
[5]胡碧英.汶川地震灾区边坡植被恢复的理论与工程技术研究[D].西南交通大学，2011
论文作者:关寰宇
论文发表刊物:《基层建设》2015年20期供稿
论文发表时间:2016/3/25
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