刘海明，石豫川，吉 锋，廖 艺

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

0 引 言

水库塌岸是水利水电工程中常遇的工程地质问题，是库岸岸坡受库水浸泡、风浪冲击、水流侵蚀以及干湿交替等因素影响,使库岸岩土体风化加剧,抗剪强度降低,以及库水位涨落引起库岸地下水动水压力变化而造成的库岸冲蚀磨蚀、坍塌、滑移等再造变形的不良地质现象。塌岸也是河床演变的一种表现形式，类型多样，影响因素众多，成因机理十分复杂[1]。水库塌岸主要导致两方面危害:一方面减少岸上土地使用面积；另一方面造成水库淤积。影响塌岸的主要因素是自然因素和人为因素，包括岸坡地质、水位变动、波浪、人类活动等方面的因素。各因素对塌岸形成的影响作用极为复杂，一般情况下某些因素对塌岸影响相对较大，而其他因素影响相对较小。

水库塌岸问题首先是苏联科学院院士费奥多尔·彼得罗维奇·萨瓦连斯基在1935年所提出来的。国内水库塌岸早期研究者孙广忠等人[2]曾对官厅水库的塌岸现象进行了系统性地观测和研究。很多学者对水库塌岸问题进行过大量卓有成效的调查和研究，由于水库塌岸问题的复杂性，很多学者也通过物理模拟方法来研究水库塌岸问题，取得了良好的效果。张辛农等[3]进行过江河崩岸概化模拟试验研究。许强等人[4]、白建光等人[5]曾对三峡水库塌岸进行过物理模拟研究。程昌华等人[6]曾进行过波浪对库岸坍塌变形的影响物理模拟研究。利用室内概化模拟试验方法进行塌岸机制与塌岸影响因素的研究，对进一步研究和认识塌岸的成因机理和规律依据有一定的参考及借鉴意义。

本文是在对中国东西部地区多个山区水库塌岸现象及工程地质条件调查研究的基础上，主要针对山区水库的粗颗粒土均质岸坡，建立典型的库岸物理概化模型。采用中砂、细砂、粉土分别代表三种强度依次减小的岸坡物质材料，设置高、中、低三个水位，建立缓、中、陡三种岸坡模型，采用造浪机分别产生大、中、小三种波浪，采用正交设计方案。试验目的是通过对不同坡度、物质组成、水位、波浪条件正交组合下的库岸模型进行试验，观测不同条件下模型的变形破坏迹象及塌岸宽度，分析上述各因素对库岸改造的作用机制与规律，并对影响水库塌岸的上述因素进行敏感性分析，提取一些规律性的认识。

1 物理模拟试验设计

试验设备采用位于成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室的物理模拟实验系统，包括自动调节水位系统、测位移装置、水位计、物理模拟实验池以及其他辅助设备包括电子天平、台秤以及颗粒分析试验仪器等，利用造浪机产生波浪来模拟库区的波浪。

设计各因素的水平如下：坡体材料采用粉土、细砂、中砂；波浪高度采用0.5～1.0、1.0～1.5、1.5～2.0 cm；水位采取15、30、45 cm；岸坡坡度采取20°、30°、50°。根据正交设计原理，制定4因素3水平的实验方案，共需进行9次实验。实验模型宽度为1.5 m，高度为0.45 m，横断面为直角梯形，坡型为直形坡。

表1 多因素试验正交设计表Tab.1 Multi-factor orthogonal experiment plan

2 试验现象

试验过程中，发生的塌岸模式总体可分为三类：滑移型、坍塌型和侵蚀型。滑移型是指坡体物质沿着某滑面发生整体变形，即坡体物质整体滑移的塌岸破坏现象，实质为库岸滑坡；坍塌型是指岸坡坡脚在库水作用下,基座被软化或淘蚀,岸坡上部土体失去平衡,从而造成局部下错或坍塌,而后被江水逐渐搬运带走的一种岸坡变形破坏模式；侵蚀型是指在库水的侵蚀、浪蚀、地表径流及其他外部营力的作用下,岸坡物质逐渐被冲刷、磨蚀，然后被搬运带走，从而使岸坡坡面产生缓慢后退的库岸再造形式。

试验中出现滑移型塌岸1次(试验3)如图1及图2所示；坍塌型塌岸共出现2次，典型的坍塌型(试验2)如图3及图4；侵蚀型塌岸共出现6次，典型的侵蚀型塌岸(试验8)如图5及图6。

图1 滑移型塌岸Fig.1 Bank collapse of sliding type

图2 滑移型塌岸剖面示意图(试验3)Fig.2 Section of bank collapse of sliding type(Test 3)

图3 坍塌型塌岸Fig.3 Bank collapse of collapsing type

图4 坍塌型塌岸剖面示意图(试验2)Fig.4 Section of bank collapse of collapsing type(Test 2)

图5 侵蚀型塌岸Fig.5 Bank collapse of erosion type

图6 侵蚀型塌岸剖面示意图(试验8)Fig.6 Section of bank collapse of erosion type(Test 8)

试验中发现：塌岸无论最终发展为何种模式，库岸在蓄水初期首先表现为岩土体的软化作用，在水位接触带产生小规模的零星坍塌，之后由于岸坡坡度、物质组成、波浪大小等的差异而产生分化，表明各影响因素不同的条件下不仅导致塌岸宽度的差异，而且导致了塌岸模式的差异。实验结果统计表见表2。

表2 多因素试验结果统计Tab.2 Processing form about data of multifactor experiment

3 塌岸宽度的影响因素敏感性分析

本文采用极差分析法进行正交试验数据的统计分析。由于试验所用材料的强度无法直接表达，而试验材料在试验中的强度表现主要取决于其中的细颗粒(粉粒及黏粒)所占百分比，因此试验用小于0.075 mm的颗粒含量表征岩土材料性质(其中粉土为93.42%，细砂为7.36%，中砂为1.72%)。得到各因素的敏感性如表3。

试验分析结果表明，塌岸宽度对原始岸坡坡角的敏感性最大，其次对物质组成强度的敏感性略大于波浪，对水位的敏感性最小。岸坡物质强度越低，塌岸宽度越大；岸坡坡角越大，塌岸宽度越大；水位高低不同，对应的塌岸宽度相差不大，中间水位略大；波浪越大，塌岸宽度越大。

表3 塌岸宽度对各因素的敏感性Tab.3 Data about bank collapse width sensitivity to various factors

根据已有经验和已有的计算图解法(如卡丘金法、佐洛塔廖夫法等)来看，塌岸是随岸坡物质强度降低、坡角增大、水位增大和波浪增大而更加严重，塌岸破坏范围增大。本实验分析结果得出，塌岸宽度是随物质组成、岸坡坡角、波浪增大，但水位则是处于中间水平时塌岸宽度最大，这主要是由于水位变化而导致的塌岸宽度起算点不同，也就是说水位越大塌岸越严重，但是塌岸宽度却并非越大。

4 结 语

(1)一般情况下，土质库岸在蓄水初期均表现为水位处库岸的零星小规模坍塌，之后由于受岸坡结构、物质组成、库水动力条件以及其他因素的综合影响，产生各自的外在变形破坏迹象和内在成因机理，水库塌岸的模式逐渐分化为多种塌岸形式。

(2)通过物理模拟手段对塌岸影响因素的敏感性分析结果表明：塌岸宽度对原始岸坡坡角的敏感性最大，其次对物质组成强度的敏感性略大于波浪，对水位的敏感性最小。

(3)岸坡物质强度越低，塌岸宽度越大；岸坡坡角越大，塌岸宽度越大；水位高低不同，对应的塌岸宽度相差不大，中间水位略大；波浪越大，塌岸宽度越大。

需要说明的是以上认识对于探索水库塌岸的机理和规律有一定帮助，然而这些结论还需实践的进一步检验。鉴于水库塌岸问题的复杂性和试验条件的限制，目前对于水库塌岸的物理模拟研究还有许多不足和需要改进的地方，比如模拟实验的相似性、操作过程和手段、测量仪器和方法及结果分析等都有待进一步提高，还需要考虑如何与工程实践相结合，解决实际的工程问题。

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[1] 张幸农，蒋传丰，应 强，等．江河崩岸问题研究综述[J]．水利水电科技进展，2008，28(3)：80-83,94．

[2] 官厅水库坍岸研究小组．水库坍岸研究[M]．北京：水利电力出版社，1958．

[3] 张幸农，应 强，陈长英，等．江河崩岸的概化模拟试验研究[J]．水利学报，2009，40(3)：263-267．

[4] 许 强，白建光，汤明高，等．三峡库区塌岸的物理模拟研究[J]．工程地质学报，2007，15(2)：154-158．

[5] 白建光，许 强，汤明高，等．三峡水库塌岸影响因素的物理模拟研究[J]．中国地质灾害与防治学报，2007，18(1)：90-94．

[6] 程昌华，陈学兵．波浪对库岸坍塌变形的试验研究[J]．重庆交通学院学报，1994,(S1)：54-59．