李元明，任光明，张 涛

(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，四川成都610059)

0 引 言

水库蓄水后，库岸边坡将受库水浸泡、风浪冲击、水流侵蚀以及库水位涨落等因素影响，从而加快库岸塌岸的进程[1-2]。现今水库塌岸预测理论已经比较成熟[1，3-4]。早在1949年国外学者卡丘金就提出岸坡最终塌岸预测计算公式[2]，之后又陆续提出很多新的塌岸预测方法，如类比图解法[5-6]、数学分析法[2]、平衡剖面法[7]、动力法[8]、王跃敏等提出的“两段法”[9]、多元回归法[10]、岸坡结构法[11-12]、基于GIS的三维地理模拟和预测[13]等。但大多数方法都有其一定的适用性及局限性[5-7]，对于不同的塌岸类型运用合适的塌岸理论变的尤为重要，本文将对其中代表性方法的适用性做进一步探索研究。

在建的白龙江某水库，库岸居民点多分布在Ⅲ级阶地上，由于水库蓄水，库区塌岸将对两岸居民安全都带来了巨大的威胁。因此，详细地对水库区塌岸破坏模式、不同岸坡的塌岸预测研究也是非常必要的。

1 水库库岸的基本地质条件及其分段

水库区属中高山峡谷地貌，两岸山顶高程2 000 m～3 000 m，相对高差600 m以上。根据库岸的分段原则，本库岸共分成3段。其总体工程地质特征分述如下:

Ⅰ段:岩性主要为长城系碧口群(Mtu)的变质凝灰岩、绢云母片岩、变质砂岩、板岩、千枚岩和第四系Q的坡积碎石土、冲积砂卵砾石、洪积块碎石土、崩坡积物等 。岩层产状为 NW228°～ 322°/SW ∠37°～66°，以斜向坡居多，发育4处滑坡。此段下游岸坡较陡且蓄水位附近岸坡主要是土质岸坡，该段易发生塌岸。

Ⅱ段:岩性主要为震旦系(Z)的结晶灰岩、变质砾岩、砂岩、变质板岩、千枚岩，中泥盆统(D21S)的砂质板岩、变质砂岩、炭质板岩、硅质岩，上游段岩层产状NW285°～ 311°/SW ∠72°～ 86°，下游段岩层产状NE76°/SE∠75°。发育12 处倾倒变形体，9处泥石流。该段下游较上游陡，土质岸坡较上游多，比较容易发生塌岸。

Ⅲ段:呈中高山峡谷地貌，两侧岸坡耸立，坡度一般在45°以上，植被覆盖差，岩石裸露。岩性主要有中泥盆统三河口组D21S的砂质板岩、变质砂岩、炭质板岩、硅质岩和第四系的坡积碎石土、冲积砂卵砾石、洪积块碎石土、崩坡积物等，上游段岩层产状NE12°～ 78°/NW ∠53°～ 68°，下游段岩层产状NE75°/SE∠46°发育倾倒变形体8处，小型坍塌1处，泥石流11处。该段岸坡较缓，蓄水后，河水位较现今河水位抬升不大，基本不会发生塌岸。

2 库岸塌岸预测

2.1 塌岸破坏模式

根据现场调查所得研究区库岸段塌岸破坏模式及分布为:滑移型塌岸主要发生在Ⅲ段，坍塌型塌岸主要发生在Ⅱ段，冲磨蚀型塌岸主要发生在Ⅰ段。

2.2 塌岸预测的方法选择

目前的预测方法大多是属于经验性或半经验性的，这些方法均有其各自的适用范围或条件及其局限性。但这些基于工程实践的预测方法，在实际的工作中仍被广泛应用。权衡各种预测方法的利弊，再综合现场调查所得的参数，选取卡丘金法、类比图解法、佐洛塔廖夫法、极限平衡法来进行塌岸预测，其原理如下。

2.2.1 卡丘金法[2，14]

依据实测的洪枯水变幅带各类岩性岸坡长期稳定坡角，根据几何关系用图解法(图1)求解岸坡最终塌岸预测宽度，其精度取决于计算参数的选定。

式中:S为塌岸宽度；N为与岩土体类型有关的系数；A为水位变化幅度；hp为波浪影响深度；hb为浪爬高度，hb=3.2 k◦h◦tanα；k为与被冲蚀的岸坡表面糙度有关的系数；h为浪高；hs为正常高水位以上岸坡的高度；α浅滩磨蚀坡角；β水上岸坡的稳定坡角；γ原始岸坡坡角。

图1 卡丘金法预测塌岸图

2.2.2 类比图解法[8]

利用现阶段不同岩土体水下稳定坡角、水位变幅带坡角和水上稳定坡角，与将来水库蓄水后不同库水条件下的库岸岸坡类比，从而进行塌岸预测。

2.2.3 佐洛塔廖夫法[5-6]

其原理为:库岸再造后的岸坡可分为浅滩外缘陡坡、堆积浅滩、冲蚀浅滩、爬升带斜坡以及水上岸坡带五段，通过作图得到上述5段岸坡，即为库岸再造的最终岸坡(图2)，即通过图解法进行岸坡最终塌岸宽度预测。

图2 佐洛塔廖夫法预测塌岸图

β1、β2、β3、β4、β5 分别为这 5 段的稳定坡角 ，hp、hb同上。

2.2.4 极限平衡法[15]

以条分法为基础，将土坡分为多个土条，分析各土条所受的下滑力和抗滑力，用土条上的全部抗滑力矩与滑动力矩之比来定义土坡稳定性安全系数。因此，利用相关软件自动搜索岸坡在正常蓄水条件下最不利设计工况下最不稳定的破裂面，计算其安全系数，预测塌岸范围。

2.3 塌岸预测的参数选择

通过收集与本电站库岸物质结构相近的工程实例以类比选取合理的计算参数。根据现阶段天然河道的平均枯水位、江水涨幅带、平均洪水位来类比水库运行期死水位、水位变动带、最高设计水位。水库运行后的正常蓄水位为800 m，死水位798 m，将水位800 m以上、798 m～800 m、798 m以下分别对应现在的库水位以上、变辐带、枯水位以下，进而确定水下稳定坡角、水位变辐带稳定坡角、水上自然稳定坡角(表1)。

表1 库岸稳定坡角取值表

卡丘金法预测参数如表2。

表2 塌岸预测的卡丘金法参数取值表

2.4 塌岸预测实例

为了详细了解库岸段塌岸情况以及每段库岸段所适用的塌岸预测方法，本文选取每一库岸段的一个典型剖面来对其塌岸宽度进行预测，从下游至上游分别选取1#、2#、3#库岸段来进行塌岸预测。

(1)1#库岸段

根据现场调查，该库岸段的地层为第四系块碎石土，下覆基岩为长城系碧口群板岩、千枚岩、变质砂岩。主要以坍塌、滑移型破坏为主，选取佐洛塔廖夫法参数 β1=β2=18°，β3=28°，β4=45°，β5=50°，Kα=0。类比图解法参数 α=28°，β=50°。利用这些参数进行塌岸预测，结果如表3，预测的剖面示意图如图3～图4。

图3 1#库岸段剖面塌岸预测示意图

表3 1#库岸段塌岸预测结果

图4 1#库岸段剖面极限平衡法塌岸预测示意图

(2)2#库岸段

根据现场调查，该库岸段的地层为第四系块碎石土，下覆基岩为震旦系砂岩。以坍塌型破坏为主，选取佐洛塔廖夫法参数 β1=16°，β2=14°，β3=21°，β4=23°，β5=41°，Kα=20%。类比图解法参数 α=21°，β=41°。利用这些参数对其进行塌岸预测，结果如表4，预测的剖面示意图如图5。

(3)3#库岸段

表4 2#库岸段塌岸预测结果

根据现场调查，该库岸段的地层为第四系块碎石土，下覆基岩为震旦系砂岩，以冲磨蚀型破坏为主，选取佐洛塔廖夫法参数 β1=12°，β2=12°，β3=21°，β4=23°，β5=39°，Kα=20%。类比图解法参数 α=21°，β=39°。利用这些参数对其进行塌岸预测，结果如表5，预测的剖面示意图如图6。

表5 3#库岸段塌岸预测结果

图5 2#库岸段剖面塌岸预测示意图

图6 3#库岸段剖面塌岸预测示意图

由上述可知:佐洛塔廖夫法和类比图解法预测的塌岸宽度相对接近，卡丘金法整体偏大。由上游至下游，整体塌岸宽度增大。整个库岸的塌岸宽度主要为十几米至二十几米，且塌岸宽度大于30 m的库岸段大多表现为滑移型塌岸，且主要分布在Ⅰ段。

3 结 论

本文根据岸坡的结构类型，覆盖层厚度，基岩覆盖层接触带物理力学参数等，采用不同的方法对库岸段调查，得出研究区库岸段的塌岸模式以坍塌型和滑移型为主，极限平衡法相对坍塌型和冲磨蚀型而言，更加适用于滑移型。并且滑移型库岸的塌岸范围整体比塌岸型和冲磨蚀型较大。佐洛塔廖夫法和类比图解法预测的塌岸宽度相对接近，卡丘金法预测的结果整体偏大。2#库岸段塌岸影响高度基本与村庄分布的785m～815m高程接近，部分村庄将会被淹没。因此，水库蓄水后对库水位以上部分居民房屋地基的安全存在严重威胁，应采取相应措施。

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