水库塌岸

水库蓄水后，水库水位变化将使库岸地质条件大大改变，库岸在库水浸泡、风浪冲击、水流侵蚀以及干湿交替作用下发生坍塌，使水库岸线后退，在水库周边波浪作用范围内形成浅滩，进而诱发库岸稳定性的变化，这种现象称为水库塌岸现象。

对于山区水库而言，起主导作用的是现代地质作用，包括地形地貌特点、地层岩性、水文地质条件等。

岸坡的破坏主要体现在岩土体在库水作用下物理力学性质的变化，静止库水位时的浮托力，水位升降时的渗流力等因素对岸坡稳定性的影响。

实践证明，水库的塌岸绝大部分是在蓄水的一到两年内完成的，这种破坏可以认为是岸坡沿最危险滑动面滑移破坏为主体的。

在水库蓄水运行期间，不同类型不同结构的岸坡将以某种特定的变形破坏方式完成岸坡的再造演化过程，这种特定的变形破坏型式被称之为水库塌岸模式。

通过研究，水库塌岸的典型塌岸模式有如下几种：冲磨蚀型冲磨蚀型塌岸是指在库水、风浪冲刷、地表水及其它外部营力的长时间作用下，岸坡物质逐渐被冲刷、磨蚀，塌岸物质部分被岸流运走，部分在水下堆积下来，从而使岸坡坡面缓慢后退的一种库岸再造型式。

如图1所示：图1 冲磨蚀型塌岸坍塌型坍塌型指土质岸坡坡脚在库水长期作用下，基座被软化或淘蚀，岸坡上部物质失去平衡，从而造成局部下错或坍塌，而后坍塌土体被水流逐渐搬运带走的一种岸坡变形破坏模式。

该库岸再造模式具有突发性，特别容易发生在暴雨期和库水位急剧变化期。

如图2所示：图2 坍塌型塌岸崩塌型崩塌(落)型是指在陡坡型岩质岸坡中，岸坡岩体发育有不利于岩体稳定的节理裂隙时，坡体在库水、风浪冲刷、地表水和其他外部营力的作用下，发生的崩塌或崩落现象。

如图3所示：图3 崩塌型塌岸滑移型滑移型是指在库水作用、降雨及其他因素的影响下，岸坡物质沿着软弱结构面或己有的滑动面向江河发生整体滑移的库岸再造型式，即发生滑坡。

流土型流土型塌岸是指在库水涨落的情况下，岸坡土体吸水饱和后,由于土体的微膨胀性，岸坡土体在重力作用下沿坡向下发生的塑性流动变形现象。

这种库岸再造类型的塌岸规模一般较小，在第四系松散堆积层岸坡中可见。

不同类型的岸坡结构在库水动力作用下所表现的塌岸机理往往不同，且表征各种类型塌岸的参数也不尽相同，塌岸预测中所采用的参数可被分为如下几种：（1）冲磨蚀型：水下堆积坡角、冲磨蚀坡角和水上稳定坡角；（2）坍塌型：水下堆积坡角、冲磨蚀坡角和水上稳定坡角；（3）崩塌(落)型：岩体结构面产状、迹长、发育分布特征及其性状；（4）滑移型：软土和膨胀土体（层）的空间分布特征，包括堆积层厚度、垂直河流方向的宽度和顺河方向的延伸长度。

影响塌岸的主要因素有：库岸物质组成库岸物质组成及土层性质是影响水库塌岸的内在因素。

如冲洪积粉砂质粘土层和黄土，这类土结构松散，遇水易发生崩解，强度低，抗冲刷能力差，在岸坡较陡的情况下塌岸速度较快。

风浪作用风浪作用是水库塌岸及浅滩形成的主要外力。

波浪对塌岸的影响主要表现为击岸波浪对岸壁土体淘刷与磨蚀以及对塌落物质进行搬运，从而加速塌岸。

击岸波浪的浪高与风速、风向、风在自由水面的吹程及水深等因素有关。

对于同一类型的库岸来说，水面越宽、水深越大，击岸波浪的波能越大，塌岸就越严重。

植被条件一般情况下，植物根系的固结作用可使河岸土体的抗冲刷能力增大，而植物根系的固结作用与植被的密度、种类、根深等有关。

冻融变化岸坡士体孔隙和裂隙中的水结冰后体积膨胀产生冰劈作用，破坏了土体结构，解冻后土体强度降低，致使岸坡破坏。

库水位上升的速率研究表明，库水位上升速率越大，均质水库岸坡的塌岸现象越易发生。

鉴于水库塌岸给水库周边经济及环境产生巨大的影响，塌岸预测方法的研究得到了普遍的重视，众多学者提出了许多的预测理论与方法，主要有卡丘金法、佐洛塔廖夫法、平衡剖面法、两段法、土力学法、库岸结构法、数值模拟法等。

卡求金法 卡丘金于1949年提出岸坡最终塌岸预测计算公式。

其实质是依据实测的洪、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。

考虑到计算参数大多选自经验值，因此，在实际预测时必须对类似水动力条件和类似岩土体条件下的已有岸坡塌岸进行观测，以获得相应的较为可靠的计算参数。

有时参考水库蓄水前的洪、枯水位变幅带岸坡形态数据来计算也具有较好的预测效果。

适用于黄土类土层及平原地区水库的塌岸预测。

也适用于大型水库的中、上游地带岸坡。

一般其结果往往与实际相差甚远，实际塌岸宽度要比预测的小得多，卡丘金法的预测结果偏于安全。

其预测塌岸图解如下图4：图4 丘金法预测塌岸图解 图中，A 为库水位变幅（m ）；p h 为波浪冲刷深度（m ）；B h 为浪击高度（m ）；H 为正常蓄水位以上岸坡高度（m ）；α为水下稳定坡角；β为水上稳定坡角；γ为原岸坡坡角。

最终塌岸宽度按下式计算：()()()P B B P S N A h h ctg H h ctg A h ctg αβγ=++⨯+--+⨯⎡⎤⎣⎦佐洛塔廖夫法 此法为前苏联学者佐洛塔寥夫（F.C.SOIBTBPEB ）于1955年提出，通过图解法进行岸坡最终塌岸宽度预测。

对于松散堆积岸坡（残坡积、崩坡积、滑坡堆积以及人工弃渣岸坡），大型水库的中、下游地段，一般采用佐洛塔寥夫提出的图解法。

此法认为:水库中下游地段，水深较大，水面较广，波高增加，对库岸的破坏波浪作用是主要的。

佐洛塔廖夫法充分考虑了水下堆积浅滩的作用，且以考虑地形、地貌、水文等各方面资料为基础，也是一种较为普遍适用的塌岸预测方法，但这种方法在实际运用中必须查明有多少比例的冲磨蚀土可组成堆积浅滩，因而实际运用较为复杂。

具体预测步骤如下:①绘制预测地段的工程地质剖面；②标出水库正常高水位线与水库最低水位线；③由正常高水位向上标出波浪爬升高度线，爬升高度(hb)值可取为一个波高；④由最低水位向下，标出波浪影响深度线,影响深度(娜)值可取为1/4一1/3的波浪波长，粘性土应大些，砂土小些；⑤在波浪影响深度线上选取a点，该点位于堆积浅滩带与浅滩外缘陡坡带之转折点处，该点的选取应使堆积系数Ka之值应与佐洛塔寥夫所提出的参考数值相符；β：⑥由a点向下，根据浅滩堆积物的岩性,绘出外缘陡坡线使之与原斜坡线相交；其稳定坡度1粉细砂土和粘性土介于8°一12°，卵石层和粗砂土介于18°一20°。

由a点向上绘出堆积浅滩的坡面线，与原斜坡线相交于b点；其稳定坡度：细粒砂土为l°一1.5°，粗砂小砾石为3°一5°；⑦由b点作冲蚀浅滩的坡面线，与正常高水位线相交于c点；其稳定坡度视岸坡岩性而定；β按表采⑧由c点作波浪爬升带的坡面线，与波浪爬升高度水位线相交于d点；其稳定坡角4取；⑨绘制水上岸坡坡面线de；坡角几据自然坡角确定；⑩检验堆积系数与经验数据是否相符，如不相符，则向左或向右移动a点并按上述步骤重新作图，直至适合为止。

对于易冲刷、易软化的岩质边坡，或松散堆积物质全部被波浪或近岸流所冲走的地段，其岸边浅滩只有磨蚀部分，堆积率应取为零。

此种情况下，a点位置应与初始岸坡线相交。

佐洛塔寥夫图解法考虑了水下堆积浅滩的影响,将下部起点设在堆积浅滩台坎前缘,并且假设以该点的深度在正常高水位以下浪高h处作为预测10年期间的塌岸剖面，以该点深度位于保证率5%枯水位以下3h(粘土类边岸)或2h(砂土边岸)深处作为确定最终坍岸剖面的起点。

其作图方法与卡丘金方法相同，并且还分别考虑了下游宽阔部位和上游狭窄部位两种情况。

这种方法在实际运用中必须查明有多少比例的冲蚀上可组成堆积浅滩，因而实际运用受到限制。

佐洛塔寥夫法预测塌岸图解如下图5：图5 佐洛塔寥夫法预测塌岸图解平衡剖面法水库岸坡在风、水库波浪及船行波的长期作用下，岸坡断面将逐渐调整至平衡位置，形成平衡断面。

当地形坡度甚缓时，岸坡不但不会产生水库塌岸，还会产生局部淤积，并进而调整至平衡态。

对于这类岸坡通常是无需采取护坡措施，经验的数据缓于1:5就无需护坡；相反，当地形坡度较陡时，岸坡将会产生快速的塌岸过程，直至断面平衡为止。

根据水库运行性质、波浪作用规律，以及岸坡岩土体工程地质特征，运用水力学、泥沙运动学等理论以及实际观察数据，可以建立基于经验的数学模型，用于预测此平衡断面，从而获得水库塌岸的空间规模。

平衡剖面法需要根据观测和试验数据，总结分析出各种水位变幅带之间、波浪作用带之间的稳定岸坡坡角与波浪要素间的关系曲线，以供绘制平衡剖面，是偏重于考虑库岸再造水文要素的一种塌岸预测方法,仅适合于较为均质的土质岸坡，对于岸坡结构较复杂的岩质岸坡或岩土混和型岸坡则同样不适用。

该法建立数学模型复杂，不适用。

两段法两段法原理为：预测塌岸线由水下稳定岸坡线和水上稳定岸坡线的连线组成时，水下稳定岸坡线由原河道多年最高洪水位h及倾角a确定，水上稳定岸坡线由设计洪水位和毛细水上升高度'H及倾角p确定。

该方法已在外福线水库塌岸预测中得到成功的应用。

预测塌岸线由水下稳定岸坡线和水上稳定岸坡线的连线组成时，水下稳定岸坡线由原河道多年最高洪水位及水下稳定坡角确定，水上稳定岸坡线由设计洪水位和毛细水上升高度及水上稳定坡角确定。

“两段法”的具体图解过程为：以原河道多年最高洪水位与岸坡交点A为起点，以a为倾角绘出水下稳定岸坡线，该线延伸至设计洪水位加毛细水上升高度的高程点B，再以B点为起点，以 角为倾角绘出水上稳定岸坡线，该线与原岸坡的交点C即为水上稳定岸坡的终点。

水上稳定岸坡线的起点B的高程所对应的原岸坡点D与该线终点C之间的水平距离，即为“两段法”预测S，详细图解见下图6：的坍岸宽度k图6 “两段法”预测塌岸图解“两段法”的适用条件为：我国南方山区的峡谷型水库，库面较窄，风浪作用较小，岸坡地层为粘性土、砂性土、碎石类土、弃碴及岩石的全风化地层，有较完整的水文气象资料等。

“两段法”也是一种类比法，也可以说是一种简化的地质工程类比法。

只是在确定水上稳定坡角和水下稳定坡角所选用的参数不同，该方法的适用岸坡也为粘性土、砂性土、碎石类土、弃碴及岩石的全风化地层。

该方法预测山区水库坍岸宽度比较接近实际，通过对南方朽溪水库、龚咀水库、火石岩水库、古田水库及水口水库的坍岸调查、分析、研究，也证明该方法是正确的。

但在使用“两段法”预测坍岸宽度的同时，还需用其它方法进行比较，全面验证其合理性，科学地取舍，也就说其适用性还有待于进行大量的应用验证。

河流动力学——土力学法该方法主要采用河流水动力学模型计算河床冲淤变形，然后用土力学模型分析河岸的稳定性，并以此计算河岸的崩塌及断面分配，随着水沙及外界环境条件的变化，河床断面又产生新的冲淤变形，再用土力学模型重新计算河岸的稳定性，如此迭代循环，直到达到新的平衡状态为止。