基于三峡库区消落带计算岸坡浸润面积的方法与实际应用

基于三峡库区消落带计算岸坡浸润面积的方法与实际应用

周云涛

（重庆交通大学400074）

摘要本文基于三峡库区水位的季节性涨落和大坝蓄水放水形成的消落带，通过对三峡库区岸坡的简化及假设，利用较简单的方法计算出岸坡浸润面积。并将岸坡浸润面积的计算方法应用于实际工程。

关键词消落带地质灾害应力应变滑坡崩塌岸坡浸润面积

三峡大坝建成后，由于水位的自然涨落，将会在库区两岸形成两条平行的永久性消落带，高差为30m，水库的消落带又称消落区或涨落带，是指由于水库季节性水位涨落而使库区周边被淹土地周期性出露于水面的一段特殊区域。尤其是在三峡库区蓄水放水期间，水位变化引起岸坡土体和岩体不同程度的浸润，土质浸润吸水后应力应变发生变化，致使地质环境发生变化。岸坡浸润面积是指在同一基准面下历史平均最低水位和最高水位被水浸润过的岸坡面积。对于三峡库区历史最低水位是指在三峡库区建成后，统计每年蓄水后所测量的最低水位值，取其平均值。同样历史最高水位亦是统计平均值。岸坡浸润面积的计算有利于三峡库区消落带的充分利用以及预测滑坡、崩塌等地质灾害的发生区域。

1 概况

三峡库区施工完成后，由于水位的自然涨落，将会在库区两岸形成两条平行的永久性消落带，高差为30m，水库的消落带又称消落区或涨落带，是指由于水库季节性水位涨落而使库区周边被淹土地周期性出露于水面的一段特殊区

域。根据三峡工程方案，为了使库区长期保持绝大部分有效库容，三峡水库将采取蓄清排浑的运行方式，即：在每年汛期(6～9月)，长江上游来沙量最大之前，将库区水位降至145m，并在汛期开闸放水排沙，而在汛期后则关闭闸门，将库水位升至175m，拦蓄清水以发挥水库效益。所以三峡水库建成后，将在库区两库形成永久性的水位季节涨落地带，即三峡库区消落带。三峡库区消落带的形成，造成水位发生显著变化，渗流作用加强，土体含水量发生变化，致使土体一定程度的压缩和变形以及滑动面和滑动带的形成，最终导致三峡库区大量滑坡、崩塌的发生，并且水体长期驻留会使岸坡周围沼泽化。通过对岸坡坡度、坡面、水力坡度、流线的简化，利用函数方程表示出岸坡浸润面积（S），从而预测出水位变化的区域，及时预防地灾和充分利用消落带区域。

2 岸坡浸润面积假设及计算方法

2.1 岸坡浸润面积假设

三峡库区岸坡是自然或人工形成的，表面呈现不规则形态，岸坡坡度沿程变化，水位随流量而变化，岸坡处流线通常为曲线等因素影响，使三峡库区岸坡面积难以用一个简单并且实用的函数方程表示，因此需对岸坡区域进行假设，使计算简化，对于一定的计算区域L，假设如下：

1）岸坡浸润区域处的流线为一条水平线，与水位同高，且不受其他流域流线的影响，流域段除上游注水外没有流量流出或流入。通常流线是变化不定的曲线，并且受其他流域影响，流线的方程难以计算，岸坡浸润区域范围一定，流线变化不大，与水位大致同高，这样就可以将曲线形的流线简化为水平线，进而便于计算。

2）流域内水力坡度i近似为零。水力坡度i近似为零，由于水体受重力和水流阻力的作用，水流速度近似为零，因而没有流速水头，可以利用静水压强的规律。

3）不考虑水体毛细上升高度。水体浸润岸坡后，会由于土体的毛细作用使水体上升一定高度，但高度相对较小，在这里忽略不计。

4）土体和岩体是完全透水并且在浸润区达到饱和状态。即忽略不透水和未饱和区域，将计算区域简化为一个连续变化的区域，而没有间断。

5）岸坡坡度m在计算区域内不发生变化，岸坡面为一平滑的平面。

6）对于水力坡度i较大的区域，可以忽略不计。水力坡度i较大则相同的距离水位变化就较大，一般发生在陡崖或瀑布段，因为距离相对较小，且测压管水头几乎转化为了流速水头，在这里可以忽略不计。

2.2 岸坡浸润面积计算方法

2.2.1单个斜坡岸坡浸润面积计算方法

如图2.1对于简化后的岸坡，长度为dL，岸坡浸润面积为dS，坡度为cot），平均最低水位为H0，平均最高水位为H1，水位差为△H1,水力坡m（α

度为i=0,则由长方形的面积知：

2

∆

=

dS+

dL

H

1m

2.2.2

阶梯式岸坡浸润面积计算

如图2.2对于简化后的岸坡，长度为dL ，岸坡浸润面积为dS ，坡度为1m 、2m 、3m 、…、n m ，平均最低水位为H 0，平均最高水位为Hn ，水位差为△H 1、△H 2、△Ｈ３、．．．、△Ｈｎ，水力坡度为i=0,则由长方形的面积知：

i dS dL H =∆∑

只需知道长度Ｌ、水位差△H 、坡度ｍ即可算出岸坡浸润面积。

图２．1 单个斜坡横剖面图

３ 实际岸坡浸润面积的计算

水流沿岸坡向下游流动，岸坡要素随Ｌ而变化，因而可以将整个流域分成ｎ段（如图３．１）即：

123...n L L L L L =++++ 则面积 123...n S S S S S =++++

即：

j i j S L m =∆∑∑ 图２．2 ｎ个梯形斜坡横剖面图

图３．１将河岸分为ｎ段纵剖面图

4岸坡浸润面积的应用

岸坡浸润面积的计算主在确定三峡库区岸坡浸润区域，用于由于水的影响的岸坡变化研究，有以下几点应用：

1）预测岸坡崩塌、滑坡等地质灾害的发生区域。

2）为生态环境变化区域提供数据，利于生态环境的人工修复。

3）可以确定周期性的蓄水放水形成的湿地面积。

4）用于研究岸坡土体岩体的应力应变变化及水的作用下风化情况。

5 结论

本文基于三峡库区水位的季节性涨落和大坝蓄水放水形成的消落带，通过对三峡库区岸坡的简化及假设，利用微分方程计算出岸坡浸润面积。特别是实际岸坡浸润面积的计算能得到岸坡浸润的区域，对三峡库区岸坡湿地的形成预测、三