1.2　国内外研究现状及存在的问题

水库塌岸是一个十分复杂的地质动态演化过程,受诸多因素的影响和控制,如区域构造稳定,库岸岸坡的地形地貌、岩土体结构和性质、库水动力条件、植被和人类工程活动等。至今有以下几个方面的研究成果。

1.2.1　岸坡结构研究

水库岸坡结构研究是水库塌岸预测的基础,塌岸的机理、模式、规模等取决于岸坡的地形地貌形态、岩土体成因、组成、结构层次等条件。实践中常由于库岸范围大、交通条件差、研究手段的局限难以满足塌岸预测的深度需要。

1.2.2　塌岸机理研究

塌岸机理研究主要是通过现场调查塌岸地质条件和塌岸影响因素,如岸坡组成和结构、岸坡形态、库水位升降、波浪、水的浸泡、冻融等。程昌华、邓伯强(1996)曾开展了影响库岸坍塌的水动力特性研究;卢桂兰(2002)、李永乐(2003)对三门峡库区塌岸的成因分析;宋岳(2004)开展了官厅水库塌岸影响因素分析;高超(2005)开展过巢湖塌岸成因初步研究;许强、黄润秋等结合对三峡库区塌岸的深入研究,对山区河流水库塌岸模式、塌岸机理进行了较深入系统的研究(2007—2009)。

1.2.3　塌岸预测参数

国内外有关塌岸预测参数的研究甚少,参考价值非常有限,给塌岸预测参数的获取带来了很大的困难。因此,对于西南山区水库岸坡不同结构的岩土体,其在库水作用下的物理力学特性及其塌岸预测参数还有待进一步研究。

1.2.4　塌岸模式研究

目前国内外针对水库库岸的塌岸模式分类研究不够系统完善,难以适应西南山区水库塌岸预测研究的需要。西南山区水库塌岸常常不是单一模式,而是多模式的综合。

1.2.5　塌岸预测方法

水库塌岸预测理论最早来源于苏联,在20世纪40—50年代,苏联萨瓦连斯基、卡丘金、卓洛塔寥夫等研究了苏联的水库塌岸问题,提出的塌岸范围预测的基本计算方法和图解法。近年来,有关水库塌岸预测方法的研究仍在进行。现阶段预测水库塌岸范围的方法可分为以下几种。

1.类比法

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。

图解中根据地质测绘与勘探资料,现场调查统计不同岩土体在天然河道的平均枯水位以下、江水涨幅带以及平均洪水位以上3种情况岩土体的稳定坡角。然后根据各岩土层自然岸坡坡度统计值与前述类比原则,得出各岩土层在不同库水位状态下的稳定坡角建议值,最后采用图解法求得塌岸范围。

2.卡丘金法

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位变幅带各类岩土体岸坡长期稳定坡角,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。该方法适用于黄土类土层及平原地区水库的塌岸预测,用于西南山区型水库的塌岸预测,其结果往往与实际相差较大。

3.佐洛塔寥夫法

此法为苏联学者单洛塔寥夫(Г·С·золатарев)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、冲洪积层、冰水积层以及人工弃渣岸坡),大型水库的中、下游地段,一般采用卓洛塔寥夫提出的图解法。该法认为: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。塌岸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等。

卓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(黏土类边岸)或2h(砂土边岸)深处作为确定最终塌岸剖面的起点。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土可组成堆积浅滩,其预测参数较多,不易获得,因而实际运用较为复杂。

4.平衡剖面法

在水库风(波)浪的长期作用下,岸坡断面将逐渐调整至平衡位置,形成平衡断面。因此可以根据水库运行性质、波浪作用规律、岸坡岩土体结构以及工程地质特征,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。

根据观测和试验数据,苏联学者已经总结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(不具体列举),以供绘制平衡断面。

需要注意,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。

5.动力法

动力法是根据塌岸量与波能和岩土体抗冲刷强度之间的关系建立预测公式:

该法有一定的物理依据,但“关系方程”的建立同时也需要一定量的观测样本。在海洋工程科学领域,借助于造波机已经通过室内试验及某些海岸工程的实地观测,建立了相应的动力法预测方程,可供地域性海岸工程加固设计使用。

6.两段法

王跃敏等经过近10年数十处水库塌岸的调查研究,提出用“两段法”来指导外福(外洋—福州)铁路线的塌岸预测设计。其原理为: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β确定,水上稳定岸坡线由设计洪水位和毛细水上升高度H'及倾角确定。该方法已在外福线水库塌岸预测中得到成功的应用。

“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,岸坡地层为黏性土、砂性土、碎石类土、弃渣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,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黏性土、砂性土、碎石类土、弃渣及岩石的全风化地层。该方法预测其塌岸宽度比较接近实际,通过对南方朽溪水库、火石岩水库、古田水库及水口水库的塌岸调查分析、研究,也证明该方法是正确的。但在使用“两段法”预测塌岸宽度的同时,还需用卡丘金法进行比较,全面验证其合理性,科学取舍,也就说其适用性还有待于进行大量的应用验证。由于该方法的塌岸起算点为原河道多年最高洪水位,对于西南山区高坝水库,蓄水后水深度大,一般死水位与原河道多年最高洪水位相差大,两段方法起算点明明偏低,从而带来较大的预测误差。

7.徐瑞春塌岸预测图解的若干修正

由红层构成的岸坡比由坚硬岩体构成的岸坡稳定性差,但又远较由松软土体构成的岸坡稳定性好。所以预测红层岸坡垮塌的方法不能照搬坚硬岩体或者松散土体岸坡垮塌的预测方法。

徐瑞春在多年对四川盆地红层河谷边坡研究的基础上,对红层塌岸预测方法进行了一些有益的探索,提出了红层塌岸预测图解方法的若干修正。(徐瑞春《红层与大坝》,2003)

8.岸坡结构塌岸预测法

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许强、黄润秋等(2007,2009)在对现有塌岸预测方法进行深入系统分析的基础上,结合对三峡库区和类比水库的调查研究,针对山区河流水库存在复杂岸坡结构的特点,提出了岸坡结构法。给出了厚层堆积体、薄层堆积体下覆基岩、岩土混合质、红层等复杂结构库岸的相应的预测方法及图解,并出版了专著《山区河道型水库塌岸研究》(科学出版社,2009)。岸坡结构法实际上是广义的“三段法”。

9.岩质库岸塌岸宽度预测的经验法

维尼·诺沃日洛夫曾经介绍过关于岩质库岸塌岸预测的经验方法,采用一定的经验计算公式来预测塌岸的宽度。

这种塌岸预测经验法可用于软岩或者强风化岩质库岸的塌岸宽度预测。

上述各种评价预测方法均有其特定的适用条件和范围,西南山区河流岸坡地形地貌条件复杂,岸坡岩土体地质结构复杂,塌岸模式众多,塌岸预测参数难以获取。没有一种方法能完全适应西南山区水库塌岸预测,因此研究一套适应西南山区水库塌岸评价预测体系是十分必要的。