1.2　國內外研究現狀及存在的問題

水庫塌岸是一個十分復雜的地質動態演化過程,受諸多因素的影響和控制,如區域構造穩定,庫岸岸坡的地形地貌、巖土體結構和性質、庫水動力條件、植被和人類工程活動等。至今有以下幾個方面的研究成果。

1.2.1　岸坡結構研究

水庫岸坡結構研究是水庫塌岸預測的基礎,塌岸的機理、模式、規模等取決于岸坡的地形地貌形態、巖土體成因、組成、結構層次等條件。實踐中常由于庫岸范圍大、交通條件差、研究手段的局限難以滿足塌岸預測的深度需要。

1.2.2　塌岸機理研究

塌岸機理研究主要是通過現場調查塌岸地質條件和塌岸影響因素,如岸坡組成和結構、岸坡形態、庫水位升降、波浪、水的浸泡、凍融等。程昌華、鄧伯強(1996)曾開展了影響庫岸坍塌的水動力特性研究;盧桂蘭(2002)、李永樂(2003)對三門峽庫區塌岸的成因分析;宋岳(2004)開展了官廳水庫塌岸影響因素分析;高超(2005)開展過巢湖塌岸成因初步研究;許強、黃潤秋等結合對三峽庫區塌岸的深入研究,對山區河流水庫塌岸模式、塌岸機理進行了較深入系統的研究(2007—2009)。

1.2.3　塌岸預測參數

國內外有關塌岸預測參數的研究甚少,參考價值非常有限,給塌岸預測參數的獲取帶來了很大的困難。因此,對于西南山區水庫岸坡不同結構的巖土體,其在庫水作用下的物理力學特性及其塌岸預測參數還有待進一步研究。

1.2.4　塌岸模式研究

目前國內外針對水庫庫岸的塌岸模式分類研究不夠系統完善,難以適應西南山區水庫塌岸預測研究的需要。西南山區水庫塌岸常常不是單一模式,而是多模式的綜合。

1.2.5　塌岸預測方法

水庫塌岸預測理論最早來源于蘇聯,在20世紀40—50年代,蘇聯薩瓦連斯基、卡丘金、卓洛塔寥夫等研究了蘇聯的水庫塌岸問題,提出的塌岸范圍預測的基本計算方法和圖解法。近年來,有關水庫塌岸預測方法的研究仍在進行?，F階段預測水庫塌岸范圍的方法可分為以下幾種。

1.類比法

利用現階段不同巖土體水下穩定坡角、水位變幅帶坡角和水上穩定坡角,與將來水庫蓄水后不同庫水條件下的庫岸岸坡類比,從而進行塌岸預測。

圖解中根據地質測繪與勘探資料,現場調查統計不同巖土體在天然河道的平均枯水位以下、江水漲幅帶以及平均洪水位以上3種情況巖土體的穩定坡角。然后根據各巖土層自然岸坡坡度統計值與前述類比原則,得出各巖土層在不同庫水位狀態下的穩定坡角建議值,最后采用圖解法求得塌岸范圍。

2.卡丘金法

卡丘金于1949年提出岸坡最終塌岸預測計算公式,其實質是依據實測的洪枯水位變幅帶各類巖土體岸坡長期穩定坡角,根據幾何關系用圖解法求解岸坡最終塌岸預測寬度,其精度取決于計算參數的選定?？紤]到計算參數大多選自經驗值,因此,在實際預測時必須對類似水動力條件和類似巖土體條件下的已有岸坡塌岸進行觀測,以獲得相應的較為可靠的計算參數。有時參考水庫蓄水前的洪、枯水位變幅帶岸坡形態數據來計算,也具有較好的預測效果。該方法適用于黃土類土層及平原地區水庫的塌岸預測,用于西南山區型水庫的塌岸預測,其結果往往與實際相差較大。

3.佐洛塔寥夫法

此法為蘇聯學者單洛塔寥夫(Г·С·золатарев)于1955年提出,通過圖解法進行岸坡最終塌岸寬度預測。

對于松散堆積岸坡(殘坡積、崩坡積、滑坡堆積、沖洪積層、冰水積層以及人工棄渣岸坡),大型水庫的中、下游地段,一般采用卓洛塔寥夫提出的圖解法。該法認為:水庫中下游地段,水深較大,水面較廣,波高增加,對庫岸的破壞、波浪作用是主要的。塌岸后的岸坡可分為淺灘外緣陡坡、堆積淺灘、沖蝕淺灘、爬升帶斜坡以及水上岸坡帶等。

卓洛塔寥夫圖解法考慮了水下堆積淺灘的影響,將下部起點設在堆積淺灘臺坎前緣,并且假設以該點的深度在正常高水位以下浪高h處作為預測10年期間的塌岸剖面,以該點深度位于保證率5%枯水位以下3h(黏土類邊岸)或2h(砂土邊岸)深處作為確定最終塌岸剖面的起點。其作圖方法與卡丘金方法相同,并且還分別考慮了下游寬闊部位和上游狹窄部位兩種情況。這種方法在實際運用中必須查明有多少比例的沖蝕土可組成堆積淺灘,其預測參數較多,不易獲得,因而實際運用較為復雜。

4.平衡剖面法

在水庫風(波)浪的長期作用下,岸坡斷面將逐漸調整至平衡位置,形成平衡斷面。因此可以根據水庫運行性質、波浪作用規律、岸坡巖土體結構以及工程地質特征,運用水力學、泥沙運動學等理論以及實際觀察數據,可以建立基于經驗的數學模型,用于預測此平衡斷面,從而獲得水庫塌岸的空間規模。

根據觀測和試驗數據,蘇聯學者已經總結出各種水位變幅帶之間、波浪作用帶之間的穩定岸坡坡角與波浪要素間的關系曲線(不具體列舉),以供繪制平衡斷面。

需要注意,當地形坡度甚緩時,岸坡不但不會產生水庫塌岸,還會產生局部淤積,并進而調整至平衡態。對于這類岸坡通常是無需采取護坡措施,經驗的數據緩于1∶5就無需護坡;相反,當地形坡度較陡時,岸坡將會產生快速的塌岸過程,直至斷面平衡為止。

5.動力法

動力法是根據塌岸量與波能和巖土體抗沖刷強度之間的關系建立預測公式:

該法有一定的物理依據,但“關系方程”的建立同時也需要一定量的觀測樣本。在海洋工程科學領域,借助于造波機已經通過室內試驗及某些海岸工程的實地觀測,建立了相應的動力法預測方程,可供地域性海岸工程加固設計使用。

6.兩段法

王躍敏等經過近10年數十處水庫塌岸的調查研究,提出用“兩段法”來指導外福(外洋—福州)鐵路線的塌岸預測設計。其原理為:預測塌岸線由水下穩定岸坡線和水上穩定岸坡線的連線組成時,水下穩定岸坡線由原河道多年最高洪水位h及傾角β確定,水上穩定岸坡線由設計洪水位和毛細水上升高度H'及傾角確定。該方法已在外福線水庫塌岸預測中得到成功的應用。

“兩段法”的適用條件為:我國南方山區的峽谷型水庫,庫面較窄,風浪作用較小,岸坡地層為黏性土、砂性土、碎石類土、棄渣及巖石的全風化地層,有較完整的水文氣象資料等。

“兩段法”也是一種類比法,只是在確定水上穩定坡角和水下穩定坡角所選用的參數不同,該方法的適用岸坡也為黏性土、砂性土、碎石類土、棄渣及巖石的全風化地層。該方法預測其塌岸寬度比較接近實際,通過對南方朽溪水庫、火石巖水庫、古田水庫及水口水庫的塌岸調查分析、研究,也證明該方法是正確的。但在使用“兩段法”預測塌岸寬度的同時,還需用卡丘金法進行比較,全面驗證其合理性,科學取舍,也就說其適用性還有待于進行大量的應用驗證。由于該方法的塌岸起算點為原河道多年最高洪水位,對于西南山區高壩水庫,蓄水后水深度大,一般死水位與原河道多年最高洪水位相差大,兩段方法起算點明明偏低,從而帶來較大的預測誤差。

7.徐瑞春塌岸預測圖解的若干修正

由紅層構成的岸坡比由堅硬巖體構成的岸坡穩定性差,但又遠較由松軟土體構成的岸坡穩定性好。所以預測紅層岸坡垮塌的方法不能照搬堅硬巖體或者松散土體岸坡垮塌的預測方法。

徐瑞春在多年對四川盆地紅層河谷邊坡研究的基礎上,對紅層塌岸預測方法進行了一些有益的探索,提出了紅層塌岸預測圖解方法的若干修正。(徐瑞春《紅層與大壩》,2003)

8.岸坡結構塌岸預測法

成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室許強、黃潤秋等(2007,2009)在對現有塌岸預測方法進行深入系統分析的基礎上,結合對三峽庫區和類比水庫的調查研究,針對山區河流水庫存在復雜岸坡結構的特點,提出了岸坡結構法。給出了厚層堆積體、薄層堆積體下覆基巖、巖土混合質、紅層等復雜結構庫岸的相應的預測方法及圖解,并出版了專著《山區河道型水庫塌岸研究》(科學出版社,2009)。岸坡結構法實際上是廣義的“三段法”。

9.巖質庫岸塌岸寬度預測的經驗法

維尼·諾沃日洛夫曾經介紹過關于巖質庫岸塌岸預測的經驗方法,采用一定的經驗計算公式來預測塌岸的寬度。

這種塌岸預測經驗法可用于軟巖或者強風化巖質庫岸的塌岸寬度預測。

上述各種評價預測方法均有其特定的適用條件和范圍,西南山區河流岸坡地形地貌條件復雜,岸坡巖土體地質結構復雜,塌岸模式眾多,塌岸預測參數難以獲取。沒有一種方法能完全適應西南山區水庫塌岸預測,因此研究一套適應西南山區水庫塌岸評價預測體系是十分必要的。