1.2 國內外研究現狀及存在的問題

1.2.1 國外研究現狀

水庫塌岸問題首先是蘇聯科學院院士薩瓦連斯基于1935年提出。他指出，水庫塌岸是由于河道蓄水后，水位抬高，吃水線與基巖岸坡相接觸，岸坡的天然平衡條件遭到破壞而引起的。他明確指出，波浪是水庫塌岸的主要因素之一。

什利亞莫夫于1937年開始研究水庫塌岸問題。他認為水庫塌岸的特征及因素決定于水文因素、地質地貌因素及其他因素。水文因素包括流速、擊岸浪的波高、水庫動態；地質地貌因素包含被沖刷巖層的產狀、巖土體的物理力學性質、被沖刷巖土體的均勻性、岸坡形態；其他因素主要是指現狀岸坡的植被保護、岸坡的切割程度及天氣因素等。其中前兩種因素決定最終塌岸的級別，第三種因素僅對岸坡的發展特征及塌岸速度有影響。前兩種因素中，以水庫動態和組成沖刷坡的巖土體性質為主要因素。他還指出水上岸坡形態主要決定于風化作用，其坡角與相同地質特點的天然斜坡坡角相同。什利亞莫夫注意到波浪對水庫塌岸所起的作用，于1938年提出了預測塌岸的方法，并提出了計算淺灘寬度的公式：

式中：L為淺灘寬度，m；H為水位變幅，m；h_b為波浪爬升高度，m；h為波高，m；α為淺灘坡角，（°），它和巖石性質及波高有關。

什利亞莫夫并沒有提出確定淺灘位置的方法，也沒有提出確定水上岸坡及塌岸速度的方法，用式(1.1)所求得的淺灘寬度不能作為塌岸的寬度。

之后蘇聯學者卡丘金認為，水庫塌岸作用主要和庫區的波浪因素有關。波浪作用范圍，除了水位消落帶外，其上界位于高水位以上波浪爬升帶，下界位于最低水位下波浪作用影響深度處?？ㄇ鸾鹩?949年提出了計算塌岸寬度的計算公式：

其中

h_b=3.2khtanα

h₂=h_s-h_b-h₁

式中：S為最終塌岸寬度；N為與土顆粒成分有關的系數，土石顆粒越粗，就越易于形成水下堆積岸坡，所以按卡丘金提供的經驗數據，砂土的N值為0.5,亞黏土為0.6，黏土為1.0，當原始岸坡較陡、庫水水深較大時，難以形成水下堆積階地，此時N實際應等于1；A為水位變化幅度，即設計高水位與設計低水位差值；h_p為波浪影響深度，設計低水位以下波浪影響深度一般取1~2倍浪高，如果浪高取0.5m時，浪高影響深度取1m；h_b為浪爬高度；k為被沖蝕的岸坡表面糙度系數，一般砂質岸坡取0.55~0.75，礫石質岸坡0.85~0.9，混凝土取1，拋石取0.775；坡度α可參照河谷邊岸平水位處河濱淺灘坡角值，當已知作用于該岸坡地帶波浪波高和組成岸坡土石顆粒成分時，也可根據各種顆粒成分沉積物的水下岸坡坡度和浪高的關系圖解確定；h為波浪波高；h_s為設計高水位以上岸坡的高度；h₂為浪爬高度以上斜坡高度；h₁為黏性土斜坡上部的垂直陡坎坎高，根據土力學計算確定，實際工作中可采用被調查岸坡浪爬高度以上至岸坡陡緩交界點的高差值；α為水庫水位變動帶和波浪影響范圍內，形成均一的淺灘沖磨蝕坡角；β為水上岸坡的穩定坡角；γ為原始岸坡坡角。

卡丘金計算塌岸預測圖解如圖1.1所示。

該經驗公式在相當長一段時期內得到了廣泛的應用?？ㄇ鸾鸬姆椒紤]了塌岸后形成的淺灘并非全部是磨蝕的，其中一部分是由未被波浪搬運走的岸壁破壞產物中粗顆粒堆積物形成，因此卡丘金的方法較以前的傳統方法前進了一大步?？ㄇ鸾鹜ㄟ^對大量初期資料的研究，特別是對塌岸中的速度與波高、巖性及岸坡高度關系研究，提出了與波能、巖性及時間有關的岸坡塌岸速度計算經驗公式。

蘇聯專家卓洛塔廖夫對水庫塌岸問題做過很多研究。他將影響水庫塌岸范圍及速度的因素分為三組，并詳細分析了各因素的作用。他按水庫的水文特點，將水庫分為上游及下游兩部分：上游部分水面狹窄，小波浪和洪水時形成的水流將是庫岸的主要破壞力；下游部分水面寬廣，波高很大，波浪是庫岸破壞的主要因素。波浪作用范圍的上界至波浪爬升高程，下界至波浪作用影響深度處，在此以下的物質將不受波浪作用影響，波浪作用影響深度是隨著水庫運用年限增多而減小。卓洛塔廖夫合理地將在波浪作用下塌岸后形成的剖面外形結構分為水上岸坡、波浪爬升帶斜坡、磨蝕淺灘、堆積淺灘斜坡和淺灘外緣斜坡五個帶，并推薦了各帶坡角的確定方法及資料，他根據庫岸堆積淺灘是由岸壁破壞物質中較粗顆粒所形成的概念，建議利用在堆積淺灘中保留下來的粗粒部分占破壞物質總數的百分含量來作為堆積系數，以便確定塌岸后穩定剖面的位置，再量取塌岸的寬度。為了預測塌岸速度，卓洛塔廖夫建議將水庫塌岸分為兩個階段，即水庫運行10年階段及最終塌岸階段。這兩個階段所形成的淺灘各帶坡角及淺灘眉峰水深是不同的，并推薦了預測各個階段塌岸寬度所需要的淺灘坡角及淺灘眉峰水深的資料，如圖1.2所示。

1954年培什金發表了《水庫庫岸動力作用問題》一文，強調了水庫中庫岸動力作用的基本因素為波浪及水庫中水位的變化，它很大程度上決定著塌岸的寬度。此外，原始岸坡的坡形特征、切割程度及植被保護等亦對塌岸寬度及方式有影響，培什金認為，當水庫水位消落時，波間距及水深相應減小，在一定風力作用下所形成的波高亦相應減小，即對庫岸的作用亦隨水位消落而逐漸減小；塌岸后形成的穩定淺灘坡角將隨水位高程降低而增大。因此，培什金建議根據水位不同所形成的擊波間距及水深來計算波高，以相應的波高及巖土體所具有的淺灘坡角來繪制塌岸后所形成的庫岸穩定剖面。然后，假定所形成的淺灘全部為磨蝕導致，以便確定塌岸后剖面位置，以岸坡的眉峰線后退距離作為塌岸最大寬度S_M，將其乘上卡丘金的系數N即為塌岸寬度S_B：

培什金方法對于水面狹窄、水深不大的中小型水庫效果較好，對于水面極寬、水深很大、岸坡較陡的大型水庫效果較差。培什金提出了用數學分析法預測水庫塌岸速度，即預測水庫蓄水后不同時間的塌岸速度方法。他認為水庫蓄水初期的塌岸速度是非?？斓模缓笾饾u減慢，水庫蓄水后任一年的塌岸速度變化可用式(1.4)表示。經過大量實踐的檢驗及監測，由培什金提出的塌岸速度關系式是合理的。

式中：v_t為水庫蓄水后任一時間的塌岸速度，m/a；v_m為蓄水初年的塌岸速度，m/a；-x為與波能、時間、岸坡地質條件及植被保護相關的函數。

康德拉捷夫在1953年提出了一種塌岸寬度計算的分析方法，他認為淺灘表面的外形輪廓線不是直線和折線形，而是拋物線形，這種方法一般適用于巖性條件單一、由砂土和亞砂土等非黏性土組成的非滑動斜坡，且均不考慮泥沙縱向移動的情況。他建議用下面的公式計算任一時間的塌岸寬度和塌岸量W_t:

其中

式中：l為水庫蓄水任意時期的塌岸寬度，m；L為水庫塌岸最終寬度，m；W₀為水庫塌岸體積，m³；v₀為水庫蓄水初年塌岸速度，m/a；t為計算年限，a；W_t為水庫蓄水年t₁時的塌岸體積,m³；

康德拉捷夫方法包括四個塌岸因素：波浪作用、水位變化、組成岸壁的巖土體性質和原始岸坡外形。

綜上所述，在以蘇聯學者為主的水庫塌岸預測研究中，主要預測方法可以分為兩派：一派是以卓洛塔廖夫為代表的條件類比法；另一派則為康德拉捷夫為代表的數學分析法。兩派的研究均以計算塌岸寬度為最終目的，在此過程中，對影響塌岸發生的參數進行了較深入的研究(維·尼·諾沃日洛夫，1956；B.Д.洛姆塔澤，1985；張倬元，2003，湯明高，2007；闕金聲，2007)。

與蘇聯學者的研究不同，西方學者著重從塌岸機理方面進行研究。以Amiri（2003）為代表的一些學者對塌岸的過程進行了深入研究，主要從河流侵蝕的角度出發研究其岸坡物質流失與河道地形變化的關系，提出了一些模型和方法用于計算侵蝕量以及預測達到平衡狀態時的岸坡形態（Duan等，2005；Istanbulluoglu，2005；Constantine，2009；Ercan和Younis，2009；Taghavi-Jelodar，2009；Vilmundardóttir，2010），并在洪水位以及模擬水位試驗時，監測河岸侵蝕的變化情況，對岸坡的形態變化做出分析和考量，以便于水利部門對岸坡物質流失等的管理（Lawler，2001；Diane Saint等,2001；Carroll等,2004；Piégay等，2005）。

以Osman等（1998）為代表的一些學者從岸坡的物理模型出發，以評價岸坡穩定性為目標，從河床沖深與河岸沖刷兩個方面來分析黏性岸坡的不穩定性，認為塌岸最常見的原因是河床沖深與河岸沖刷引起的，河岸側向沖刷過程使河道寬度增加，導致岸坡變陡，降低了河岸穩定性；河床下切增加河岸高度，也降低了河岸穩定性。然而，引起河床沖深與河岸沖刷的先決條件是水流條件，水流作用越強，其塌岸發生的可能性及強度就越大。因此，塌岸發生的原因主要取決于水流條件。河床沖深與河岸沖刷的相對數量是河岸物質組成的性質、河岸幾何形態、河床物質組成類型及水流特性的函數。同時認為，岸坡因土體過重而引起的失穩與土壤性質和河岸幾何形態密切相關（Thorne，1981；Darby,1994，1996，2000，2007），并考慮岸坡土體的物質組成和屬性，將岸坡在豎直方向上按土體性質進行分層，且考慮水位變化、滲流等因素對岸坡穩定性的影響（Howard等,1988；Mark,2004；Hubble,2004;Chu-Agor等，2008；újvári,2009）。

Millar等（2000）在Huang（1997）與White（1982）等學者研究砂礫石河流河岸穩定性模型的基礎上，考慮了中粒徑物質對河岸穩定性的影響，并根據具體情況對河岸泥沙摩擦角進行修正，著重分析了河流岸坡不同的植被情況時，其摩擦角的值相差較大，對河岸的穩定性產生較大影響，并認為植被較好河岸的穩定性約為植被較差河岸的3倍，其他一些學者針對植被對岸坡穩定的影響做了類似的研究（Wiel和Darby,2007；Pizzuto,2010）。

美國學者Simon等認為影響河岸侵蝕的主要因素有水力參數、河床與河岸物質組成的特性、河岸的特性、風浪影響、氣候影響、生物影響、人類活動的影響等。雖然引起塌岸的因素很多，但在眾多因素中，大多數學者認為：塌岸的發生離不開水流及邊界這兩個基本條件，其中水流條件起著決定性的作用，是塌岸發生發展的主導因素，其他的因素也是通過對水流與邊界的改變來影響塌岸的強度(Simon，Collison,2002；Simon等,2003;Simon,2005;Parker等,2008；Pollen，2007)。

日本京都大學的Nagata等(2000)推導出了計算河道變形及平面變化的二維河流動力學方程，運用數值模擬方法進行了庫岸再造速率以及范圍預測的嘗試，但由于該方法只適用于較均質的砂質庫岸，而一般塌岸的形成機制復雜，影響塌岸的水文動態都很難模擬，因此這方面的研究還處在試驗階段。

Langendoen（2000）開發了CONCEPTS（CONservational Channel Evolution and Pollutant Transport System）系統，該系統模擬了河道中一維流場、分級泥沙傳輸、河道展寬、植被等對岸坡結構的影響等（Langendoen等，1999；Simon等,1999；Langendoen,2000）。

Simon等基于Excel開發了BSTEM模型(Bank-Stability and Toe Erosion Model)，通過選擇剪切面、土層屬性、孔隙水壓力、水位線、植被狀況以及岸坡趾部侵蝕算法等，對岸坡穩定性做出評價。增強的BSTEM模型使用戶可在平面失穩模式和懸臂梁失穩模式之中進行選擇(Wood，2001；Pollen，Simon，Langendoen,2007)。

本書融合了蘇聯學者和西方學者的研究思路和方法，在對研究區進行塌岸模式和機理研究的基礎上，針對不同類型的塌岸，進行塌岸的范圍預測和穩定性分析。