水库塌岸短期预测中时空界限决策研究_陈艳国.pdf

DOI:10.12170/20220217001陈艳国，高平，姜耀飞.水库塌岸短期预测中时空界限决策研究 J.水利水运工程学报，2023（2）：64-69.（CHEN Yanguo,GAOPing,JIANG Yaofei.Research on time-space boundary decision-making in short-term prediction of reservoir bank collapseJ.Hydro-Science and Engineering,2023（2）:64-69.（in Chinese）水库塌岸短期预测中时空界限决策研究陈艳国1,2，高 平1,2，姜耀飞1,2(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），河南 郑州 450003)摘要:水库塌岸是具有一定时间、空间界限属性的地质灾害现象。时间界限指时间跨度，分为长期、短期塌岸；空间界限指不同水库区段，因地质条件差异导致的塌岸模式、预测参数的差异。目前常用的水库塌岸短期预测时长跨度为 210 年，但在实际工程应用中，缺乏足够的决策依据。从水库蓄水过程的角度，证明了塌岸短期预测时长可根据水库蓄水过程来界定，以三峡、小浪底等大型水库工程为例，验证该界定方法科学合理。并给出了塌岸预测时空界限的决策流程，将时空界限决策理论应用于甘肃马莲河水库工程短期塌岸预测中，从工程地质角度对短期塌岸预测成果的应用给出建议。关键词：水库塌岸；短期预测；时空界限；蓄水过程中图分类号：TV221.2 文献标志码：A 文章编号：1009-640X(2023)02-0064-06 现行水库塌岸预测方法体系按时长分为长期、短期预测。长期预测指水库达到设计正常蓄水位形成的最终塌岸规模和范围，长期时长指水库在设计工况下的最终运行期限；短期预测指水库蓄水初期，预测不同库水位的塌岸规模和范围，短期时长并无严格期限，可以是 210 年，但不宜过长。在水利工程中，塌岸范围是确定移民征迁的重要依据之一，多以长期塌岸范围为依据。多年来众多学者对水库塌岸预测已有较多研究，尤其是大型水库，其中三峡库区塌岸研究成果较多1-3。还有学者对水库塌岸预测方法、参数进行了系统总结4-6，但多限于塌岸长期预测，短期预测研究文献十分少见，尤其是对短期预测时长的研究更为少见。关于短期预测时长的界定，各工程手册、规程规范对其说法不一，导致实际工程中的短期预测往往不够严谨。本文在梳理各类工程手册、规程规范对塌岸短期预测时长定义的基础上，分析短期预测的内涵，并提出基于水库蓄水过程、水库运行方式的短期预测时间、空间界限决策方案，而非不加分析直接套用手册、规程规范定义的时长。同时针对水库区地质条件、塌岸影响因素的差异，提出了塌岸预测空间界限的概念，将两个界限定义为塌岸短期预测的时空界限。1 塌岸预测的时空界限含义塌岸是发生在一定时间内（时间）、一定范围内（空间）的地质环境灾害现象，因此具有时间、空间界限属性。时间界限是指塌岸预测的长期、短期时限，指时间长度；空间界限指空间上的范围（平面范围、纵向范围）。从水库塌岸角度划分，水库的上、中、下游及主流、支流，其地形地貌、地层岩性等基本地质条件、水库蓄水后的库面宽度不同，各区域的波浪高度、塌岸模式、塌岸程度不同，因此水库塌岸现象具有空间界限属性。尤其是大型水库库区，塌岸的空间界限更应有所区分。收稿日期：2022-02-16作者简介：陈艳国（1980），男，黑龙江同江人，高级工程师，硕士，主要从事水利水电工程地质勘察、水库塌岸相关研究。E-mail： 第 2 期水利水运工程学报No.22023 年 4 月HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERINGApr.2023 2 塌岸预测的时空界限选择 2.12.1手册、规范有关内容解析对目前涉及水库塌岸的规程规范、工程手册相关内容进行梳理，结果见表 1。总体而言，各手册、规程规范定义的短期预测期限是 210 年，最长不超过 10 年。各手册对短期预测期限的时长并未说明，水电水利工程水库区工程地质勘察技术规程条文说明中短期预测指水库蓄水后预测不同库水位的塌岸范围和规模，对时长的界定没有说明。因此，工程手册、规程规范对短期预测的时长界限界定并不清晰，且对各个时间跨度组合，并没有支撑性的说明，给实际应用带来困难。2.22.2时间界限的选择短期预测的时长确定应以短期预测目的为导向。短期预测目的主要是预测蓄水初期几年内的塌岸范围和规模，及其对水库运行管理维护、库周建筑物、耕地林地等人民生命财产安全的影响。因此短期预测在蓄水初期对水库试运行调试十分重要。塌岸的影响因素可分为内在因素、外在因素。内在因素主要是地质体的地质属性，包括地形地貌、地层岩性、地质构造等；外在因素主要是外部环境因素，包括风浪作用、水流冲刷、水库运用方式（库水位高低、变化幅度、变化速率）、水库淤积、降雨、冻融、地震等。对于蓄水初期的短期塌岸，与长期塌岸最大区别在于初期蓄水位、库水位变化幅度，即水库蓄水过程。而各水库工程因功能定位、各自条件不同，其蓄水过程是不同的，大中型水库的初期蓄水位往往达不到正常蓄水位。长江三峡水库 2003 年首次蓄水位 135 m（围堰挡水发电），2006 年蓄水至 156 m（大坝全线建成），2008 年首次试验性蓄水至 172 m，2009 年第 2 次试验性蓄水至 171 m，2010 年第 3 次试验性蓄水至 175 m，首次达正常蓄水位，其后多次蓄水至 175 m。三峡水库短期塌岸预测可选择 7 年（20032009 年），2010 年以后的水位基本保持在 175 m，选为短期已不合适。黄河小浪底水库自 2000 年蓄水以来，至 2010 年的 10 年间，2003 年达到高水位 265 m，2006 年达高水位 263 m，其余 8 年高水位均未达到 260 m，低于正常蓄水位 275 m，而在 20112021 年高水位多达到265 m 以上。小浪底水库短期塌岸预测可选择 5 年（20002004 年）、8 年（20002007 年），选择依据主要是蓄水前 10 年内高水位均较低，而 10 年后多以较高水位运行。2.32.3时空界限决策流程依据短期预测的目的、影响因素、预测结果的安全度、蓄水设计过程，综合确定短期预测时长，决策流 表 1 规程规范、工程手册中关于水库塌岸的相关内容Tab.1 Summary of relevant contents about reservoir bank collapse in regulations and engineering manuals类别规范、手册期限规程规范勘察规程、规范水利水电工程地质勘察规范（GB 504872008）无期限内容表述水库枢纽工程地质勘察规程（SL 6522014）无期限内容表述水力发电工程地质勘察规范（GB 502872016）长期水电工程水库区工程地质勘察规程（NB/T 101312019）短期（310年）、长期征地移民规范水利水电工程建设征地移民安置规划设计规范（SL 2902009）初期（510年）、长期水电工程建设征地移民安置规划设计规范（DL/T 50642007）短期（35年）、长期工程手册水工手册水工设计手册（第1版，1984）7短期（23年）、长期水工设计手册（第2版，2013）8无期限内容表述地质手册水利水电工程地质手册（1985）9短期（23年）、长期水力发电工程地质手册（2011）10短期（23年）、长期第 2 期陈艳国，等：水库塌岸短期预测中时空界限决策研究65程如下：（1）若确需预测蓄水后确定年限（如 2 年、3 年、5 年等）内的塌岸状态，则直接确定其时长，高水位选择应考虑选取年限内的库水位计划；（2）若无明确的时长年限，只是概念性地开展短期预测，则应充分结合蓄水计划过程来综合判断，选择年限、高水位、预测方法时应充分考虑预测结果的安全度。一般表现为几类情况：前期几年始终保持低水位运行，则高水位可直接确定，时长可选择低水位保持的年限；前期几年便蓄水至正常蓄水位，则高水位应选择正常蓄水位，时长也不宜过长；前期高、低水位震荡运行，则应考虑高水位运行规律及历时长短加以综合判断。依据水库库区主流、支流的地形地貌、地层岩性、库面宽度、波浪高度、塌岸模式等进行分区分段，选择适宜的方法开展短期预测，基本流程如下：（1）按地形地貌、地层岩性等地质条件进行空间分区；（2）根据库面宽度、风向、风速，计算波浪高度，评价波浪作用强弱，以确定塌岸预测是否考虑波浪作用；（3）依据地形地貌、库岸岩性、波浪等因素，确定塌岸模式（崩塌型、滑移型、冲蚀磨蚀型）；（4）结合（2）、（3）确定塌岸预测方法，结合（1）中的空间分区确定各方法中需求的库岸地层塌岸参数，计算塌岸宽度。3 马莲河水库塌岸短期预测的时空界限选择马莲河水利枢纽工程位于甘肃省庆阳市境内的马莲河上，地理位置见图 1，目前处于前期论证阶段。马莲河是泾河最大的一级支流，地处黄河中游陇东黄土高原沟壑区，是黄河泥沙的重要来源区，多年平均输沙量为 1.19 亿 t，年均含沙量为 280 kg/m3。马莲河大坝为均质土坝，设计坝高为 67 m，正常蓄水位 999 m，死水位 982 m，水库总库容 3.98 亿 m3，属大（二）型工程。马莲河水库库区长 52 km，库区两岸大量覆盖黄土，库区主支流形态及地层分布见图 2。马莲河水库蓄水后，黄土塌岸问题将十分突出，塌岸范围直接影响水库移民征地范围的界定，塌岸量直接影响水库兴利库容，甚至影响建库的可行性。规划中水库已建水电站河流 图 1 马莲河水库地理位置Fig.1 Geographical map of Malian River Reservoir 冲洪积物马兰黄土离石黄土基岩马莲河水库坝址 图 2 库区形态及地层分布Fig.2 Reservoir area morphology and stratigraphic distribution 66水 利 水 运 工 程 学 报2023 年 4 月 3.13.1时间界限选择马莲河含沙量大，水库蓄水后淤积严重，且黄土基本覆盖整个库区，水库塌岸量大，水库塌岸短期预测时，时长选择上要考虑水库蓄水位变化过程（蓄水计划），方法上要考虑快速淤积对塌岸的影响。依据蓄水设计方案，水库蓄水过程见图 3。由图 3 可知，蓄水过程高低起伏，水库出于供水需求，蓄水初期一直在低水位运行，中期高、低水位交叉运行，但总体看，高于 992 m 的高水位运行时间很短，水库设计运行期 56 年内，多以低水位运行。蓄水过程可分为以下 5 段：蓄水期第段为 05.4 年，维持 982 m 死水位运行；第段为 5.48.8 年，时长 3.4 年，水位由 982 m 逐步抬高至 999 m；第段为 8.88.9 年，999 m 稳定运行期，时长 0.1 年；第段为 8.948 年，高、低水位波动，低于 990 m 运行时间居多；第段为 4856 年，时长 8 年，水库运行末期，死水位运行。库水位运行时长总体情况为：死水位 982 m 运行时长为 34.8 年，占运行期限的 62%；983990 m 低水位运行时长为 16.3 年，占比 29%；991998 m 高水位运行时长为 4.8 年，占比 8.6%；999 m 正常蓄水位运行时长 0.2 年，占比 0.4%。可见，水库高水位运行总体时间较短，有利于减轻塌岸。马莲河水库从开始蓄水至首次达到死水位需 1 年，根据水库蓄水运行过程及水位变化，经综合分析选择 10 年作为短期预测期限，具体依据如下：（1）10 年内包含一个完整的低 982 m、高 999 m 水位运行过程，可预测 999 m 高水位时的初期塌岸宽度；（2）可考虑淤积因素，根据工程设计数据，982999 m 水库方案拦沙期为 7 年，水库淤积至 982 m，可先由两段图解法计算死水位运行的 06.4（1+5.4）年内的塌岸宽度，再以死水位为起点，两段图解法预测蓄水至 999 m 时的塌岸宽度；（3）10 年时长总体符合规程规范的要求，及三峡、小浪底水库关于短期塌岸时长界限的选择经验。若选择时长过短，选取的高水位则低于 999 m，预测结果未达高水位工况，安全余度不足。因此选择10 年作为短期预测时长，既符合水库蓄水过程的实际情况，考虑了淤积因素，又保证了预测成果的安全性。3.23.2空间界限选择马莲河水库库区长 52 km，主河道、支流水面宽度差异大，波浪高度不同。主河道库宽浪高，支流库窄浪小，因此，主河道、支流的塌岸预测方法及参数选择应有所区别。另外，覆盖全库区的马兰黄土（Q3m）、离石黄土（Q2l）物理力学性质不同，塌岸预测参数亦应不同。因此，在空间界限划分上，平面界限可分为主河道、支流，竖向界限可分为马兰黄土（Q3m）、离石黄土（Q2l）。3.33.3短期预测方法及结果在时空界限确定后，采用两段法对主河道、支流进行短期塌岸预测，结果见图 4。主河道短期塌岸宽度为 092 m，支流短期塌岸宽度为 029 m。水库区短期塌岸面积为 4.29 km2，短期塌岸量为 2 275 万 m3，占 蓄水运行时间/a蓄水位/m9800510152025303540455055609829849869889909929949969981 000 图 3 马莲河水库蓄水计划曲线Fig.3 Curve of Malian River Reservoir water storage plan 第 2 期陈艳国，等：水库塌岸短期预测中时空界限决策研究67总库容的 4.75%。参考水电工程建设征地移民安置规划设计规范（DL/T 50642007）相关规定，对塌岸区域分区处理。建议以短期塌岸范围线作为塌岸处理警戒范围线，警戒范围线内为塌岸影响处理区，必须进行征地移民或防护处理，不允许工程建设、耕种等活动；以长期塌岸范围线作为监测范围线，警戒范围线与监测范围线之间区域作为塌岸影响待观区，水库运行过程中进行安全监测、巡视，该区域不允许进行工程建设，可进行一般的农业种植。这样既可减少征地投资，又可保证人民生命财产安全。4 结语水库塌岸时间、空间界限的科学界定，对水库塌岸短期预测十分必要。短期预测时长，直接影响高水位的选择；而空间界限的划分，直接影响不同区域的库岸地层塌岸参数。本文从水库蓄水过程的角度，说明了短期塌岸预测时长选择的主要依据。将塌岸短期预测的时空界限决策方法应用于甘肃马莲河水库，依据马莲河水库的蓄水设计方案，选取短期时长为 10 年。并结合马莲河水库的主河道、支流特征，马兰黄土、离石黄土的分布，划分空间界限。短期塌岸预测的时空界限选取值得深入研究，短期塌岸对水库蓄水初期的调试运行、塌岸影响预测评估、库区防护、土地征迁、土地利用等方面具有显著影响，对投资及库周地质环境也极具影响。参考文献：刘天翔.三峡库区塌岸预测方法综述D.成都:成都理工大学,2006.（LIU Tianxiang.Study on the methods of predictingreservoir bank collapse in the Three Gorges areasD.Chengdu:Chengdu University of Technology,2006.（in Chinese）1 汤明高,许强,黄润秋,等.三峡库区塌岸预测参数及其影响因素研究J.成都理工大学学报(自然科学版)，2006，33(5)：460-464.（TANG Minggao,XU Qiang,HUANG Runqiu,et al.Study on the forecasting parameters of the bank failure and theinfluence factors in the Yangtze Three Gorges Project Region,ChinaJ.Journal of Chengdu University of Technology(Science&Technology Edition),2006,33(5):460-464.（in Chinese）2 尚敏,易庆林,王征亮,等.三峡库区库岸塌岸机理与防治措施研究J.人民长江，2008，39(12)：1-3,115.（SHANG Min,YI Qinglin,WANG Zhengliang,et al.Collapse mechanism of TGP reservoir bank and prevention-control measuresJ.Yangtze River,2008,39(12):1-3,115.（in Chinese）3 何良德,朱筱嘉.水库塌岸预测方法述评J.华北水利水电学院学报，2007，28(2)：69-72.（HE Liangde,ZHU Xiaojia.Retrospection and evaluation of prediction method for reservoir bank ruinJ.Journal of North China Institute of WaterConservancy and Hydroelectric Power,2007,28(2):69-72.（in Chinese）4 距坝距离/km左岸右岸塌岸宽度/m0101020203030404050506060708090100(a)主河道塌岸宽度散点图(短期)距坝距离/km各支沟左岸各支沟右岸塌岸宽度/m0551010151520202525303035354040(b)支沟塌岸宽度散点图(短期)图 4 马莲河主河道及支流短期塌岸宽度散点图Fig.4 Scatter diagram of short-term bank collapse width of main channel and tributaries of Malian River 68水 利 水 运 工 程 学 报2023 年 4 月 樊克.水库塌岸研究与进展综述J.中国水运(下半月)，2010，10(6)：212-214.（FAN Ke.A review of research and progresson bank collapse in reservoirsJ.China Water Transport,2010,10(6):212-214.（in Chinese）5 张梁,王俊杰,阎宗岭.山区库岸塌岸预测方法综述J.重庆交通大学学报(自然科学版)，2010，29(2)：227-232.（ZHANGLiang,WANG Junjie,YAN Zongling.Summary on methods to predict soil bank failure of mountain reservoirJ.Journal ofChongqing Jiaotong University(Natural Science),2010,29(2):227-232.（in Chinese）6 华东水利学院.水工设计手册(第二卷):地质 水文 建筑材料M.北京:水利电力出版社,1984:24-28.（East ChinaTechnical University of Water Resources.Handbook of hydraulic structure design2 geology,hydrology and materialsM.Beijing:China Water&Power Press,1984:24-28.（in Chinese）7 冯树荣,彭土标.水工设计手册(第10卷):边坡工程与地质灾害防治M.2版.北京:中国水利水电出版社,2013:91-99.（FENG Shurong,PENG Tubiao.Handbook of hydraulic structure design（Volume 10）:slope engineering and geologicaldisaster preventionM.2nd ed.Beijing:China Water Resources and Hydropower Press,2013:91-99.（in Chinese）8 水利电力部水利水电规划设计院.水利水电工程地质手册M.北京:水利电力出版社,1985:689-692.（Planning andDesign Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power,Ministry of Water Resources and Hydroelectric Power.Handbook of water conservancy and hydropower engineering geologyM.Beijing:China Water&Power Press,1985:689-692.（in Chinese）9 彭土标.水力发电工程地质手册M.北京:中国水利水电出版社,2011.（PENG Tubiao.Handbook of hydropowerengineering geologyM.Beijing:China Water Power Press,2011.（in Chinese）10Research on time-space boundary decision-making in short-term prediction ofreservoir bank collapseCHEN Yanguo1,2,GAO Ping1,2,JIANG Yaofei1,2(1.Yellow River Engineering Consulting Co.,Ltd.,Zhengzhou 450003,China;2.Key Laboratory of Water Management and WaterSecurity for Yellow River Basin,Ministry of Water Resources(under construction),Zhengzhou 450003,China)Abstract:Reservoir bank collapse is a geological environmental disaster phenomenon with time-space boundaryattributes.Time boundary refers to the time span,including long-term and short-term bank collapse.Space boundaryrefers to different reservoir sections.Differences in bank collapse patterns and prediction parameters are caused bydifferences in geological environmental conditions.At present,the short-term prediction time span of reservoir bankcollapse commonly used is 2 to 10 years,but for engineering applications,there is a lack of sufficient decision-makingbasis,which brings difficulties to practical applications.Based on the characteristics of the reservoir water storageprocess,this paper proves that the selection of the short-term prediction time for bank collapse can be defined accordingto the time period of the reservoir water storage process.From the perspective of large-scale reservoir projects such asthe Three Gorges and Xiaolangdi,the definition method is scientific and reasonable.And a decision-making flow chartfor the time-space boundary of bank collapse prediction is designed.The decision-making theory of time-spaceboundary is applied to the short-term bank collapse prediction of Malianhe Reservoir in Gansu,and the decision-making process of its time-space boundary is expounded in detail.And from the perspective of engineering geology,suggestions are provided for the application of short-term bank collapse prediction results.Key words:reservoir collapse;short-term prediction;space-time boundary;water storage process第 2 期陈艳国，等：水库塌岸短期预测中时空界限决策研究69