不同水位下渭北黄土台塬水库岸坡塌岸模型试验_李常虎.pdf

收稿日期:20220317基金项目:中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司科研项目(XBYKJ201919);国家自然科学基金资助项目(41877242)作者简介:李常虎(1976)，男，甘肃定西人，正高级工程师，主要从事水利水电工程勘察工作E-mail:2198678288 qqcom【水利水电工程】不同水位下渭北黄土台塬水库岸坡塌岸模型试验李常虎1，马学通2，3，高德彬2，3，李征征1，李萍2，3，李同录2，3(1中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065;2长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054;3黄土高原水循环与地质环境教育部野外科学观测研究站，甘肃 正宁 745399)摘要:通过现场调查渭北黄土台塬大北沟水库岸坡塌岸形态，并通过物理模型试验对不同水位条件下的直立型黄土岸坡的塌岸特征、形态开展了试验研究，试验结果表明，岸坡高度相同时，塌岸宽度与水位成正比，且水位越高塌岸频次越多、时间间隔越短、塌岸越剧烈。同时，岸坡塌岸后的水上岸坡存在直立段，水下岸坡呈曲线形，这与图解法的直线形存在一定的差异。另外，水下岸坡坡角随着与坡脚距离不同而差异较大，但远离坡脚处的水下岸坡角度基本相同，综合确定出水下综合稳定坡角为 1618。关键词:黄土台塬;水库;岸坡塌岸;模型试验;水下坡角中图分类号:TV69723文献标志码:Adoi:103969/jissn10001379202307028引用格式:李常虎，马学通，高德彬，等不同水位下渭北黄土台塬水库岸坡塌岸模型试验 J 人民黄河，2023，45(7):152156Model Test on Bank Collapse of Weibei Loess Plateau eservoir Under Different Water LevelsLI Changhu1，MA Xuetong2，3，GAO Debin2，3，LI Zhengzheng1，LI Ping2，3，LI Tonglu2，3(1Power China Northwest Engineering Corporation Limited，Xi an 710065，China;2College of Geological Engineering and Geomatics，Chang an University，Xi an 710054，China;3Water Cycle and Geological Environment Observation and esearch Station for the Chinese Loess Plateau，Zhengning 745399，China)Abstract:The collapse morphology of the loess bank of the Dabeigou eservior which is located in Weibei loess tableland area was investiga-ted in the field，and experimental research on the bank collapse characteristics and morphology of the loess bank under different water levelconditions was carried out by physical model tests The results indicate that the bank collapse width is directly proportional to the water level，and the higher the water level，the more frequent the bank collapse，the shorter the time interval，and the more intense the bank collapseMeanwhile，there is an upright section of the above-water bank slope and a curved underwater bank slope after bank collapse，which is differ-ent from the linear type of the graphical method In addition，the underwater bank slope angle varies greatly with the distance from the toe ofthe slope，the angle of underwater bank slope far away from the slope toe is basically the same And underwater integrated stability slope an-gle is 1618Key words:loess tableland;reservoir;bank collapse;model test;underwater slope angle0引言黄土地区生态环境脆弱，水库塌岸的发生会导致水土流失，对库区自然生态环境造成不良影响，如三门峡水库最大塌岸宽度达到了 950 m，塌岸方量 923 亿m3，造成库区严重的水土流失与淤积，因此黄土地区塌岸研究对库区生态环境保护具有重要意义1。濮声荣2 对黄土岸坡的塌岸特征进行了总结，将岸坡分为堆积岸坡、磨蚀岸坡和磨蚀堆积岸坡 3 类，并对各类塌岸岸坡的分布及不同岩土类型岸坡的稳定坡角进行了统计。吕占彪等3 调查发现小浪底水库不同时期塌岸影响因素存在差异，秋季以水流侧向侵蚀为主，其余时间则为蓄水;在考虑岸坡塌岸特征的基础上，用卡丘金法计算了岸坡的塌岸宽度。李永乐4 指出黄土塌岸的主要影响因素包括地质环境条件和水力条件的变化，黄土塬岸坡塌岸剧烈，而一级阶地塌岸则相对较少。陈思明等5 则认为黄土岸坡塌岸主要是水的作用导致的，库水位下降时塌岸剧烈。郭凯等67 根据岸坡土体性质将岸坡分为离石黄土岸坡和重力堆积体岸坡两类，并通过原位浸水试验分析指出两者水下稳定坡角存在差异。樊晓明8 指出黄土地区中小型水库受风浪作用影响较小，且运行水位较为稳定，塌岸主要是库水通过物理化学作用使岸坡岩土体的强度降低导致的。岳永峰等9 根据泾河岸坡发育特征对卡丘金法进行改进，有效提高了塌岸的预测精度。王春永10 通过对王圪堵水库的调查指出陕北黄土岸坡后缘存在一定高度的直立岸坡。除此以外，还有部分学251第 45 卷第 7 期人民黄河Vol45，No72023 年 7 月YELLOWIVEJul，2023者对库区渗流场进行研究，如:刘晓光等11 采用Modflow 对库区地下水位进行了模拟，指出地下水位变化的滞后性主要与岸坡距离、渗透系数、给水度有关，降雨蒸发对其影响较小;王志浩12、卿菁等13 研究指出岸坡渗流的滞后性对岸坡稳定性具有一定影响。目前针对黄土岸坡塌岸预测主要采用图解法进行，关于塌岸的主要影响因素、渗流场等有一些研究成果，而关于不同水位的岸坡塌岸特征、动态发展趋势的研究相对较少。基于此，笔者以渭北黄土台塬宝鸡峡灌区大北沟水库岸坡为研究对象，通过现场调查水库不同位置直立岸坡的塌岸形态，借助物理模型试验对不同水位下直立岸坡塌岸的发生发展及最终稳定形态进行研究，以期为黄土台塬区地质环境条件相同或相似的水库治理塌岸及修复生态环境提供参考。1大北沟水库环境地质条件及岸坡塌岸特征大北沟水库地处关中盆地西北部的渭北黄土台塬地区渭河支流莫谷河下游，行政区划属陕西省乾县。该水库由莫谷河截流形成，水库沿黄土塬间沟壑展布，整体呈 V 形(见图 1)，回水长度约 45 km，最大水深310 m，有效库容约为 3 025 万 m3。据现场调查，岸坡土体主要为第四系风积黄土，抗冲刷能力差，在库水作用下易发生变形破坏，塌岸现象严重(见图 2)。图 1大北沟水库位置及流域形态图 2不同水位及岸坡高度下岸坡形态2材料和方法21试验材料室内物理模型试验的模型箱为长方体，长度140 cm、高度 80 cm、宽度 50 cm，选取刚度大且质量较轻的亚克力材料制作(厚度 05 cm)。为了方便进出水，模型箱设置对称的进出水孔，且用阀门控制，孔中心与模型箱底部和侧边的距离均为50 cm，孔径 20cm。模型箱构造见图 3。图 3物理模型箱示意(单位:mm)模型箱填筑的黄土取自大北沟水库岸坡上部的扰动黄土，通过室内土工试验确定黄土的液限、塑限及压实性控制指标(见表 1)。同时，采用 Bettersize 2000 型激光粒度分布仪对其进行粒度分析，其粒径分布曲线见图 4。表 1试验用黄土物理性质指标密度/(g/cm3)液限wL/%塑限wp/%最优含水率 wop/%最大干密度dmax/(g/cm3)153293167162170图 4黄土粒径分布曲线22试验方案为了研究水库不同位置的岸坡塌岸特征，设置了3 种不同的水位，即 15、40、65 cm，分别对应水库上游、中游与下游(大坝附近)水位。考虑到高水位塌岸宽度较大，试验时增加了岸坡模型填筑的宽度。模型填筑的压实黄土压实度指标为 08，接近于岸坡黄土的天351人 民 黄 河2023 年第 7 期然密实度。模型填筑黄土控制指标及试验方案见表2。岸坡填筑完成后静置 48 h，以使其达稳定状态。试验开始时以 15 cm3/s 的流量向模型箱内注水，达到预定水位后进行试验观察，记录岸坡变形破坏过程及塌岸稳定后的最终宽度与形态特征。表 2模型填筑黄土控制指标及试验方案试验方案编号含水率w/%干密度 d/(g/cm3)模型尺寸/cm高宽水位/cm1231212121361361367045157050407060653试验结果及讨论方案 1 模型试验(水位 15 cm)的塌岸发生发展过程见图 5。在加水过程中，水下岸坡坡面出现少量溜土。试验进行 4 h 时，岸坡出现第 1 次塌岸，塌岸高度约 40 cm、宽度约 5 cm。岸坡临水面出现明显的裂缝，水面以上岸坡出现冲蚀龛。第 2 次塌岸出现在11 h时，塌岸边界明显上移，高度达到了 60 cm，塌岸宽度1015 cm，且在岸坡临水面出现新的裂缝，冲蚀龛进一步扩大，部分被塌岸土体掩埋。第 3 次塌岸发生于4 d 时，之后岸坡处于稳定状态。最终塌岸宽度约 15cm，冲蚀龛被塌岸土体完全掩埋，同时渗流作用使得模型水位出现下降。由模型坡上部可以观察到岸坡稳定时坡面线为曲线，而从模型侧面可以观察到，岸坡上部呈近似直立状，而水下部分呈曲线形。水下堆积岸坡长度达60 cm。同时，水下堆积体角度测量结果显示，靠近坡脚附近稳定坡角为 1820，远离坡脚的稳定坡角为 812。水下综合坡角为 1618，这与濮声荣2 统计的结果基本一致。图 5方案 1 模型试验塌岸过程方案 2 模型试验(水位 40 cm)的塌岸发生发展过程见图 6。图 6方案 2 模型试验塌岸过程方案 2 模型试验共发生 5 次塌岸:第 1 次塌岸发生于试验开始后 2 h，塌岸位置位于水下，由于水体浑浊，因此仅能从侧面进行观察，塌岸高度约为40 cm、宽度为 3 cm，全部塌岸部分位于水下。第 2 次塌岸发生于 55 h 时，塌岸宽度 10 cm，塌岸高度没有明显变化，此时可以观察到水下岸坡呈曲线形。第 3 次塌岸发生于 18 h 时，塌岸宽度为17 cm，高度扩大至50 cm，此时塌岸有部分露出水面，可以观察到水位附近出现冲蚀龛，且坡顶出现了一条裂缝。第 4 次塌岸发生在 3 d时，塌岸高度扩大至 60 cm，其他没有变化。第5 次崩塌发生在 4 d 时，塌岸宽度约 35 cm，冲蚀龛被塌岸土体掩埋，之后岸坡处于稳定状态。由模型坡上部可以观察到塌岸后坡面线呈曲线形，从模型侧面可以观察到岸坡上部呈近似直立状，而水下部分呈曲线形，水下沉积物的长度超过 110 cm。同时，水下堆积体角度测量显示，靠近坡脚附近稳定角为 2530，远离坡脚的稳定角为 812，水下综合坡角为 1618。方案 3 模型试验(水位 65 cm)的塌岸发生发展过程见图 7。在此次模型试验中，共发生了 6 次塌岸:第1 次塌岸发生于试验开始后 30 min，塌岸宽度约为 5cm，越靠近岸坡底部塌岸宽度越小。同时，塌落土体在水下形成了曲线形堆积岸坡，对水下岸坡起到了一定的保护作用。第2 次塌岸发生在 15 h 时，塌岸宽度达到了 10 cm，同时形成了新的冲蚀龛，水下堆积岸坡仍为曲线形。第 3 次塌岸发生在 3 h 时，塌岸宽度约451人 民 黄 河2023 年第 7 期图 7方案 3 模型试验塌岸过程为 15 cm，岸坡形态轮廓基本无变化。第 4 次塌岸发生于 5 h 时，塌岸宽度达到了 25 cm，在水位以上岸坡为直立状态，水下原始岸坡仍存在较大角度，水下堆积岸坡角度则较小，且延展长度和厚度不断增大。第 5次塌岸发生在 10 h 时，塌岸宽度达到了 40 cm，水下岸坡完全被塌落土体掩埋，水下岸坡剖面角度为堆积物的角度。第 6 次塌岸发生在 13 h 时，塌岸宽度约50 cm，水上岸坡仍为直立状，岸坡后缘与模型箱脱开，但未发生滑塌，之后岸坡一直处于稳定状态，直至试验结束。同时，水下堆积体角度测量结果显示，靠近坡脚附近稳定角为 30 35，远离坡脚的稳定角为 8 15，水下综合坡角为 16 18。值得指出的是，在试验结束后排水过程中又一次发生塌岸，水上岸坡完全滑落至水面以下。表 3 为模型试验所得塌岸结果及不同位置岸坡稳定角度。可以看出，水位越高，塌岸次数越多，塌岸宽度越大。同时，不同水位条件下水上岸坡的稳定角度均为 90，而水下堆积岸坡在远离坡脚处的角度基本一致，但坡脚处的稳定角度随着水位的升高而增大。不同水位条件下的水下综合坡角均为 16 18，这一结果与目前黄土地区塌岸预测所采用的水下稳定角度基本一致，说明图解法虽然对水下岸坡形态描述不准确，但其水下稳定角的选取是合理的。表 3模型试验结果统计试验方案编号水位/cm塌岸次数最终塌岸宽度/cm水下堆积稳定角度/()坡脚处远离坡脚综合坡度水上稳定角度/()115315182081216189024053525308121618903656503035815161890将不同水位的塌岸宽度与浸水时间、水位与最终塌岸宽度的关系绘制成图，见图 8、图 9。图 8塌岸宽度与时间的关系图 9水位与最终塌岸宽度的关系由图 8 可以看出，模型水位越高，最终塌岸宽度越大。同时水位越高，模型塌岸发生的频次越多、时间间隔越短、塌岸越剧烈。由图 9 可知，水库岸坡的塌岸宽度与库水位为线性关系，这与水库下游(大坝附近)宽度明显大于中、上游区域的现象一致。4结论通过现场调查渭北黄土台塬大北沟水库不同位置岸坡塌岸形态，并借助物理模型试验对不同水位下直立黄土岸坡的塌岸过程、塌岸形态及水下稳定坡角等进行试验研究，得到以下结论。1)水位越高，岸坡最终塌岸的宽度越大，且最终塌岸宽度与水位呈线性关系。同时，库水位越高，其岸坡塌岸发生的频次越多、时间间隔缩短、塌岸越剧烈。2)黄土岸坡发生塌岸后，存在一定高度的水上直立岸坡，而水下岸坡形态呈曲线形。因此，选用图解法对直立黄土岸坡进行塌岸预测时，应考虑水位和岸坡高度，并对图解法进行相应的修正，保证塌岸预测结果551人 民 黄 河2023 年第 7 期的准确性。3)水下岸坡坡角随着与坡脚距离的不同而差异较大，远离坡脚处的水下岸坡角度基本相同，水下综合稳定角为 1618，这与文献 2 统计结果一致，表明黄土塌岸预测时水下稳定综合坡角参数选取是合理的。参考文献:1 高德松，席占平，王西超，等三门峡水库塌岸量的计算分析 J 人民黄河，1997，19(3):1315 2 濮声荣黄土地区水库岸坡变形J 人民黄河，1983，5(5):25 3 吕占彪，尚锋，刘丰收，等黄河小浪底水库塌岸分析及初步评价 J 人民黄河，1998，20(7):3538，47 4 李永乐三门峡水库库岸坍塌成因分析与防治措施研究 J 水土保持学报，2003，17(6):129132 5 陈思明，杨秀娟黄土区水库库岸稳定分析J 科技视界，2015(21):18，119 6 郭凯庆阳黄土区芡子沟水库库岸塌岸分析 J 地下水，2016，38(3):223224，227 7 郭凯，王旭银，徐喜刚庆阳黄土区芡子沟水库蓄水前后的塌岸评价 J 地下水，2021，43(5):168169 8 樊晓明黄土地区水库库岸失稳机理探讨 J 陕西水利，2008(3):7172 9 岳永峰，罗延婷，李伟东庄水库黄土岸坡的塌岸预测方法研究 J 资源环境与工程，2013，27(4):398400 10 王春永黄土地区水库塌岸预测方法研究 J 城市建设理论研究(电子版)，2020，20(20):106107 11 刘晓光，黄勇平原型水库水位变化对库区附近地下水位影响的滞后性研究J 水电能源科学，2020，38(4):8486，166 12 王志浩水位升降及降雨联合作用下库岸边坡稳定性研究 D 杨凌:西北农林科技大学，2021:5262 13卿菁，朱蕾，陈昊，等库水位波动与降雨作用下的滑坡流固耦合分析 J 湖北工业大学学报，2021，36(4):5256，84【责任编辑张华岩】(上接第 124 页)11 马建琴，李明作物在线实时灌溉制度研究及其管理软件研制 J 节水灌溉，2011(8):5557，60 12黄慧雯，程吉林，王明东，等南方大型灌区水稻田灌溉制度实时优化方法研究 J 灌溉排水学报，2019，38(增刊 1):5156 13卞艳丽，黄福贵，曹惠提黄河下游三刘寨引黄灌区引水能力分析 J 人民黄河，2019，41(1):152156 14 马建琴，郝秀平，刘蕾北方灌区水资源节水高效智能管理关键技术研究 M 郑州:黄河水利出版社，2018:5270 15 李鹏飞多水源灌区水资源实时优化配置D 郑州:华北水利水电大学，2016:1623 16 丰尔蔓灌区实时灌溉预报和用水计划的研究D 杨凌:西北农林科技大学，2020:1720 17 刘春伟，邱让建，孙亚卿，等不同材料和尺寸微型蒸渗仪测定土壤蒸发量 J 中国农村水利水电，2018(6):15 18谷红梅，高彦君，陆建红洛阳地区节水高效小麦玉米连作灌溉制度分析 J 人民黄河，2014，36(2):8589 19 何胜冬小麦适应性节水灌溉预报与实时配水技术研究 D 郑州:华北水利水电大学，2016:3942 20马建琴，李鹏飞，刘蕾河南地区夏玉米作物系数试验研究 J 节水灌溉，2016(4):2427 21 彭世彰，索丽生节水灌溉条件下作物系数和土壤水分修正系数试验研究 J 水利学报，2004，35(1):1721 22 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