鲸鱼沟黄土水库塌岸、淤积调查与预测分析_鲁博.pdf

：鲸鲸鱼鱼沟沟黄黄土土水水库库塌塌岸岸、淤淤积积调调查查与与预预测测分分析析鲁博，何小亮，张林，于前伟（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安；长安大学 地质工程与测绘学院，陕西西安）摘要为了预测黄土水库改造再利用后的塌岸量与淤积量，对鲸鱼沟现有水库的塌岸和淤积情况进行了地质调查，并据调查结果提出了黄土库区塌岸与淤积预测方法。研究结果表明：现有水库两岸只出现了几处小型滑塌且已基本稳定，统计出黄土岸坡水下磨蚀角在 之间，残坡积层岸坡水上磨蚀角在 之间，黄土的水上坡脚坡度为 左右；库区淤积物横断面十分平坦，淤积主要考虑来自塌岸物质，揭露了现有水库淤积模式，计算得到其淤积厚度为 和淤积量为 ；结合现有塌岸调查结果，提出了水库塌岸预测原则，采用卡丘金法与岸坡结构法相结合的方法预测了拟建水库的总塌岸量为 和入库量为 ；结合现有淤积调查结果，提出了淤积预测方法，即将塌岸量分段淤积于水库底部，预测了拟建水库的淤积厚度为 之间，大部分地段为 ，淤积量为 ，约占总库容的 。本文预测结果为鲸鱼沟黄土水库改造工程提供可行性资料，也为相关黄土水库建设提供参考作用。关键词黄土水库；鲸鱼沟；塌岸预测；淤积预测；引汉济渭工程中图分类号 文献标识码文章编号 （）收稿日期 作者简介鲁博（），男，陕西榆林人，高级工程师，主要从事水利工程地质方面工作。，（o o o oo o，；oo o oo ，）：o o o o o oo oo o o o，o oo o o ，oo o o oo o o oo o o o o o o o o oo o o o ，oo o o ，o o o o o o o o ，oo o o o o oo o ，oo oo o o o o o，o o o o o，o o o ooo o o oo o o o o o o o ，o o o oo，o o oo o o，o o oo o o ，o o o ，o o ，o o o o o o o o o o oo o o o o o o，oo o oo o o o：o o；o o；o o；o o o引言“引汉济渭”是我国“十四五”规划（水利部分）中重大引调水工程的重要组成部分，为陕西省境内“南水北调”工程，其调水线路不具备在始端黄池沟配水枢纽修建调蓄水库的条件，南北干线沿线也无适宜修建调蓄水库的条件。因此，年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.在各支线进行分散调蓄相对较为适宜，现阶段主要任务是在已有水利工程的基础上进行延续、扩展和改造，以满足整体性、区域性协调规划。“引汉济渭”调水工程有很大一部分坐落于黄土地区，黄土是第四纪沉积物，具有大孔隙结构，遇水易湿陷坍塌的特点，黄土水库工程由于长期亲水，易形成库岸坍塌和库底淤积。而水库塌岸和淤积量大小对水库库容损失、水库修建成本、坝址选择难度、水库功能效益、维护成本、危险发生率以及社会发展皆有决定性影响 。因此，现有水库因塌岸产生的水下淤积量和形态调查，以及水库后期改造再利用蓄水时形成新的塌岸和淤积预测成为水库前期设计、后期建设和运营的重点。众多学者对水库塌岸预测研究由来已久，提出了许多方法，其中卡丘金法、佐洛塔廖夫法、两段法、库岸结构法、平衡剖面法均属于类比图解法。而数学分析法采用数理分析方法，神经网络方法则属于非线性分析方法。数学分析法、动力法、刚体板块法为线性分析法。超前新息法则类似于隧道超前地质预报，通过收集塌岸发展数据，对模型进行修正，确保预测的准确性。对于水库塌岸的计算方法研究均有其适用性，但大多未对适用条件进行详细划分，特别是在黄土地区塌岸预测中，上述预测模型的使用需要结合符合实际的塌岸预测原则。黄土地区水土流失和塌岸共同产生的土屑直接倾入水库，这是黄土区水库淤积容量增大的主要原因。已有研究表明，陕西省黄土地区大中型水库在 内淤损率达 左右，可达 。现有黄土库岸调查和水下地形测量是预测库区后期改造产生淤积量的计算基础。水下地形测量一般通过全站仪配合水深探测仪和 配合水深探测仪两种方法，后者因精度、灵活性高应用更为广泛。研究显示，在不考虑水库流速时，淤积物在水库底部均匀平铺。大量水库淤积研究仅针对库区泥沙淤积情况进行了监测和分析，或根据已有资料用数值模拟方法预测了淤积变化 ，但对于淤积来源和最终淤积量的预估关注较少。鉴于此，本文通过对上世纪 年代鲸鱼沟现有水库（已运行 左右）库岸、水下地形进行地质调查和测量，分析其库岸塌岸条件、淤积模式；在深入系统调查分析的基础上，期望提出一套适宜于黄土地区水库岸坡塌岸和淤积的预测方法。图 鲸鱼沟流域现状水库分布图工程概况鲸鱼沟水库工程被列为引汉济渭工程重要的调蓄工程，全长 ，流域面积约 ，一期拟建水库坝址位于鲸鱼沟下游，距沟口处的红旗水库坝址约 。水库初设最大坝高 ，正常蓄水位 时，回水至杨家沟水库坝址下游，回水长约 ，水库总面积 亩。相应库容 ，正常蓄水位与死水位之间的调节库容（有效库容）为 ，水库消落深度为 。鲸鱼沟流域现状水库分布如图 所示。库区出露的地层为新生代第三系和第四系地层，其中第三系为灞河组砂岩和泥岩互层，第四系主要为风积黄土，库区两岸斜坡局部坡段分布有古滑坡堆积和全新统坡积物，目前的水库区有较厚的现代淤泥质黏土沉积。现有水库区调查 水库塌岸调查对鲸鱼沟拟建水库汇水区范围的老水库两岸塌岸情况进行了调查。鲸鱼沟现有水库建成已有 多年，塌岸已基本稳定，因此对现有库岸的调查测量结果可作为未来水库塌岸预测的依据。从现有库岸的调查结果看，两岸植被茂盛，塌岸的地段非常少，只在红旗水库库区发现几处小型滑塌，如图 所示。塌岸后的黄土岸坡在水上形成近直立的陡坎，水位变动带形成缓坡，用罗盘现场测量了红旗水库两岸两处黄土岸坡的水下磨蚀角，统计出 黄 土 岸 坡 水 下 磨 蚀 角 度 在 之间，坡度最集中的区间在 之间；残坡积层岸坡水上磨蚀角度在 之间，其中最集中的坡度区间为 。黄土的水上坡脚坡度为 左右，而砂泥岩、残坡积土和滑坡堆积都保留了原始地形坡度。图 红旗水库局部塌岸情况 水库淤积调查为了评价拟建水库淤积问题，对现有水库淤积情况进行了调查统计，首先通过 配合水深探测仪（图）测定了红旗、二道坝和车村水库库区共 个地形断面的水下地形，其典型水下地形如图 所示。可以看出地形断面的中间地形已经淤平，两侧为斜坡。根据现有淤积断面可见，库区淤积物横断面十分平坦。根据实测断面计算的现有二道坝和车村水库淤积物的纵向坡度分别为 ，可见淤积地形纵向和横向都很平坦。水库的淤积主要考虑来自塌岸物质在水下的淤积，这种淤积特点和淤积物的物质成分有关，由于淤积物主要是黄土，黄土很细，在水动力作用下变成悬液，扩散到整个水体，再均匀沉积到库底，形成平坦的淤积地形。图 水下地形测量在坝址区附近共有 水上钻孔，这些钻孔都揭露出水库淤积层厚度，其厚度统计如表。由表可见目前水库淤积厚第 卷第 期地下水 年 月度 。白鹿原鲸鱼沟所处是一个独立的构造抬升地块，鲸鱼沟属于一个侵蚀沟谷，原始地形横断面多成“”形，为此参考已有钻孔揭露的淤积厚度，按各断面两岸斜坡的趋势，粗略恢复其原始地形轮廓，再计算其淤积量。现有水库库容 ，总淤积量 ，淤积占库容比例 。钻孔揭露出的淤积物主要为含少量有机质的粉质粘土，不含砾石、碎石和砂等粗碎屑物质，说明淤积物主要来自两岸的黄土，即降雨形成的坡面流将斜坡上的黄土冲入水库之中，由于沟被各坝分段拦截，可以说没有来自上游的淤积物。图 二道坝上游库区 水下地形断面表 水上钻孔揭露的现有水库库区淤厚度钻孔号钻孔位置淤泥厚度 坝轴线上游围堰 河道（坝轴道）坝轴线河心孔 坝轴线下游河床 车村水库坝轴线（推荐）下游 水库两岸塌岸量预测本次研究塌岸预测计算采用卡丘金与岸坡结构法相结合的方法，所需各坡角参数通过现场测量统计获得。根据已有岸坡的调查结果，对拟建水库塌岸提出以下预测方法：（）塌岸线以当前水位线为起算点，若当前沟底没有被水库淹没，自当前沟底算起；（）对有残坡积覆盖的砂泥岩岸坡只考虑 厚的残坡积及强风化层塌岸，水下磨蚀角取 ，对裸露的弱风化砂泥岩不考虑塌岸。（）厚的残坡积层坡度低于，则不考虑塌岸问题，坡度大于，水下磨蚀角取 ；（）滑坡堆积体坡度低于，则不考虑塌岸问题，坡度大于，水下磨蚀角取 ；（）黄土岸坡的坡度低于，则不考虑塌岸问题，坡度大于，水上磨蚀角取 ；（）对残坡积土、滑坡堆积土和黄土岸坡，水上岸坡角统一取 。按照以上原则，具体塌岸预测的方法如下：（）首先按岩土体类型对库岸进行分段，在同一种岩土体分段中，按斜坡地形分小段，尽可能使同一小段岩性相同、地形坡度相同。（）在每一小段切取一个代表性段断面，按以上原则作出塌岸线预测剖面，在剖面上统计塌岸宽度、总塌岸方量、入库方量。（）将每一小段的塌岸方量和入库量乘以断面所代表的库岸线长度，即为该段塌岸方量和入库量，把所有库段累加则得总的塌岸方量和入库量。由于鲸鱼沟植被茂盛，以上原则并未考虑植被的影响，根据现有库岸的情况看，若考虑植被对塌岸的抑制作用，实际塌岸量不会超过按此估计的量。沿库共切横断面 个，两岸的塌岸预测断面 个，几种典型断面塌岸预测剖面如图（）（）所示。计算结果见图，得到总塌岸量为 ，入库量为 。图 典型剖面的预测塌岸模型图 库区各断面段塌岸量与入库量预测结果图 二道坝上游库区 水下地形断面图 库区各断面段淤积量与淤积深度预测结果拟建水库淤积量预测为了预测淤积后的水下地形，沿库区共切出 个横断面（同塌岸）。参考现有库区淤积的地形特点，由于水库淤积主要来自两岸塌岸物质，因此只考虑将总塌岸量 沿库区以车村水库坝体为界，分两段将其淤积于库底。现有典型地形断面和预测淤积后的地形断面如图 所示。各断面计算结果如图 所示，淤积量和淤积厚度变化趋势基本一致，沿库区淤积厚度在 之间，大部分地段为 。将各 断 面 断 淤 积 量 累 加，得 到 拟 建 水 库 总 库 容 为 。目前总淤积量（只考虑将总塌岸量）为 ，约占 ，本次只考虑塌岸量及自两岸的黄土，即降雨形成的坡面流将斜坡上的黄土冲入水库之中，由于沟被各坝分段拦截，暂时未考虑有来自上游的淤积物。值得指出的是，现有水库两岸斜坡主要为砂泥岩岸坡，植被覆盖好，塌岸地段很少，只有零星几处塌岸。水库两岸斜坡第 卷第 期地下水 年 月和塬顶在上世纪初期以前主要是农田，库岸半坡的平台上还有大规模的村庄，人为活动很强烈，农田周年翻耕，土壤松软，容易被冲蚀。我国 年年底颁发了退耕还林政策，岸坡上的农田逐渐被废弃，塬顶上的农田面积也大大缩减，改为经济林。库岸和塬顶植被覆盖率达 以上，仅有一些大型冲沟沟底，道路内侧开挖的陡坎和自然坍塌形成的陡坎裸露，因此拟建水库由于坡面流产生的淤积量将会大大降低。结语黄土地区水库建设受塌岸和淤积影响较大，本文调查了鲸鱼沟现有水库的塌岸和淤积情况，提出了拟建水库塌岸和淤积预测方法，得到以下结论：（）现有水库塌岸段只有零星几个且已基本稳定；水库淤积主要来自两岸的塌岸物，且在水下形成平坦地形，粗略计算得到现有水库库容 ，总淤积量 ，淤积占库容比例 ，符合以往统计结果。（）根据已有岸坡调查结果，提出了拟建水库塌岸预测原则与方法；采用卡丘金与岸坡结构法相结合的方法预测拟建水库总塌岸量为 ，入库量为 。（）根据调查的水下淤积地形，将总塌岸量 沿库区淤积于库底，得到总淤积量为 ，约占总库容的 。本文应用的黄土水库塌岸和淤积调查方法，提出的预测方法对于黄土地区现有水库改造再利用建设具有指导作用。基于预测结果，下一阶段工作应将水库塌岸和淤积问题评价作为重点。参考文献刘孝盈，吴保生，于琪洋，等 水库淤积影响及对策研究 泥沙研究（）：韩其为，杨小庆 我国水库泥沙淤积研究综述 中国水利水电科学研究院学报（）：杨立晋，李晓飞 水库泥沙淤积测量方法及淤积库容计算的分析 甘肃水利水电技术 （）：梁瑞锋，徐鹏 景洪水电站水库区塌岸时空变化特征及影响因素分析 人民珠江 （）：马翠丽，张建，万占伟 水库泥沙淤积及其对工程运用的影响 河南水利与南水北调（）：秦二乐 鲸鱼沟库区黄土库岸边坡稳定性分析与塌岸预测研究 长安大学 王跃敏，唐敬华，凌建明