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