水库塌岸预测的现状及冲堆平衡法
1 引 言
前苏联学者萨瓦连斯基首次提出了水库塌岸问题，认为水库塌岸是由于河道水位抬高，吃水线与岸坡相接触，岸壁的天然平衡条件遭到破坏而引起的，波浪是造成水库塌岸的主要因素之一，其早期提出的卡丘金法和卓洛塔寥夫法仍在工程中进行应用，对现今塌岸预测研究仍具有深远意义，我国学者在工程实践中也提出一些塌岸预测方法，如王跃敏等的两段法、许 强等提出的岸坡结构法等，还有平衡剖面法、三段法、经验法等都在工程中广泛应用，都具有一定的实际意义。
由于自然地质条件的复杂多变性，这些方法多属于定性和定量相接合，还没有严格的物理和数学方程能够严格地解决这类问题。塌岸的起算点一般是以水库运行低水位或低水位加波浪影响范围来确定的，这些方法在一些特定情况下还是比较适用的，然而对于西南山区峡谷型水库而言，发现塌岸宽度与传统方法预测大多数情况下误差较大，实际塌岸宽度往往比采用上述方法预测的偏小很多。究其原因，可能与人们在预测时对已有各种塌岸预测方法的适用条件认识不清和预测方法本身存在缺陷等有关。因此，探讨水库塌岸的预测方法不仅具有重要的学术价值，而且对于提高水库塌岸预测精度，指导工程处理和水库运行安全具有重要的指导意义。
本文通过对二滩、瀑布沟、宝珠寺、紫坪铺、漫湾、天生桥一级、大朝山、硗碛、狮子坪、水牛家、官地等 10 多个已建成运行多年的大型水库塌岸现场调查统计分析，研究水库塌岸与蓄水的关系、塌岸堆积物在坡脚的堆积状况、塌岸机制、塌岸影响因素、塌岸参数、塌岸起算点等，总结水库塌岸的规律和已有塌岸预测方法的适宜性，从而提出了更为合理的塌岸预测方法冲堆平衡法，在此基础上，给出了相应的塌岸预测参数取值体系和应用实例分析，以期为水库塌岸预测提供理论基础。
2 现有塌岸预测方法适宜性分析
本文通过对相关资料的收集，具体分析了各种塌岸预测方法原理，对几种主要方法适用性研究整理归纳总结如下：
(1) 卡丘金法
由前苏联学者卡丘金提出，根据几何关系用计算图解法求解岸坡最终塌岸预测宽度，塌岸预测原理见图 1，塌岸起算点为水库最低水位。
(2) 卓洛塔寥夫法
卓洛塔寥夫法岸坡最终塌岸宽度预测计算图解原理[2-5]见图 2。图 2 中：St为塌岸带最终宽度(m)，hp为波浪冲刷深度(m)，hb为波浪爬高(m)，1为浅滩堆积稳定坡角()，2为浅滩堆积稳定坡角()，3为浅滩冲蚀坡角()，4为水上浪击坡角()，5为水上稳定坡角()。
(3) 两段法
王跃敏等经过近 10 a 数十处水库塌岸的调查研究，提出用两段法来指导外福(外洋福州)铁路线的塌岸预测设计。预测原理见图 3，该方法已在外福线水库塌岸预测中得到成功的应用。两段法的起算点为原河道多年最高洪水位，对于库水位抬升较小的水库预测效果较好[4]，但对库水位抬升较大的水库，预测结果往往比实际偏大很多[8-9]，分析与起算点偏低有关。
3 水库塌岸的机制研究
从大型水电工程塌岸调查情况看，在水库蓄水初期及蓄水过程中就会产生大量的塌岸现象，如三峡、锦屏一级、瀑布沟、小湾、二滩、狮子坪、宝珠寺水库等在各阶段蓄水过程中都产生了数处甚至数十处的塌岸和变形，塌岸机制不尽相同，塌岸模式也不相同。
4 水库塌岸起算点分析讨论
如前所述及相关文献分析，卡丘金塌岸预测方法起算点为水库最低水位，卓洛塔寥夫法塌岸起算点仍为水库低水位，两段法的起算点为原河道多年最高洪水位，岸坡结构法起算点为水库低水位或死水位，陈卫东、彭仕雄在中国水电顾问集团科技项目《西南山区河流水库塌岸预测关键技术问题研究》科研中提出的成勘院法(通用二段法)将塌岸起算点确定为死水位，郭维祥等对塌岸起算点作了探讨。这些预测方法有一个共同点就是塌岸的起算点一般是水库运行低水位或死水位(见表 2)，有的考虑了风浪作用，有的不考虑风浪作用，但均不考虑塌岸后的水下堆积情况，塌岸后的众多实例观察表明，这些方法的起算点确定基本合理，但是当有水下堆积宽缓地形时，这些塌岸堆积物大都堆积于坡脚，与上述方法起算点确定的位置往往差别较大。显然起算点的确定仍存在一定缺陷。这是因为水库蓄水后库水流动缓慢，风浪作用较小(如两段法和岸坡结构法就不计风浪作用的影响)，土体塌岸后大部分堆积在水下，只有其中较为细小的颗粒部分会被带走，经过较长时间塌岸与堆积保持一定的平衡状态塌岸就会停止，因此，塌岸的起算点应该是一个动态平衡点。冲堆平衡法正是基于此种原因考虑而提出的。
5 塌岸预测冲堆平衡法的原理和方法
由于山区型水库河谷较窄，风浪作用较小(如两段法和岸坡结构法就不计风浪作用的影响)，流速较小，当库水位以下存在堆积地形时，水下以堆积为主，库水位失稳土体垮塌后会变松散，体积有所增加，但是较细的颗粒也会被库水带走一小部分，因此可以用堆存系数 n 来表述。冲堆平衡法原理是利用塌岸失稳土体体积乘以堆存系数与堆积土体体积相等原理，利用水下稳定坡角、冲磨蚀坡角、水上稳定坡角通过水库特征水位(正常蓄水位)作图连成塌岸计算图解体系(见图 5);因此，计算图解过程中假定，不计风浪作用影响，失稳土体体积乘以堆存系数等于堆积土体体积是基本合适的。
6 冲堆平衡法预测塌岸应注意问题
(1) 该方法主要适合于坍塌型和冲磨蚀型塌岸的预测。
(2) 水库塌岸预测的特征水位选择应根据水库正常蓄水位来确定，正常蓄水位以上预测参数采用水上稳定坡角，正常蓄水位以下土体预测参数采用冲磨蚀角，堆积部分采用水下堆积稳定坡角。
(3) 水库塌岸预测岸坡水下稳定坡角、冲磨蚀角、水上稳定坡角等土体参数取值选择宜根据现场调查与试验或工程地质类比确定。
(4) 水下堆积稳定坡角可根据死水位位置的不同而略有不同。死水位以上部分稍陡，死水位以下部分稍缓些。
7 结 论
(1) 各种塌岸预测方法的适宜性不同，需要根据工程特点和现场实际情况选用不同的塌岸预测方法。
(2) 塌岸机制研究表明，塌岸主要有冲磨型(冲蚀磨蚀型)、坍塌型、滑移型、流土型 4 种基本模式;库水对岩土体的软化和库水升降动水作用是塌岸的主要原因，风浪作用对塌岸影响较小，这有区别于早期对塌岸原因的认识。
(3) 水库蓄水初期或水库蓄水过程中就会出现明显塌岸或变形，岸坡土体塌岸后大部分都堆积到坡脚，并没有被水流完全带走，这是因为山区型河流水库水的流动缓慢，类似于静水环境。
(4) 各种塌岸预测方法的起算点基本合适，但在有水下堆积地形的塌岸过程中，塌岸的起始算点也不会是低水位或死水位，而是一个动态平衡点。
(5) 形成基于土体室内外定名与土体成因相结合的塌岸预测参数取值体系，参数选取更为合理。
(6) 冲堆平衡法是一种坡体垮塌与堆积的再次平衡，从理论上讲更为合理，也符合山区河流河湖相演化过程的实际情况，弥补了原有一些塌岸预测方法的不足，该方法适用于有堆积地形的坍塌型和冲磨蚀型塌岸的预测，这种新的塌岸预测方法在瀑布沟、大岗山、官地、锦屏一级等大型水库实际工程中得到了初步检验和成功运用。但是，该方法还有一些改进之处，堆存在系数的取值仍需在实际工作中不断总结完善。