山区水库土质岸坡塌岸预测研究——以龙开口水库为例

摘要

近年来，随着对水能资源的大规模开发利用，全国范围内各大小水库也随之修建并投入运营。目前，仅长江流域已建成的大型水库就达113座，总库容达1048亿m3。在水库蓄水之后，由于库区水文地质条件的变化则不可避免的会引起一些工程地质问题。在这些工程地质问题中又尤以水库塌岸最为明显。水库塌岸是指水库蓄水后库区原始岸坡在库水浸泡、库水调动、干湿交替、水流冲蚀、风浪（船行浪）冲击等影响下，导致其岩土体物理力学性质变差，岩土体风化速率加剧——冲蚀磨蚀、坍塌、滑移等再造变形，使得库岸线不断后退的不良地质现象。水库塌岸发展到一定程度会给库区社会经济发展以及人民生命、财产安全带来较大的危害。
　　目前塌岸预测研究成果丰硕，对已有和在建工程方法概括起来有二大类，一类为工程地质类比法，另一类为极限平衡搜索法。工程地质类比法是建立在水库塌岸调查基础上的分析方法，其中有代表的预测方法有佐洛塔寥夫预测法、手册法（三段法）、二段法和岸坡结构法。这些方法的运用条件皆有限制，在将其运用到我国西部山区峡谷型水库塌岸预测是还存在一些不足:主要表现在我国西部粗颗粒土地区的塌岸实际宽度小于预测宽度;土体粒径越细粒、均匀性越好，则预测相对较准确，土体粒径越大，均匀性越差则预测误差越大等方面。
　　本文以龙开口水库塌岸预测为例，选择3个典型断面作为长期监测断面。根据地形地貌，库岸结构，覆盖土体颗粒组成等地质条件利用几何条件相似、物质组成相似、动力相似、运动相似、外部条件（降雨、波浪等）相似等原则利用正交试验方法设计进行9次多因素实验和13组单因素实验。
　　整理分析多因素试验结果，利用极差法分析各因素对塌岸影响的敏感性。得到岸坡坡角变化对塌岸宽度的影响最大，其次为物质组成变化略大于波浪变化，水位变化的影响最小。
　　根据单因素试验结果得到，在同等条件下，凸型坡的塌岸宽度最大，其次为直型坡和凹形坡，阶梯形坡塌岸宽度最小等一系列结论。
　　根据龙开口水库塌岸特征，选择西部的三岔湖水库（四川）、龚咀水库（四川）、白云水库（湖南）、威溪水库（湖南）调查了其塌岸特征，结合室内物理模拟试验得到山区水库土质岸坡塌岸的一系列规律。如山区水库塌岸时间一般持续时间较长，大多数库区在蓄水40年之后库岸处于稳定或较稳定状态;塌岸模式主要以坍塌型和冲蚀磨蚀型为主，坍塌型又可以分为坍塌后退型和冲刷浪坎型等。
　　对经典图解法，包括佐洛塔廖夫法、类比图解法、两段法、库岸结构法进行了适用性分析。选择较为适宜西部山区水库的塌岸预测图解法——“三段法”，对其塌岸预测参数进行修正。修正主要包括:在分析塌岸特征、成因机制、影响因素的基础上，从其中的三个点及一个坡度进行修正。将其塌岸预测参数中的将蓄水前常年枯水位作为起点修正为常年洪水位;将设计低水位和设计高水位作为水位消落带起止点修正为水库长期运行低水位和长期运行高水位;将水下堆积坡角作为水下稳定坡角修正为水下土体在静水条件下的稳定坡角。根据作者调查的塌岸预测参数结合以往学者提出的塌岸预测参数，提出了常见山区粗颗粒土体组成的构成库岸的塌岸预测参数。
　　结合龙开口断面现场监测数据，运用修正“三段法”和库岸结构法进行断面的塌岸预测。得到如下结果:
　　(1)修正“三段法”能较好的运用于龙开口水库的塌岸预测。
　　(2)修正“三段法”方法的预测值相对库岸结构法偏大，主要是由于修正“三段法”预测起点为原河道常年洪水位，考虑了蓄水后死水位以下的岸坡坍塌，而库岸结构法的预测起点为蓄水后死水位，并未涉及死水位以下土体坍塌情况，导致其预测结果偏小。根据作者大量野外水库调查，认为死水位以下岸坡在蓄水后会发生破坏更加切合实际。
　　(3)对于死水位以下岸坡蓄水后不破坏或者破坏程度较小岸坡，修正“三段法”和库岸结构法预测结果一致，如a-a'剖面。
　　(4)根据现场调查，现阶段个监测剖面塌岸宽度较小，一般在几米到十米左右，主要原因龙开口水库蓄水时间较短，正处于库岸再造演化初期，所以实际塌岸值相对预测值偏小很多。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究意义及选题依据

1．1．1 研究意义

1．1．2 选题依据

1．2 国内外研究现状

1．2．1 塌岸模式研究现状

1．2．2 塌岸预测方法研究现状

1．2．3 研究现状评述

1．3 主要研究内容和技术路线

1．3．1 主要研究内容思路

1．3．2 技术路线

第2章 研究区地质环境背景

2．1 自然环境条件

2．1．1 气象条件

2．1．2 水文地质条件

2．2 区域地质概况

2．2．1 区域地形地貌

2．2．2 区域地层岩性

2．2．3 区域地质构造

2．2．4 地震

第3章 研究区典型断面水库塌岸物理模拟

3．1 监测断面的工程地质条件

3．1．1 宋家菁1号断面

3．1．2 宋家菁2号断面

3．1．3 上甘村断面

3．2 实验模型设计

3．2．1 相似关系

3．2．2 实验材料

3．2．3 模型设计

3．3 模拟实验

3．3．1 多因素模拟试验及现象

3．3．2 单因素模拟试验及现象

3．4 实验结果分析

3．4．1 多因素模拟试验结果分析

3．4．2 单因素模拟试验结果分析

3．4 小结

第4章 类似水库调查研究

4．1 三岔湖水库

4．1．1 工程概况及基本地质条件

4．1．2 水库塌岸特征

4．2 龚咀水库

4．2．1 工程概况及基本地质条件

4．2．2 水库塌岸特征

4．3 白云水库

4．3．1 工程概况及基本地质条件

4．3．2 水库塌岸特征

4．4 威溪水库

4．4．1 工程概况及基本地质条件

4．4．2 水库塌岸特征

4．5 塌岸规律分析

第5章 山区水库塌岸预测研究

5．1 经典图解法的适用性分析

5．1．1 佐洛塔廖夫法

5．1．2 类比图解法

5．1．3 两段法

5．1．4 库岸结构法

5．2 适用于山区土质岸坡的塌岸预测方法

5．2．1 基础模型选择

5．2．2 参数修正

5．2．3 修正模型及参数取值

5．3 修正模型适用范围

第6章 修正后塌岸预测方法的验证与分析

6．1 现场塌岸监测

6．1．1 宋家菁1号断面

6．1．2 宋家菁2号断面

6．1．3 上甘村断面

6．2 修正方法的塌岸预测验证

6．3 结论与展望

6．3．1 本文的主要工作和成果

6．3．2 存在的问题及展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果