水库塌岸预测冲堆平衡法

摘要

本发明公开了一种水库塌岸预测冲堆平衡法，适合有堆积的地形条件应用，可快速获得预测塌岸宽度，预测塌岸宽度与塌岸宽度实测值的误差较小。该方法先通过作图形成初始预测塌岸线，然后根据形成的图来判断公式（V1+V2）*n=V3是否成立，如果成立，则可确定预测的塌岸宽度，如果不成立，通过使线进行整体水平移动来改变图中V1、V2和V3的值直至满足上述公式。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水库塌岸预测冲堆平衡法。

背景技术

随着国民经济持续快速发展对清洁可再生能源的需求，我国对水电资源的开发利用进入 了前所未有的发展时期。近二十年我国修建许多大中型水电站，水库蓄水后在库周产生岸坡 变形破坏现象，成为水库环境工程地质问题研究的主要课题。

水库塌岸是一个复杂的环境地质和工程地质问题，它对水库的安全运行和库周环境地质 条件产生重要影响。水库塌岸是指由于水库蓄水后，库岸岸坡岩土体受库水浸泡、浪蚀、冲 涮以及水位消落等因素综合作用，使库岸岩土体结构弱化，强度降低，导致一定范围的岸坡 变形破坏现象，如加剧或诱发新发生岸坡变形、坍塌和滑移等。如蓄水可能导致古老滑坡的 整体或者大部分复活，则应按滑坡稳定性进行研究。

水库塌岸是水库蓄水运行期间在所难免的问题，特别是山区河流水库，其库岸往往跨越 不同地貌、地质单元，甚至大地构造单元，岸坡地质结构类型复杂，库水动力作用强烈，塌 岸模式多种多样，塌岸点多面广，危害严重。

由于水库塌岸是一个十分复杂的动力地质演化过程，与海岸、湖岸、江河岸的演化基本 相似，但其库水位的变化幅度、变化频率较大，受诸多因素的控制与影响。至今还无法用较 准确的数学物理方程来描述，现今的塌岸预测方法很多都是针对平原区水库均质、类均质土 质岸坡研究较多，而对于高山峡谷地区水库地质条件和岸坡结构都较复杂的库岸塌岸预测方 法的研究则较少。在当前的工程实践中，大多采用图解法、工程地质类比法、计算法等进行 评价预测，大多塌岸实例表明，与预测结果存在较大差异。

成都理工大学学报（自然科学版）第33卷第1期2006年2月公开了一篇文章“三峡库 区塌岸预测评价方法初步研究”。该文章公开了多种塌岸预测方法，其中一种为岸坡结构法。 岸坡结构法的主要原理就是根据岸坡上各种不同物质的水下堆积坡角、冲磨蚀角、水上稳定 坡角和水库的设计低水位、设计高水位来进行预测，也是一种图解法和类比法。θ₁至θ_n代 表不同物质的水下堆积坡角；α₁至α_n代表不同物质的冲磨蚀角；β₁至β_n代表不同物质的水 上稳定坡角；A，B，C为水位线与塌岸再造线的交点；D为塌岸再造线与岸坡地形线之间的交 点；E为设计高水位线与岸坡地形线之间的交点；L,M,N为物质分界线与塌岸再造线的交点； b为塌岸再造宽度。塌岸预测特征角度的确定：首先大量调查待预测库岸段各种物质的水下 堆积坡角、冲磨蚀角和水上稳定坡角，然后进行统计，求其加权平均值。其中，冲磨蚀角为: 长期经受河水的冲刷和磨蚀作用，并逐渐稳定下来，形成相对稳定的边坡坡角叫冲磨蚀角α （单位：度）；现场调查时可实测常年洪水位和枯水期河水位之间土体的坡角，这个坡角就是 冲磨蚀角，土体的类型不同，坡角大小也不一样。水上稳定坡角β（单位：度）为：水位变 动带以上岸坡在自然状态下的稳定休止角，可在现场进行量测。然后以死水位与岸坡交点A 为起点，以不同物质的水下堆积坡角θ₁，θ₂，…，θ_n为倾角依次作线，该线延伸至与设计 低水位线相交于点B；再以B点为起点以不同物质的冲磨蚀角α₁，α₂，…，α_n为倾角依次作 线，该线延伸至与设计高水位线相交于点C；又以点C位起点以不同物质的水上稳定坡角β₁， β₂，…，β_n为倾角依次作线，该线延伸至与岸坡地形相交于点D，则D与E两点之间的水平 距离即为预测的塌岸宽度b。上述方法通过大量水库实验，发现其预测塌岸宽度b与实测值 的误差仍然较大。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种适合有堆积的地形条件的水库应用的预测塌岸宽度与 塌岸宽度实测值的误差较小的水库塌岸预测冲堆平衡法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：水库塌岸预测冲堆平衡法，包括确定岸坡 地形线、死水位线和正常蓄水位线；

还包括确定死水位线以下堆积物的水下稳定坡角θ，死水位线与正常蓄水位线之间各物 质的冲磨蚀角α1至αn，以及正常蓄水位线以上各物质的水上稳定坡角β1至βn；

然后以死水位线以下堆积物与岸坡地形线的交点A为起点，以所述角θ为倾角做线，该 线延伸至与死水位线相交于点B；

接着以点B为起点，以死水位线与正常蓄水位线之间各物质的冲磨蚀角α1至αn为倾角 依次做线，该线延伸至与正常蓄水位线相交于点F；

然后以点F为起点，以正常蓄水位线以上各物质的水上稳定坡角β1至βn为倾角依次做 线，该线延伸至与岸坡地形线相交于点E，线ABFE为初始预测塌岸线；

接着判断公式（V1+V2）*n=V3是否成立，如果成立，则点E与点D之间的水平距离S 为预测的塌岸宽度，如果不成立，通过使线ABFE进行整体水平移动来改变V1、V2和V3的值 直至满足上述公式，其中，n=0.4～0.9，线BF与岸坡地形线的交点为C，点D为正常蓄水位 线与岸坡地形线的交点，V1的值为岸坡地形线与线DFE围成区域的面积，V2的值为岸坡地形 线与线DFC围成区域的面积，V3的值为岸坡地形线与线CBA围成区域的面积，当水平移动线 ABFE时，通过使点E沿线FE上的最上一节线段的延伸方向移动保持点E位于岸坡地形线上， 通过使点A沿线BA的延伸方向移动保持点A位于岸坡地形线上。

进一步的是：所述水下稳定坡角θ为10至30度。

经过大量实验发现，现有技术中的预测方法在预测时总是与实际值产生15%以上的误差， 但误差究竟出现在哪个步骤一直没有得到确认。本发明也是一种图解法，但本发明采用了一 种新的思路，打破的现有技术中的图解法的常规，通过上述判断公式（V1+V2）*n=V3可较 为准确的使最终得到的预测的塌岸宽度S更加接近真实值。

本发明的有益效果是：有堆积的地形条件的水库应用，也就是适合在库水位以下有堆积 物的水库应用，预测塌岸宽度与塌岸宽度实测值的误差较小。且可快速获得预测的塌岸宽度 S。

附图说明

图1为本发明的水库塌岸预测冲堆平衡法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的水库塌岸预测冲堆平衡法，包括确定岸坡地形线、死水位线和正 常蓄水位线，上述岸坡地形线、死水位线和正常蓄水位线的确定与现有技术的确定方法相同。 还包括确定死水位线以下堆积物的水下稳定坡角θ，该处的水下稳定坡角θ是将死水位线以 下堆积物作为一个整体来看待，以此来确定水下稳定坡角θ。该水下稳定坡角θ对于本领域 技术人员可根据堆积物的组成来综合确定。通过大量实验研究发现，该水下稳定坡角θ确定 在以下范围较为准确:所述水下稳定坡角θ为10至30度，可取10度，20度，25度，30度 等。进一步的是还需确定死水位线与正常蓄水位线之间各物质的冲磨蚀角α1至αn，以及正 常蓄水位线以上各物质的水上稳定坡角β1至βn，上述角α1至αn以及角β1至βn的确定 方法与现有技术的确定方法相同。也可依照表1所示来确定各个物质的冲磨蚀角α1至αn以 及水上稳定坡角β1至βn。表1是本发明通过大量实验研究确定的数值，通过表1的数值， 可提高最终预测的准确度。

表1水库塌岸预测岸坡土体参数参考取值表

上述各值确定后，以死水位线以下堆积物与岸坡地形线的交点A为起点，以所述角θ为 倾角做线，该线延伸至与死水位线相交于点B。也就是如图1所示，以A点位起点，角θ为 倾角做一条线，该线延伸至与死水位线相交于点B，线AB就形成一条堆积地形线。接着以点 B为起点，以死水位线与正常蓄水位线之间各物质的冲磨蚀角α1至αn为倾角依次做线，该 线延伸至与正常蓄水位线相交于点F，例如图1所示，如果有2种物质，则先按照冲磨蚀角 α1为倾角画线BH，再以冲磨蚀角α2为倾角画线HF。然后以点F为起点，以正常蓄水位线 以上各物质的水上稳定坡角β1至βn为倾角依次做线，该线延伸至与岸坡地形线相交于点E， 线ABFE为初始预测塌岸线，例如图1所示，如果有2种物质，则先按照水上稳定坡角β1为 倾角画线FG，再以水上稳定坡角β2为倾角画线GE。

当完成上述线ABFE后，该线即为初始预测塌岸线。接着判断公式（V1+V2）*n=V3是否 成立，如果成立，则点E与点D之间的水平距离S为预测的塌岸宽度。如果不成立，通过使 线ABFE进行整体水平移动来改变V1、V2和V3的值直至满足上述公式。由于线ABFE进行整 体水平移动，使得点B始终位于死水位线上，点F始终位于位于正常蓄水位线上。其中，n 为堆存系数，n的值为0.4～0.9，根据土的性质和水位变化情况可取 0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9等，线BF与岸坡地形线的交点为C，点D为正常蓄水位线与岸坡 地形线的交点，V1代表正常蓄水位线以上失稳坡体体积，计算时其值可由岸坡地形线与线DFE 围成区域的面积代替，V2代表正常蓄水位线以下冲磨蚀土体体积，计算时其值可由岸坡地形 线与线DFC围成区域的面积代替，V3代表失稳土体堆积体积，计算时其值可由岸坡地形线与 线CBA围成区域的面积代替。当水平移动线ABFE的过程中，有可能出现点E或点A暂时偏离 岸坡地形线，这时可通过使点E沿线FE上的最上一节线段的延伸方向移动保持点E位于岸坡 地形线上，通过使点A沿线BA的延伸方向移动保持点A位于岸坡地形线上。例如图1中，可 使点E沿线段GE的延伸方向移动，保持点E位于岸坡地形线上。这样可使V1代表的区域为 一个封闭的区域。当线ABFE移动至满足上述判断公式时，此时的线ABFE为最终预测塌岸线。 然后可根据最终预测塌岸线确定的点E的位置来确定点E与点D之间的水平距离S，也就是 确定预测的塌岸宽度。

本发明的方法适合在山区型水库应用。由于山区型水库河谷较窄，风浪作用较小，流速 较小，水下以堆积为主。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，同时也会产生少量淤积，因此可以以堆存系数n来表述。综合分析后可 以认为失稳土体体积乘以堆存系数基本等于堆积土体体积。因此在计算图解过程中不计风浪 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，也就是上述判断公 式是合适的。可将计算图解剖面在CAD中作图完成。在剖面上体积可以用单宽来表示（单位 m³/m），也就可简单用其围限的面积（单位m²）来量测，例如上述V1、V2和V3的值可用面 积来代替。

实施例：

利用该方法在瀑布沟水库富泉矮子店库岸进行了预测，库岸库水位以下有宽缓的原河道 流沙河作为堆积地形。分别取水上稳定坡角50°，冲磨蚀角26°，水下稳定坡角22°，堆 存系数取0.75，进行塌岸预测图解，选取了4个典型断面进行图解计算，经过2年多的蓄水 表明，该方法预测的4个断面均与实际塌岸范围基本吻合，预测值S与实测值的误差率在5% 左右。说明了该方法的预测效果较为理想。

此外还对其它多个水库进行了多年试验论证，预测值与实测值的误差率均较小。

综合以上分析可知，本发明的方法，对于具有堆积的地形条件的水库十分适用。且可快 速获得预测的塌岸宽度S。