水库蓄水后，库岸岩土体在波浪和水位变化等作用下发生坍塌，岸线逐渐后移的现象，即为塌岸。水库塌岸的过程与海湖边岸的形成过程基本相同，但是水库水位变化频繁，时升时降，整个过程显得更复杂。

水库塌岸问题早已为工程地质界所重视。在20世纪40、50年代，苏联萨瓦连斯基、卡秋金、佐洛塔廖夫等率先研究了苏联的水库塌岸问题，取得重大进展，其基本计算方法和图解法沿用至今。我国自20世纪50年代也从官厅水库开始进行塌岸的研究工作。

7.2.2.1　库水的作用

水库蓄水后，水库成为“人工湖泊”，水面开阔，水流流速顿减，这时库水对岸坡的作用类似于湖水对湖岸的作用，主要表现为波浪与岸流。

引起波浪的最主要因素是风，风作用于水面引起的压力差和风与水面的摩擦力迫使水面波动，使水质点在顺风方向上作单向轨道运动（图7-8）。当水质点运动到轨迹线最高点时，该处水面突起形成波峰；当水质点运动到轨迹线最低点时，该处水面凹陷形成波谷，水质点的运动轨迹近似为圆形。

波浪的规模与一定方向的风速、风的作用时间和风在水面的吹程有关，波高、波长可以按照式（6-21）和式（6-22）由风速、吹程计算确定。

波浪在向岸推进时，水底不同部位处，水质点运动方向和速度的变化可用图7-9中的图解加以表示。图解中纵坐标表示波动周期，横坐标表示水质点向岸方（右）与离岸方（左）的运动速度。曲线表示一个周期内底面水质点运动方向和速度变化的情况，它所圈出的面积代表速度按时间的积分，也即相当于水质点向岸或离岸所移动的路程。

图7-8　波浪运移特征

图7-9　波浪向岸推进时的变化特征

由图7-9可见，在深水波A点处，进退速度图形是对称的。当波浪向岸边推进到B点时，水质点的运动不再保持圆形，当水深小于1/2波长时，由于受到水底摩擦的影响，水质点运动轨迹变为上凸下扁的椭圆形，到了水底，水质点受波浪的牵动作同步的往复运动，波浪外形不再对称，后坡变缓，前坡变陡。水深愈浅，变形愈显著，成为一种浅水波。当波浪推进到水深为1/2个波高处（C点），由于波浪前坡过分变陡而翻倒，在波峰出现浪花，形成破浪（或称击岸浪）。波浪破碎以后，水体运动已不服从波浪运动的规律，整个水体作水平运动涌向岸边（D点），称为激浪流。

在整个向岸推进过程中，水质点进退速度的最大值愈来愈大，同时向岸运动的最大速度愈来愈大于其返回的最大速度，每一周期内向岸运动所占时间却愈来愈短。随着水深变浅，一方面其能量逐渐集中在愈来愈薄的水层中，因此水质点沿轨道运行的速度及波高也要不断增大；但另一方面，由于水体不断与底部土石相互摩擦、相互作用，其能量又逐渐消耗，使波高和水质点运动速度减小。观察证明，波浪推进中能量的损耗状况很大程度上决定于水下岸坡的坡度。显然，波浪沿较陡的岸坡推进时，“集中”将大于“消耗”，波浪因而加强，并在岸边地区“翻倒破碎”形成击岸浪和激浪流；相反，当波浪沿宽缓的岸坡推进时，有可能“消耗”超过“集中”，波浪及其所储能量沿途被逐渐削弱。在水下岸坡很缓时，波浪甚至可能在到达水边线之前就完全消失了。

岸流是在岸边地带常常发育的一种沿岸或离岸的水流。造成岸流最主要的原因与风浪在岸边造成的壅水现象有关。严格地说，即使在无风的情况下，向岸边推进的波浪其水质点运动轨道也并非是完全封闭的，这一现象必将造成岸边壅水。当伴有吹向岸边的风时，这一现象就更为突出。壅高的水体将引起沿底面的股流状的离岸回流或沿岸水流（图7-10）。据观测，这种沿岸水流流速最大可达1.5m/s。

图7-10　推向岸边的风浪引起的岸流示意图

7.2.2.2　塌岸的形成

根据库水对岸坡的作用特征，当水库初蓄水时，水下岸坡往往较陡，波浪对岸坡冲刷、磨蚀、淘蚀作用强烈，岸壁岩土体受到风浪的冲击与淘刷而塌落，塌落物堆积下来形成浅滩，岸坡不断塌岸后退，不断变缓，边岸不断扩展，浅滩也逐渐增宽，波浪对岸坡作用越来越微弱，塌岸速度减缓，当塌岸发展到一定程度，水下岸坡已经很平缓，波浪所具有的能量经过浅滩的摩擦消耗殆尽，波浪再无力冲击岸壁与塌落物时，塌岸作用即告终止。

水库塌岸的速度主要取决于岩土体的抗侵蚀能力和库水波浪的作用强度。一般在水库蓄水的最初几年内最强烈，随着时间的延续和水下浅滩的逐步形成而慢慢减弱。同时，库岸线随之后移，直至达到稳定的平衡岸坡为止。例如，黄河三门峡水库的所有黄土库岸，在蓄水一年内的塌岸宽度达50～200m，其中，90%以上的塌岸宽度是在水位上升期间完成的，塌岸线长超过200km，占全库岸线长的41.5%，塌岸量9000×104m3。根据对土质库岸塌岸过程的研究，大致有如图7-11所示的几个阶段：

图7-11　水库塌岸的形成与发展过程

（1）水库蓄水初期，岸坡上部土体由于水库浸没、土体软化、崩解等作用，慢慢开始塌落。

（2）由于岸流的侵蚀和波浪的淘蚀作用，在正常蓄水位高程附近发育波蚀龛，塌落物在水下斜坡初步形成浅滩的雏形。

（3）水库放水发电，水位消落到低水位时，水下浅滩在平缓斜坡处形成。

（4）水库蓄水再次达到高水位时，库水继续侵蚀岸坡，岸壁后退；水位第二次消落时，浅滩继续扩大。

（5）随着水库高、低水位的不断反复，岸坡不断改造，塌岸不断发展，直到水下浅滩及斜坡形成稳定坡角为止，边岸稳定，浅滩扩大终止。

7.2.2.3　影响塌岸的主要因素

影响塌岸的因素主要包括岸坡所处的河流部位、波浪和岸流等水动力作用、组成岸坡岩土体的类型和抗侵蚀能力、岸坡形态、坡度和坡面植被发育状况等。

（1）库水位变动。水位的变动对塌岸的影响主要表现在以下几个方面：

1）库水位升降将会急剧改变水位变动范围内坡体内部的地下水状态，尤其是当库水位骤然下降的时候，由于坡体内部空隙水压力来不及消散，将在坡体内产生附加力，容易诱发坡体失稳。

2）水位涨落幅度越大，岸壁受破坏的范围越大。水库运行水位的变化及各种水位的持续时间对库周塌岸影响极大。高水位时形成的浅滩，水位下降时就会受到破坏，若水位变幅不大，有利于浅滩的形成；水位变幅较大，浅滩不稳定，塌岸速度加快，并使最终塌岸的范围扩大。

3）水位变动还会引起坡脚岩土体的循环干湿变化，加剧坡体的风化和崩解，对坡体稳定性不利，加速塌岸的进程。

（2）波浪作用。这是影响塌岸的主要外营力。前已述及，引起波浪的最主要因素是风，库面水域开阔，有利于风浪的形成和作用，塌岸也会强烈。

（3）岸坡地质条件。岸坡地质条件对于塌岸的影响很大。其中，岩性、裂隙发育程度及风化程度等都是影响塌岸强弱的重要因素。组成岸坡岩土体的类型、性质和抗冲刷能力是决定水库塌岸速率和宽度的主要因素。一般由坚硬岩石组成的库岸地段，稳定坡角较大，不易发生塌岸，而松软土组成的库岸除卵砾石外，所形成的库岸坡度较小，塌岸较严重。其中尤以黄土类土和砂土库岸更为严重。例如，官厅水库库岸为黄土类土，蓄水的最初两年内，库岸因塌岸平均后移了34m，塌岸量700×104m3以上。

（4）岸坡形态结构。库岸高度、坡度及岸线的切割程度都直接影响塌岸的形成及其最终宽度。地形起伏、相对高度、沟谷切割状况等对塌岸的速度、宽度和塌岸后岸坡的外形影响较大。岸线弯曲利于塌岸，并加快塌岸的速度。凸岸受冲蚀比凹岸重、塌岸速度快。岸坡高度大，塌岸宽，但速度小。陡坡地段塌岸强烈，范围也相应较大。库岸如为突出的岸嘴，由于受到多面风浪的影响，塌岸的宽度较大，凹岸和平直岸段则较轻。库岸前水较深且水下岸坡较陡，则浅滩不易形成，塌岸速度较快。

（5）边岸位置。边岸的部位不同，塌岸的情况也不同，一般以库首区和库腹区的塌岸较为严重。受季风性风浪影响较大的边岸，坍塌较为严重。

（6）淤积速度。淤积速度较快的库区，塌岸宽度一般较小。蓄水初期的3～4年，塌岸速度最快。一年之中，在涨水时和强风期比较容易发生塌岸。

7.2.2.4　塌岸预测

定量地预测水库建成蓄水后塌岸的范围、某一库岸地段塌岸宽度和速度、某一期限内最终的塌岸宽度，以及形成最终塌岸宽度所需的年限，以便给防治措施提供依据，这就是水库塌岸预测的目的。

塌岸预测分短期预测和长期预测两种。短期预测的期限由刚蓄水时至预定的最高水位为止，一般是2～3年。该期限内水库未进入正常运行阶段，水位升降变化无规律，库岸因初次湿化而大量坍塌。在短期预测的基础上进行长期预测，以确定最终塌岸范围。在水库运行期间，应对预测结果进行观测和检验，并据以修改长期预测的结果。

对于塌岸的预测，国内外提出的方法很多，有计算法、作图法、工程地质类比法和试验法等。它们都属于半理论、半经验性质的，各具特点。但由于影响塌岸的因素复杂，至今还没有一个完善的通用的预测方法。下面对一些主要的预测方法进行介绍。

7.2.2.4.1　卡秋金计算法

对于松软土库岸，Е·Г·卡秋金在1949年提出的最终塌岸宽度公式被广泛应用。卡秋金计算公式为：

式中：S——最终塌岸范围（m）；

N——与土的类型有关的系数，黏土为1，亚黏土为0.8，黄土为0.6，砂土为0.5；

A——保证率10%～20%的最高水位与最低水位之差（m）；

B——正常最高水位与最低水位之差（m）；

hp——波浪影响深度（m），相当于1～2倍的波高；

hb——波浪爬升高度（m），大致为0.1～0.8倍波高，细粒土小，粗粒土大；

hs——保证率10%～20%的最高水位以上的岸壁高（m）；

α——浅滩被冲刷后水下稳定坡角（°），其值与波高及土的性质有关，可由图7-12确定；

β——水上岸坡的稳定坡角（°），与土的性质及眉峰高度有关，可由表7-1确定；

γ——原岸坡的坡角（°）。

图7-12　不同坡高时几种土的α值

1.黏土；2.黄土；3.粉质黏土；4.细砂；5.中砂；6.含漂砾的粉质黏土；7.粗砂；8.细砾石；9.卵石(www.daowen.com)

图7-13　卡秋金计算公式图解

表7-1　水上岸坡稳定坡角

卡秋金计算公式可以用图7-13来说明。该法对于均质土岸的中小型水库及由黄土、砂土、砂质黏土及黏土等组成的库岸，所得结果甚为准确。对于大型水库，则适用于其中、上游地带。

短期预测的计算公式与上式大致相同，但某些计算参数的取用不同，如A应取用蓄水初期最高水位与原河流最高洪水位之差。

计算结果的准确程度主要取决于各项计算参数的选用。由于参数较多地选自经验值，所以在实际预测时必须进行观测，以补不足，才能取得较可靠的成果。

7.2.2.4.2　佐洛塔廖夫作图法

对于松软土库岸的塌岸预测，Г·С·佐洛塔廖夫提出了适用于大型水库中、下游地段的作图预测法。

佐洛塔廖夫认为：水库中、下游的水文情况与上游不同，水深较大，水面宽广，波高增加，对库岸破坏的主要原因是波浪作用，与上游部分以水流冲刷作用为主的情况大不相同。水库塌岸后的剖面外形结构可分为浅滩外缘陡坡、堆积浅滩、冲蚀浅滩、波浪爬升带斜坡及水上岸坡5个带。各带所遭受的地质作用是不相同的，前2个带为堆积作用，后3个带为冲蚀作用。各带的稳定坡角不同（表7-2），作图时应加以区别。

表7-2　用于绘制塌岸剖面时的坡度值

塌岸后稳定剖面的形状和位置可利用堆积系数Ka加以确定。堆积系数的大小随岩土体类型而变，其值如表7-2所示。

式中：F1——堆积部分中不能被波浪搬运走的粗粒物质所占体积（m3）；

F2——冲蚀部分体积（m3）。

佐洛塔廖夫根据上述原理，将作图法预测水库塌岸的方法分为最终预测和水库建成后前10年内预测两种。最终塌岸预测的步骤如下（图7-14）：

图7-14　佐洛塔廖夫法水库最终塌岸预测剖面图

（1）绘制预测地点的地形、地质剖面。

（2）标出水库正常高水位线与水库最低水位线。

（3）由正常高水位向上标出波浪爬升高度线，爬升高度（hb）取值为一个波高。

（4）由最低水位向下，标出波浪影响深度线，影响深度（hp）取值为（1/3～1/4）波长，黏性土应大些，砂土小些。

（5）在波浪影响深度线上选取a点，该点位于堆积浅滩带与浅滩外缘陡坡带之转折点处，该点的选取应使堆积系数Ka值与表7-2中所列数值相符。

（6）由a点向下，根据浅滩堆积物的岩性给出外缘陡坡线使之与原斜坡线相交，其稳定斜坡坡度β1分别为：粉细砂土和黏性土小于8°～12°，卵石层和粗砂土小于18°～20°（表7-2）。由a点向上绘出堆积浅滩的坡面线，与原斜坡线相交于b点，其稳定表面坡度β2分别为：细粒砂土为1°～1.5°，粗砂、小砾石为3°～5°（表7-2）。

（7）由b点作冲蚀浅滩的坡面线，与正常高水位线相交于c点，其稳定坡度β3视b、c间岸坡岩性而定（表7-2）。

（8）由c点作波浪爬升带的坡面线，与波浪爬升高度水位线相交于d点，其稳定坡度β4按表7-2确定。

（9）绘制水上岸坡坡面线de，其稳定坡度β5按自然坡角确定。

（10）检验堆积系数与经验数据（表7-2）是否相符，如不符，则向左或向右移动a点并按上述步骤重新作图，直至适合为止。

7.2.2.4.3　黄土地区的塌岸预测

黄土地区水库塌岸在蓄水初期（水位上升期）特别强烈，而库水位又在变动无常之际，尚未进入正常运用，且库岸黄土因初次湿化而造成大量坍塌，这些情况都很特殊，有必要作一专门讨论。蓄水初期，根据蓄水情况，可以定为2～3年。以此作为计算期，对临近库岸建筑物的安全进行评估也是必要的。

当库岸由均质黄士组成，且岸前水下坡度较陡，塌岸的起始点可从原河道最高洪水位起计算，上限水位则采用蓄水初期所能达到的最高水位。水库塌岸预测如图7-15所示，塌岸宽度可按下式计算：

式中：S0——蓄水初期塌岸宽度（m）；

A——蓄水初期水库最高水位与原河道最高洪水位的水位差（m）；

H0——蓄水初期最高水位以上的坡高（m）；

P——正常高水位与原河道洪水位的水位差（m）；

α——在动水作用下的水下稳定坡角（°）；

β——水上岸坡稳定坡角（°）；

γ——原岸坡坡角（°）。

如果岸前有阶地，其高程介于原河道最高洪水位与蓄水初期最高水位之间，塌岸预测时，可以阶地后缘标高作为计算起始点，其他计算与前述方法相同。

图7-15　均质黄土陡坡库岸短期塌岸预测图解

1.原河道最高洪水位；2.蓄水初期最高水位；3.正常高水位