1.2 国内外研究现状及存在的问题
1.2.1 国外研究现状
水库塌岸问题首先是苏联科学院院士萨瓦连斯基于1935年提出。他指出，水库塌岸是由于河道蓄水后，水位抬高，吃水线与基岩岸坡相接触，岸坡的天然平衡条件遭到破坏而引起的。他明确指出，波浪是水库塌岸的主要因素之一。
什利亚莫夫于1937年开始研究水库塌岸问题。他认为水库塌岸的特征及因素决定于水文因素、地质地貌因素及其他因素。水文因素包括流速、击岸浪的波高、水库动态；地质地貌因素包含被冲刷岩层的产状、岩土体的物理力学性质、被冲刷岩土体的均匀性、岸坡形态；其他因素主要是指现状岸坡的植被保护、岸坡的切割程度及天气因素等。其中前两种因素决定最终塌岸的级别，第三种因素仅对岸坡的发展特征及塌岸速度有影响。前两种因素中，以水库动态和组成冲刷坡的岩土体性质为主要因素。他还指出水上岸坡形态主要决定于风化作用，其坡角与相同地质特点的天然斜坡坡角相同。什利亚莫夫注意到波浪对水库塌岸所起的作用，于1938年提出了预测塌岸的方法，并提出了计算浅滩宽度的公式：
式中：L为浅滩宽度，m；H为水位变幅，m；hb为波浪爬升高度，m；h为波高，m；α为浅滩坡角，（°），它和岩石性质及波高有关。
什利亚莫夫并没有提出确定浅滩位置的方法，也没有提出确定水上岸坡及塌岸速度的方法，用式(1.1)所求得的浅滩宽度不能作为塌岸的宽度。
之后苏联学者卡丘金认为，水库塌岸作用主要和库区的波浪因素有关。波浪作用范围，除了水位消落带外，其上界位于高水位以上波浪爬升带，下界位于最低水位下波浪作用影响深度处。卡丘金于1949年提出了计算塌岸宽度的计算公式：
其中
hb=3.2khtanα
h2=hs-hb-h1
式中：S为最终塌岸宽度；N为与土颗粒成分有关的系数，土石颗粒越粗，就越易于形成水下堆积岸坡，所以按卡丘金提供的经验数据，砂土的N值为0.5,亚黏土为0.6，黏土为1.0，当原始岸坡较陡、库水水深较大时，难以形成水下堆积阶地，此时N实际应等于1；A为水位变化幅度，即设计高水位与设计低水位差值；hp为波浪影响深度，设计低水位以下波浪影响深度一般取1~2倍浪高，如果浪高取0.5m时，浪高影响深度取1m；hb为浪爬高度；k为被冲蚀的岸坡表面糙度系数，一般砂质岸坡取0.55~0.75，砾石质岸坡0.85~0.9，混凝土取1，抛石取0.775；坡度α可参照河谷边岸平水位处河滨浅滩坡角值，当已知作用于该岸坡地带波浪波高和组成岸坡土石颗粒成分时，也可根据各种颗粒成分沉积物的水下岸坡坡度和浪高的关系图解确定；h为波浪波高；hs为设计高水位以上岸坡的高度；h2为浪爬高度以上斜坡高度；h1为黏性土斜坡上部的垂直陡坎坎高，根据土力学计算确定，实际工作中可采用被调查岸坡浪爬高度以上至岸坡陡缓交界点的高差值；α为水库水位变动带和波浪影响范围内，形成均一的浅滩冲磨蚀坡角；β为水上岸坡的稳定坡角；γ为原始岸坡坡角。
卡丘金计算塌岸预测图解如图1.1所示。
图1.1 卡丘金图解塌岸预测原理
该经验公式在相当长一段时期内得到了广泛的应用。卡丘金的方法考虑了塌岸后形成的浅滩并非全部是磨蚀的，其中一部分是由未被波浪搬运走的岸壁破坏产物中粗颗粒堆积物形成，因此卡丘金的方法较以前的传统方法前进了一大步。卡丘金通过对大量初期资料的研究，特别是对塌岸中的速度与波高、岩性及岸坡高度关系研究，提出了与波能、岩性及时间有关的岸坡塌岸速度计算经验公式。
苏联专家卓洛塔廖夫对水库塌岸问题做过很多研究。他将影响水库塌岸范围及速度的因素分为三组，并详细分析了各因素的作用。他按水库的水文特点，将水库分为上游及下游两部分：上游部分水面狭窄，小波浪和洪水时形成的水流将是库岸的主要破坏力；下游部分水面宽广，波高很大，波浪是库岸破坏的主要因素。波浪作用范围的上界至波浪爬升高程，下界至波浪作用影响深度处，在此以下的物质将不受波浪作用影响，波浪作用影响深度是随着水库运用年限增多而减小。卓洛塔廖夫合理地将在波浪作用下塌岸后形成的剖面外形结构分为水上岸坡、波浪爬升带斜坡、磨蚀浅滩、堆积浅滩斜坡和浅滩外缘斜坡五个带，并推荐了各带坡角的确定方法及资料，他根据库岸堆积浅滩是由岸壁破坏物质中较粗颗粒所形成的概念，建议利用在堆积浅滩中保留下来的粗粒部分占破坏物质总数的百分含量来作为堆积系数，以便确定塌岸后稳定剖面的位置，再量取塌岸的宽度。为了预测塌岸速度，卓洛塔廖夫建议将水库塌岸分为两个阶段，即水库运行10年阶段及最终塌岸阶段。这两个阶段所形成的浅滩各带坡角及浅滩眉峰水深是不同的，并推荐了预测各个阶段塌岸宽度所需要的浅滩坡角及浅滩眉峰水深的资料，如图1.2所示。
图1.2 卓洛塔廖夫法塌岸图解原理
1954年培什金发表了《水库库岸动力作用问题》一文，强调了水库中库岸动力作用的基本因素为波浪及水库中水位的变化，它很大程度上决定着塌岸的宽度。此外，原始岸坡的坡形特征、切割程度及植被保护等亦对塌岸宽度及方式有影响，培什金认为，当水库水位消落时，波间距及水深相应减小，在一定风力作用下所形成的波高亦相应减小，即对库岸的作用亦随水位消落而逐渐减小；塌岸后形成的稳定浅滩坡角将随水位高程降低而增大。因此，培什金建议根据水位不同所形成的击波间距及水深来计算波高，以相应的波高及岩土体所具有的浅滩坡角来绘制塌岸后所形成的库岸稳定剖面。然后，假定所形成的浅滩全部为磨蚀导致，以便确定塌岸后剖面位置，以岸坡的眉峰线后退距离作为塌岸最大宽度SM，将其乘上卡丘金的系数N即为塌岸宽度SB：
培什金方法对于水面狭窄、水深不大的中小型水库效果较好，对于水面极宽、水深很大、岸坡较陡的大型水库效果较差。培什金提出了用数学分析法预测水库塌岸速度，即预测水库蓄水后不同时间的塌岸速度方法。他认为水库蓄水初期的塌岸速度是非常快的，然后逐渐减慢，水库蓄水后任一年的塌岸速度变化可用式(1.4)表示。经过大量实践的检验及监测，由培什金提出的塌岸速度关系式是合理的。
式中：vt为水库蓄水后任一时间的塌岸速度，m/a；vm为蓄水初年的塌岸速度，m/a；-x为与波能、时间、岸坡地质条件及植被保护相关的函数。
康德拉捷夫在1953年提出了一种塌岸宽度计算的分析方法，他认为浅滩表面的外形轮廓线不是直线和折线形，而是抛物线形，这种方法一般适用于岩性条件单一、由砂土和亚砂土等非黏性土组成的非滑动斜坡，且均不考虑泥沙纵向移动的情况。他建议用下面的公式计算任一时间的塌岸宽度和塌岸量Wt:
其中
式中：l为水库蓄水任意时期的塌岸宽度，m；L为水库塌岸最终宽度，m；W0为水库塌岸体积，m3；v0为水库蓄水初年塌岸速度，m/a；t为计算年限，a；Wt为水库蓄水年t1时的塌岸体积,m3；
康德拉捷夫方法包括四个塌岸因素：波浪作用、水位变化、组成岸壁的岩土体性质和原始岸坡外形。
综上所述，在以苏联学者为主的水库塌岸预测研究中，主要预测方法可以分为两派：一派是以卓洛塔廖夫为代表的条件类比法；另一派则为康德拉捷夫为代表的数学分析法。两派的研究均以计算塌岸宽度为最终目的，在此过程中，对影响塌岸发生的参数进行了较深入的研究(维·尼·诺沃日洛夫，1956；B.Д.洛姆塔泽，1985；张倬元，2003，汤明高，2007；阙金声，2007)。
与苏联学者的研究不同，西方学者着重从塌岸机理方面进行研究。以Amiri（2003）为代表的一些学者对塌岸的过程进行了深入研究，主要从河流侵蚀的角度出发研究其岸坡物质流失与河道地形变化的关系，提出了一些模型和方法用于计算侵蚀量以及预测达到平衡状态时的岸坡形态（Duan等，2005；Istanbulluoglu，2005；Constantine，2009；Ercan和Younis，2009；Taghavi-Jelodar，2009；Vilmundardóttir，2010），并在洪水位以及模拟水位试验时，监测河岸侵蚀的变化情况，对岸坡的形态变化做出分析和考量，以便于水利部门对岸坡物质流失等的管理（Lawler，2001；Diane Saint等,2001；Carroll等,2004；Piégay等，2005）。
以Osman等（1998）为代表的一些学者从岸坡的物理模型出发，以评价岸坡稳定性为目标，从河床冲深与河岸冲刷两个方面来分析黏性岸坡的不稳定性，认为塌岸最常见的原因是河床冲深与河岸冲刷引起的，河岸侧向冲刷过程使河道宽度增加，导致岸坡变陡，降低了河岸稳定性；河床下切增加河岸高度，也降低了河岸稳定性。然而，引起河床冲深与河岸冲刷的先决条件是水流条件，水流作用越强，其塌岸发生的可能性及强度就越大。因此，塌岸发生的原因主要取决于水流条件。河床冲深与河岸冲刷的相对数量是河岸物质组成的性质、河岸几何形态、河床物质组成类型及水流特性的函数。同时认为，岸坡因土体过重而引起的失稳与土壤性质和河岸几何形态密切相关（Thorne，1981；Darby,1994，1996，2000，2007），并考虑岸坡土体的物质组成和属性，将岸坡在竖直方向上按土体性质进行分层，且考虑水位变化、渗流等因素对岸坡稳定性的影响（Howard等,1988；Mark,2004；Hubble,2004;Chu-Agor等，2008；Újvári,2009）。
Millar等（2000）在Huang（1997）与White（1982）等学者研究砂砾石河流河岸稳定性模型的基础上，考虑了中粒径物质对河岸稳定性的影响，并根据具体情况对河岸泥沙摩擦角进行修正，着重分析了河流岸坡不同的植被情况时，其摩擦角的值相差较大，对河岸的稳定性产生较大影响，并认为植被较好河岸的稳定性约为植被较差河岸的3倍，其他一些学者针对植被对岸坡稳定的影响做了类似的研究（Wiel和Darby,2007；Pizzuto,2010）。
美国学者Simon等认为影响河岸侵蚀的主要因素有水力参数、河床与河岸物质组成的特性、河岸的特性、风浪影响、气候影响、生物影响、人类活动的影响等。虽然引起塌岸的因素很多，但在众多因素中，大多数学者认为：塌岸的发生离不开水流及边界这两个基本条件，其中水流条件起着决定性的作用，是塌岸发生发展的主导因素，其他的因素也是通过对水流与边界的改变来影响塌岸的强度(Simon，Collison,2002；Simon等,2003;Simon,2005;Parker等,2008；Pollen，2007)。
日本京都大学的Nagata等(2000)推导出了计算河道变形及平面变化的二维河流动力学方程，运用数值模拟方法进行了库岸再造速率以及范围预测的尝试，但由于该方法只适用于较均质的砂质库岸，而一般塌岸的形成机制复杂，影响塌岸的水文动态都很难模拟，因此这方面的研究还处在试验阶段。
Langendoen（2000）开发了CONCEPTS（CONservational Channel Evolution and Pollutant Transport System）系统，该系统模拟了河道中一维流场、分级泥沙传输、河道展宽、植被等对岸坡结构的影响等（Langendoen等，1999；Simon等,1999；Langendoen,2000）。
Simon等基于Excel开发了BSTEM模型(Bank-Stability and Toe Erosion Model)，通过选择剪切面、土层属性、孔隙水压力、水位线、植被状况以及岸坡趾部侵蚀算法等，对岸坡稳定性做出评价。增强的BSTEM模型使用户可在平面失稳模式和悬臂梁失稳模式之中进行选择(Wood，2001；Pollen，Simon，Langendoen,2007)。
本书融合了苏联学者和西方学者的研究思路和方法，在对研究区进行塌岸模式和机理研究的基础上，针对不同类型的塌岸，进行塌岸的范围预测和稳定性分析。