某水電站庫區(qū)變形體滑坡涌浪初步分析

谷 健

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 前 言

理論界對于滑坡涌浪的理論預(yù)測方法研究主要基于兩個(gè)方面:一種是從流體力學(xué)出發(fā)，通過物理力學(xué)定律導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型;一種是通過常數(shù)與函數(shù)的量綱分析和經(jīng)驗(yàn)歸納得出合適的理論公式。主要方法有潘家錚算法、北京水電科研院算法、諾達(dá)(Noda．E)方法、凱姆夫斯和包爾榮(Kamphis，J．W and Bowering，R．J方法 1972)、R．L．Slingerland and B．volght方法(1972)、瑞士方法(1982)、模型試驗(yàn)法等［1］。本文采用較常用的潘家錚法對某水電站庫區(qū)變形體滑坡涌浪進(jìn)行分析計(jì)算。

2 庫區(qū)變形體概況

該水電站系四川省境內(nèi)雅礱江干流上的一個(gè)梯級電站。水庫正常蓄水位1 330m，死水位1 328m，總庫容7.6億m3，回水長約58km，為日調(diào)節(jié)水庫。電站樞紐主要由攔河碾壓混凝土重力壩、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成，最大壩高168m。工程于2011年11月初開始下閘蓄水，2012年2月15日發(fā)現(xiàn)距壩址河道距離約17km的庫岸邊坡發(fā)生變形。

初步查勘表明，該岸坡一帶為古變形體，主要為玄武巖碎石土組成，前緣沿河長約1.9km，后緣最高高程約為2 070m，平面面積約1.6km2。河床枯水期水位1 235m，最大撥河高差約835m，距正常蓄水位的最大高差約740m，正常蓄水位水深約93m。2月15日，大壩蓄水至1 282m，變形體前緣出現(xiàn)變形復(fù)活現(xiàn)象。

3 涌浪分析計(jì)算

3.1 潘家錚算法

潘家錚利用單向流分析成果，再根據(jù)一些近似假定，提出了涌浪高程的近似估算法，來分析較為復(fù)雜的水庫涌浪問題。近似估算法假定［2］:

(1)涌浪首先在滑坡入水處發(fā)生，產(chǎn)生初始波，然后向周圍傳播。在傳播過程中，不斷變形，但忽略能量損耗，或假定損耗為已知。

(2)忽略邊界條件的非線性影響，假定全部涌浪過程可以視為在一系列源點(diǎn)處產(chǎn)生的小波影響的線性迭加。所以對于水深較淺的水庫，計(jì)算誤差可能較大。

(3)每個(gè)小波成分都是孤立波，以涌浪形式在水面上傳播。波速c為常數(shù)。

(4)假定涌浪到達(dá)庫岸后發(fā)生全反射，或其反射系數(shù)k為已知值。

變形體失穩(wěn)破壞時(shí)假定為一次同時(shí)滑下，為垂直變形的情況。具體公式如下:

(1)滑坡體水庫對岸最高涌浪按下式計(jì)算:

歷時(shí)T及涌浪從本岸傳播到對岸需時(shí)Δt=B/c。如果L/B不太大，級數(shù)中采用的項(xiàng)數(shù)如下所示:

波速c可按下式計(jì)算:

(2)水庫大壩處最高涌浪按下式計(jì)算:

可以這樣計(jì)算:設(shè)河道寬為B，滑坡區(qū)中心到大壩的水平距離為x，則:

3.2 邊界條件

變形體后緣位于高程1 537m，前緣剪出口位于岸邊高程1 258m附近，變形體范圍厚度為0～190m。選用正常蓄水位1 330m時(shí)變形體失穩(wěn)破壞后形成的涌浪進(jìn)行計(jì)算分析。

3.3 參數(shù)選取

水電站庫區(qū)變形體處水庫庫面寬340m，水深93m。現(xiàn)無法確定變形體下滑時(shí)的范圍和厚度，故選取了兩種下滑可能進(jìn)行計(jì)算分析:當(dāng)Ⅲ區(qū)整體下滑時(shí)，滑坡體長210m，滑坡體平均厚度20m，估計(jì)方量100萬m3左右;當(dāng)Ⅳ區(qū)整體下滑時(shí)，滑坡體長480m，滑坡體平均厚度95m，估計(jì)方量1 000萬m3左右，若平均厚度取50m，估計(jì)方量500萬m3左右?；瑒?dòng)速度分別取 5m/s、10m/s、15m/s 和 20m/s，該變形體距大壩17km，選取距大壩不同距離進(jìn)行分析計(jì)算。

3.4 計(jì)算成果

(1)當(dāng)Ⅲ區(qū)整體下滑時(shí)。利用前述的潘家錚法計(jì)算出了在不同滑動(dòng)速度、不同滑動(dòng)歷時(shí)下的初始涌浪高度和對岸最高涌浪高度。滑動(dòng)歷時(shí)分別選取了10s、15s、20s和25s四種工況。計(jì)算結(jié)果見表1和圖1。

在不同滑速下，不同距離的涌浪高度不同，計(jì)算結(jié)果見表2和圖2。

(2)當(dāng)Ⅳ區(qū)整體下滑時(shí)。當(dāng)滑坡體平均厚度為95m，估計(jì)方量為1 000萬m3左右時(shí)，同樣可以得到變形體在不同滑速和不同滑動(dòng)歷時(shí)下對岸最高涌浪高度，見表3、圖3。

表1 變形體在不同滑速和不同滑動(dòng)歷時(shí)下對岸最高涌浪高度

圖1 不同滑速下初始涌浪高度與對岸最高涌浪高度的對比關(guān)系

表2 不同距離時(shí)在不同滑速下的涌浪高度(滑動(dòng)歷時(shí)T=10s時(shí)) m

圖2 不同滑速下涌浪高度與距變形體距離的關(guān)系

表3 變形體在不同滑動(dòng)速度、不同滑動(dòng)歷時(shí)下的初始涌浪高度和對岸最高涌浪高度

圖3 不同滑速下初始涌浪高度與對岸最高涌浪高度的對比關(guān)系

另外，距變形體失穩(wěn)破壞后形成涌浪的距離遠(yuǎn)近，在不同的滑速下，涌浪高度差異很大，計(jì)算結(jié)果見表4和圖4。

當(dāng)滑坡體平均厚度為50m，估計(jì)方量500萬m3左右時(shí)，計(jì)算結(jié)果見表5、圖5。

另外，距變形體失穩(wěn)破壞后形成涌浪的距離遠(yuǎn)近，在不同的滑速下，涌浪高度差異很大，計(jì)算結(jié)果見表6。可以用圖6清晰的展現(xiàn)出來。

3.5 成果分析

(1)涌浪高度在不同的滑動(dòng)速度和不同變形體規(guī)模下是不同的。涌浪高度隨滑動(dòng)速度的增大和變形體規(guī)模的增大而增大。

(2)在變形體規(guī)模大小即方量不同時(shí)，對岸最高涌浪高度有所不同。當(dāng)III區(qū)下滑(100萬m3左右)時(shí)，滑動(dòng)速度20m/s時(shí)對應(yīng)的對岸最高涌浪高度在4.8m左右;當(dāng)Ⅳ區(qū)下滑(500萬m3左右)時(shí)，滑動(dòng)速度20m/s時(shí)對應(yīng)的對岸最高涌浪高度在24.1m左右;當(dāng)Ⅳ區(qū)下滑(1 000萬m3左右)時(shí)，滑動(dòng)速度20m/s時(shí)對應(yīng)的對岸最高涌浪高度在41.5m左右。根據(jù)潘家錚法分析計(jì)算理論，涌浪在有阻擋的情況下，其高度將有所增加。因而涌浪對對岸的影響較大。

表4 不同距離時(shí)在不同滑速下的涌浪高度(滑動(dòng)歷時(shí)T=10s時(shí)) m

圖4 不同滑速下涌浪高度與距變形體距離的關(guān)系

表5 變形體在不同滑動(dòng)速度、不同滑動(dòng)歷時(shí)下的初始涌浪高度和對岸最高涌浪高度

圖5 不同滑速下初始涌浪高度與對岸最高涌浪高度的對比關(guān)系

表6 不同距離時(shí)在不同滑速下的涌浪高度(滑動(dòng)歷時(shí)T=10s時(shí))m

圖6 不同滑速下涌浪高度與距變形體距離的關(guān)系

(3)從圖2、3、4中可以清楚發(fā)現(xiàn)，當(dāng)III區(qū)下滑時(shí)，1km處涌浪高度在0.98m以下;當(dāng)Ⅳ區(qū)(500萬m3左右)下滑時(shí)，1km處涌浪高度在5.2m以下;當(dāng)Ⅳ區(qū)(1 000萬m3左右)下滑時(shí)，1km處涌浪高度在9.9m以下。對于水庫變形體失穩(wěn)破壞形成的涌浪高度，在距變形體最近的1km范圍內(nèi)衰減得最快，1～4km范圍衰減較快，4km以外涌浪已趨于平緩。

(4)在不考慮庫區(qū)河谷彎道對涌浪削減作用的情況下，滑動(dòng)速度20m/s時(shí)，當(dāng)Ⅳ區(qū)(500萬m3左右)下滑時(shí)，涌浪在距離17km遠(yuǎn)的大壩處衰減到了1.0m以下;當(dāng)Ⅳ區(qū)(1 000萬m3左右)下滑時(shí)，涌浪在距離17km遠(yuǎn)的大壩處衰減到了2.0m以下;僅III區(qū)下滑時(shí)已衰減到了0.2m左右。可見變形體失穩(wěn)形成的涌浪對大壩安全的工程影響是有限的。

4 結(jié) 語

(1)變形體失穩(wěn)破壞下滑對變形體對岸涌浪高度影響較大，這和滑動(dòng)速度和下滑的變形體范圍有關(guān)。因而需對涌浪對對岸的破壞引起高度重視。

(2)涌浪在距變形體1km范圍內(nèi)衰減較快，建議在1km范圍內(nèi)對涌浪的破壞作用須特別加強(qiáng)防范。這為防范變形體失穩(wěn)破壞形成的涌浪造成工程損失指明了方向。

(3)涌浪對大壩安全影響有限，大壩處涌浪高度在2m以下。在考慮大壩的阻擋作用后，涌浪高度將增加，即產(chǎn)生涌浪爬高。故在做大壩安全防范時(shí)需有所考慮。

［1］彭土標(biāo).水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊［M］.北京:中國水利水電出版社，2011.

［2］潘家錚.建筑物的抗滑穩(wěn)定和滑坡分析［M］.北京:水利出版社，1980.