云南某大規(guī)模堆積體變形破壞與涌浪分析

王雍

（中電投云南國(guó)際電力投資有限公司,云南昆明 650000）

云南某大規(guī)模堆積體變形破壞與涌浪分析

王雍

（中電投云南國(guó)際電力投資有限公司,云南昆明 650000）

對(duì)云南某大規(guī)模堆積體變形破壞模式進(jìn)行涌浪分析,研究其危害性,為工程界大規(guī)模堆積體的滑坡涌浪分析提供借鑒參考。

堆積體 變形破壞 涌浪

1 滑坡涌浪分析計(jì)算原理

滑坡體失穩(wěn)產(chǎn)生最大涌浪高度主要受滑坡體規(guī)模與滑動(dòng)速度兩個(gè)關(guān)鍵因素影響。滑坡體失穩(wěn)后運(yùn)動(dòng)過程十分復(fù)雜,滑速很難精確計(jì)算,目前滑速計(jì)算公式主要是根據(jù)能量守恒或動(dòng)量守恒方程進(jìn)行求解,其中代表性的方法為能量法和潘家錚提出的垂直條分法。涌浪高度的影響因素更為復(fù)雜,目前還沒有通用的計(jì)算方法?，F(xiàn)階段,滑坡引起涌浪高度的求解方法包括模型試驗(yàn)法與計(jì)算法兩種,其中計(jì)算法主要有中國(guó)水利水電科學(xué)研究院經(jīng)驗(yàn)公式法、美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)建議的推算法、潘家錚法等,這些方法仍停留在經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上。

1.1 能量法滑速計(jì)算

能量法將滑坡體的運(yùn)動(dòng)視為勻加速運(yùn)動(dòng),并利用經(jīng)典的牛頓運(yùn)動(dòng)定律進(jìn)行求解,運(yùn)動(dòng)基本方程為:

式中,α0為滑面滑出傾角,u為滑面上孔隙水壓力,f、c分別為滑面摩擦系數(shù)與凝聚力,m為滑體單寬質(zhì)量,g為重力加速度,a為滑體加速度,l為滑距?；w最大運(yùn)動(dòng)速度Vmax計(jì)算公式為:

式中,H為滑體重心至水面高度。若不考慮c值,則式（2）可簡(jiǎn)化為:

圖1 垂直條塊i上作用力圖

圖2 堆積體分區(qū)平面圖

當(dāng)滑面為非平面時(shí),可取f,α0平均值作近似計(jì)算。

1.2 潘家錚法滑速計(jì)算

將滑坡體運(yùn)動(dòng)視為平面問題,選擇代表性剖面作為研究對(duì)象,將滑體劃分為一系列具有垂直界面的條塊,假定條塊界面滑動(dòng)后仍保持垂直,條塊i上作用力如圖1所示,有作用在滑面上法向反力i、孔隙水壓力Ui,有作用在界面上的作用力H和H+△Hi、Q和Q+△Qi。若忽略條塊界面上的剪力Q,且假定水平向加速度和垂直向加速關(guān)系式（4）近似成立:

根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律推導(dǎo),ax的表達(dá)式為:

求出水平加速度ax后,便可利用運(yùn)動(dòng)學(xué)原理求出不同時(shí)段滑體的速度v、運(yùn)行距離L等。對(duì)于庫區(qū)滑坡,當(dāng)滑坡體沖入水中時(shí),其迎水面還受到水的阻力,此力取決于滑速及擋水面積,其方向與滑動(dòng)速度相反,根據(jù)流體力學(xué),阻力表達(dá)式為（6）:

式中,CD為一個(gè)系數(shù),通常取1．5～2．0,A為水下滑體在垂直流速方向的投影面積,ρ為水的密度,V為滑體速度。再根據(jù)式(5)有（7）式成立:

上式中,條塊的速度Vi采用條塊前一個(gè)時(shí)間段的速度。一旦不同時(shí)刻的水平向加速度ax求出,則各條塊不同時(shí)刻豎直方向的運(yùn)動(dòng)加速度ay可根據(jù)式（4）求出,根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理,問題便迎刃而解。需要指出,水下條塊自重按浮容重計(jì),水上條塊按天然容重計(jì)。

圖3 堆積體各分區(qū)變形關(guān)系與趨勢(shì)圖

圖4 滑坡體剖面圖

圖5 滑速v隨時(shí)間t的變化曲線

圖6 水平加速度隨時(shí)間t的變化曲線圖

表1 潘家錚法涌浪計(jì)算結(jié)果

表2 能量法涌浪計(jì)算結(jié)果

1.3 滑坡涌浪高度計(jì)算

滑速一旦計(jì)算出來,就可以計(jì)算出滑體入水時(shí)可能產(chǎn)生的最大涌浪高度,這里只介紹目前國(guó)內(nèi)常用的中國(guó)水利水電科學(xué)院的經(jīng)驗(yàn)公式法?；w入水前最大涌浪高度的計(jì)算公式為:

式中:K為綜合影響因子,一般取0．18,U為滑體體積,單位為104m3,V為滑速,單位為m/s,ηmax為最大涌浪高度。距滑坡處x處的涌浪高度的估算公式為:

式中,K1為與滑坡點(diǎn)距離x有關(guān)的函數(shù),當(dāng)x=2000m時(shí),K1=0．08,當(dāng)x=5000m時(shí),K1＝0．05,當(dāng)x＝12000m時(shí),K1＝0．02;n=1．4;η為涌浪高度。

2 工程概況

云南省金沙江一級(jí)支流上某水電站水庫總庫容7800萬m3。庫區(qū)左岸上游約1～2公里處變形堆積體規(guī)模巨大,達(dá)3300m3,分布在高程990m～1662m之間。2010年12月工程下閘蓄水后,堆積體變形較大,其危害性引起建設(shè)單位高度重視。(如圖2所示)

3 變形破壞機(jī)理與涌浪分析結(jié)果

3.1 變形破壞機(jī)理

該堆積體主要為碎石混合土層和碎石層組成,結(jié)構(gòu)骨架作用強(qiáng),透水性強(qiáng)。穩(wěn)定性研究成果表明,堆積體在地震、庫水位快速下降或連續(xù)暴雨等不利工況下,整體下滑可能性很小,主要變形破壞形式為蠕滑或分散式解體下滑。根據(jù)地形地貌特征、裂縫分布和變形方向,將堆積體劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)基本區(qū),三區(qū)存在著牽引式變形影響關(guān)系。2011年雨季Ⅰ-1和Ⅰ-4子區(qū)前緣塌滑,首先變形,牽動(dòng)后部Ⅰ-2和Ⅰ-3子區(qū)變形;Ⅰ區(qū)的變形牽引Ⅱ區(qū)在2012年雨季發(fā)生較大變形。其中Ⅱ區(qū)的前緣Ⅱ-3子區(qū)受后部子區(qū)向前變形擠壓,向河床變形趨勢(shì)明顯。Ⅲ區(qū)基本無明顯變形,各區(qū)變形趨勢(shì)見圖3。

3.2 涌浪計(jì)算分析

穩(wěn)定性較差的堆積體子區(qū)主要是Ⅰ-1區(qū)、Ⅰ-4區(qū)和Ⅱ-3區(qū),其中Ⅱ-3區(qū)滑坡產(chǎn)生的壩前涌浪最高,最具代表性。Ⅱ-3區(qū)位于上游庫區(qū)距離大壩1km,分布在庫水位以上150m～200m處,底部發(fā)生局部滑動(dòng)失穩(wěn)時(shí),假定滑坡體從邊坡滑出后從高空墜入江中,滑坡體單寬體積1798m3,平均寬度25m,相應(yīng)總體積4．49萬m3。（如圖4所示）

涌浪分析的關(guān)鍵參數(shù)是滑面的抗剪強(qiáng)度,此處采用滑面的殘余抗剪強(qiáng)度參數(shù)來模擬滑坡失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。滑面強(qiáng)度參數(shù)取值為:φ=20°,c=0kPa,同時(shí)對(duì)滑面的摩擦角φ=18°、φ=22°、φ=24°這三種情況進(jìn)行敏感性分析。本文采用潘家錚法和能量法對(duì)比計(jì)算,分析預(yù)測(cè)滑坡產(chǎn)生的涌浪高度,計(jì)算滑動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)見圖5和圖6,計(jì)算結(jié)果分別見表1和表2。

從計(jì)算結(jié)果可以看出,因?yàn)榛衙婕舫隹诘膬A角較陡,其滑坡速度隨時(shí)間的發(fā)展而不斷增加,但其加速度隨時(shí)間的發(fā)展而不斷減小。當(dāng)滑面的摩擦角φ=20°時(shí),采用潘家錚法獲得的最大滑速為13．5m/s,采用能量法獲得的滑坡體速度達(dá)40m/s?？紤]到Ⅱ-3區(qū)位于正常蓄水位以上約150m處,當(dāng)滑坡體自滑床處剪出后,在自重的作用下將不受滑面的約束而作自由落體運(yùn)動(dòng),因此,認(rèn)為采用能量法進(jìn)行滑速計(jì)算更加合理,滑坡涌浪計(jì)算結(jié)果以能量法的滑速計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)。當(dāng)φ=20°時(shí),滑坡體失穩(wěn)時(shí)傳遞至大壩處的最大涌浪高度約為5．8m,考慮壩頂超高及防浪墻的影響,導(dǎo)至翻壩的涌浪高度應(yīng)大于7．0m,因此,滑坡涌浪對(duì)大壩及附屬建筑物的影響較小;此外,鑒于滑坡體的方量很小,發(fā)生堵江的可能性很小,同時(shí)產(chǎn)生水庫淤積而導(dǎo)致庫容減小的影響很小?；掠坷藢?duì)工程運(yùn)行總體不會(huì)產(chǎn)生大的安全影響。(見表1、表2所示)

4 結(jié)語

本文對(duì)某大規(guī)模堆積體的變形機(jī)理和滑坡涌浪進(jìn)行了分析探討,采用能量法和潘家錚法進(jìn)行了滑坡體滑速計(jì)算,分析了典型滑塊的涌浪高度及對(duì)工程運(yùn)行的安全性影響,為類似工程提供借鑒參考。

[1]某水電站庫區(qū)左岸堆積體工程地質(zhì)勘察與研究[R].中電投集團(tuán)云南國(guó)際電力投資公司amp;中水顧問集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2014(3).

[2]殷坤龍,杜娟,汪洋.清江水布埡大堰塘庫區(qū)滑坡涌浪分析[J].巖土力學(xué),2008,29(12):1031-1035.

[3]王育林,陳鳳云,齊華林,李一兵.危巖體崩塌對(duì)航道影響及滑坡涌浪特性研究[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),1994(3):95-100.

本研究屬中電投集團(tuán)科研項(xiàng)目。

王雍（1969—）,男,湖南人,漢族,武漢大學(xué)工學(xué)碩士,教授級(jí)高工,主要從事水工設(shè)計(jì)與研究及工程建設(shè)管理。