梨園庫區(qū)某滑坡評價與涌浪預測計算

梨園庫區(qū)某滑坡評價與涌浪預測計算

主要研究地質災害預測與防治。

馬旭，繆信

(成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，成都610059)

摘要：針對庫區(qū)滑坡失穩(wěn)及滑體高速入水引起的涌浪可能對庫岸安全及水庫運行造成的危害，以金沙江梨園電站庫區(qū)草可都滑坡為例，應用有限元分析軟件計算出該滑坡在庫水位升降條件下的穩(wěn)定性，運用能量法及潘家錚涌浪計算理論對其滑速、初始涌浪及沿程涌浪高度進行了計算。計算結果表明，草可都滑坡整體失穩(wěn)時引起的涌浪會威脅到對岸各基河電站的安全，但對下游壩址的影響很?。痪植渴Х€(wěn)時，涌浪對對岸電站廠房及壩址的影響都很小。

關鍵詞：草可都滑坡；涌浪；穩(wěn)定性分析；災害預測

0引言

近年來，隨著我國水利水電事業(yè)的快速發(fā)展，水利工程尤其是大型水庫的修建越來越多，庫岸邊坡的穩(wěn)定性問題越來越受到重視，而庫區(qū)邊坡一旦失穩(wěn)，形成的涌浪是一種嚴重的次生災害，不但會威脅水庫中航行船只及沿岸居民的生命、財產安全，更有可能沖毀水工建筑物、堵塞河道，甚至造成壩頂漫水、水庫報廢等嚴重后果[1-2]。因此，正確地分析評價庫區(qū)滑坡涌浪具有重要意義。

本文主要采用了能量法及潘家錚涌浪計算理論對梨園水電站庫區(qū)草可都滑坡在整體及局部失穩(wěn)條件下的涌浪進行了計算及預測。

1滑坡工程地質特征

草可都滑坡位于金沙江右岸，距下游梨園水電站壩址約28 km?；鲁嗜σ螤畹孛?，滑坡體表面形態(tài)整體上呈一臺地地貌，滑坡體兩側發(fā)育小沖溝，前緣臨空面地形坡度約50°～65°，前部地形平緩、坡度5°～10°，中后部地形坡度中等、坡度20°～30°?；虑昂缶壏植几叱? 550～1 800 m，順江方向長度約360 m，橫河方向長約640 m，堆積體面積約0.14 km2，滑坡體厚50～70 m，體積5.77×106m3，為大型堆積體滑坡。如圖1～2。

圖1　草可都滑坡全景

根據(jù)現(xiàn)場鉆探資料及滑坡區(qū)地表調查，滑坡體物質主要為冰磧物、坡積物、崩積物，滑坡體內、底界面無明顯的滑面，組成物質為含碎石粉土、含碎石黏土及碎塊石土，結構較松散，地下水位埋深32～42 m?；虑熬売腥c出露。

調查顯示滑坡臨空面附近有明顯的滑塌現(xiàn)象(如圖3)，前緣有鼓脹裂縫、寬約0.6 m、深1.5 m，后緣可見下錯變形臺坎、位移約2 m。前緣上游側局部基巖出露，下伏基巖為二迭系東壩組(P2d)玄武巖，呈弱風化狀，流層面產狀為N30°～45°W，NE∠35°～45°。

從滑坡堆積體成因機制、物質組成及變形跡象上分析可知：該滑坡為推移式滑坡，且在水庫蓄水條件下，由于庫水浸泡軟化作用和水位升降產生的浮托減重效應和動水壓力效應會使滑坡具有局部和整體失穩(wěn)的可能。滑坡一旦失穩(wěn)，滑體進入水庫產生的涌浪將對對岸的各基河電站廠房造成嚴重的威脅，因此，有必要對該滑坡進行穩(wěn)定性分析及涌浪預測研究。

圖2　草可都滑坡工程地質平面圖

圖3　草可都滑坡前緣局部滑塌現(xiàn)象

2計算參數(shù)的選取及穩(wěn)定性計算結果

為分析滑坡在蓄水后的穩(wěn)定性，應用加拿大GEO-SLOPE公司開發(fā)的GeoStudio系列軟件中的SEEP/W和SLOPE/W模塊計算邊坡的滲流場及穩(wěn)定性。根據(jù)梨園電站可行性研究報告中提供的巖土物理力學參數(shù)，并結合滑坡現(xiàn)狀反演分析，草可都滑坡的巖土參數(shù)取值見表1及圖4～5所示。計算結果表明，在庫水位升降速率為2 m/d時，滑坡前緣極限平衡自動搜索滑面和指定滑帶得出的滑坡局部和整體穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.003和1.105(如圖6～7)，前緣局部不穩(wěn)定—欠穩(wěn)定，草可都滑坡整體欠穩(wěn)定—基本穩(wěn)定。這說明在庫水位升降的影響下，滑坡有可能局部或整體失穩(wěn)，有必要對其整體或局部失穩(wěn)時引起的涌浪進行分析。

表1　草可都滑坡參數(shù)取值表

3滑坡滑速及涌浪計算方法

3.1滑速計算

涌浪計算的前題是滑速計算，滑坡失穩(wěn)后的滑速計算方法很多，目前具代表性的有能量法、謝德格爾法和改進條分法等。其中，能量法是根據(jù)能量守恒定理提出的一種計算方法，又稱為整體運動方程法，它從研究滑坡體系內能量轉化關系出發(fā)，避免了滑坡運動過程的復雜性，具有概念明確、簡單易懂等優(yōu)點[3]。本次計算即選用能量法。

根據(jù)該方法，滑坡入水時的速度為

(1)

式中：H為入江滑坡體重心距離水面的高度(m)；m為滑體質量(kg)；C、φ為滑面巖土體的內聚力(kPa)和內摩擦角(°)；L為滑面長(m)；α為滑面平均傾角(°)。

圖4　堆積體水土特征曲線

圖5　堆積體滲透系數(shù)

圖6　滑坡整體穩(wěn)定性分析結果

圖7　滑坡前緣局部失穩(wěn)時穩(wěn)定性分析結果

3.2涌浪計算

對于滑坡涌浪計算，目前國內外常使用的經(jīng)驗方法主要有E.Node法、潘家錚法、水科院經(jīng)驗公式法以及基于運動學的分析方法等[4]。在這些方法中，考慮的影響滑坡涌浪高度的主要因素是基本相同的。目前使用較多的是潘家錚法和E.Node法，本次即采用潘家錚法計算。

潘家錚于1980年提出初始涌浪高度的計算方法，其假定涌浪首先在滑坡入水處發(fā)生，產生初始波，并向周圍傳播，他認為滑坡體侵入水庫的斷面積隨時間的變化率是確定初始涌浪高度的主要因素，其計算模式按岸坡變形方向分為水平運動和垂直運動2種[5]。

圖8　潘家錚法涌浪計算模型平面圖

如圖8所示，當岸坡上有一塊厚度為d的滑坡體，且岸坡以速度v做水平變形進入水庫中時，激起的初始浪高可表示為

當岸坡發(fā)生垂直運動時，激起的初始浪高可用下面的函數(shù)表示：

式中：ζ0為激起的初始涌浪高度；v為岸坡在水平方向或豎直方向的運動速度；d為滑體的厚度；h為水庫平均深度；g為重力加速度。

4草可都滑坡涌浪預測

4.1整體失穩(wěn)涌浪計算

首先應用整體運動方程法計算滑坡滑速，草可都滑坡體體積5.77×106m3，堆積體平均厚度45m，滑坡體質心距離水面的高度約為20m，滑體總質量為1.15×1 010kg，滑面巖土體的內聚力取值15kPa，內摩擦角取值20°；滑面長700m，滑面平均傾角24°。代入式(1)得v=8.120m/s。

圖9　初始涌浪高度求解曲線圖

由前面可知滑坡呈緩到中傾角，滑坡主要表現(xiàn)為水平滑動，岸坡表現(xiàn)為水平變形，計算涌浪高度時可把低緩傾斜的岸坡運動近似看作水平運動處理以達到簡化計算的目的，庫水深度可取水庫蓄水后水位維持在1 618m時的平均深度，h=80m。

根據(jù)潘家錚給出的求對岸點A的最高涌浪公式[5]：

式中：ζ0為初始浪高；B為水面寬度，取B=380m；k為波的反射系數(shù)，通過一些實例計算分析，在求對岸最高涌浪時，k可近似地置為1；l為滑坡前緣順江方向長度的一半，取為180m。

n取1，代入，化簡可得到對岸涌浪高度：

涌浪傳播至對岸后受岸坡的阻擋，涌浪的機械能轉化和轉移，李玉成在考慮斜坡堤前波浪發(fā)射而不破碎的前提下，提出了波浪的爬高計算[6]。其考慮了涌浪爬坡方位角的影響，得出了涌浪爬高的經(jīng)驗估算公式

式中：ζ′為涌浪爬坡后高度；ζ為庫岸邊的涌浪高度；α為斜坡坡角(弧度)；β為爬坡方位角。

到達對岸涌浪爬高

由于對岸各基河電站高程在1 630m左右，只比蓄水位1 618m高出12m，可見草可都滑坡整體失穩(wěn)下滑產生的涌浪會對電站廠房安全構成嚴重威脅，有必要做出相應的應對措施來確保電廠及工作人員的安全。

到達下游壩址處涌浪高度的計算：根據(jù)潘家錚給出的結論，對岸A′點最高涌浪公式為[5]

式中：ζ0為初始浪高；B為水面寬度；k為波的反射系數(shù)，一般值為0.85～0.95，本次取0.95；L為滑坡體沿庫岸的寬度，取L=360m，l為其半長；θn為傳到A′點的第n次入射角與岸坡法線的交角；x0為滑坡區(qū)中心到A′點的距離，取28km。

代入，可得：到達壩址處涌浪高度：ζ″=0.445m。滑坡至壩址之間不同庫段的涌浪高度如圖10所示。

圖10　草可都滑坡整體失穩(wěn)時涌浪沿程高度

4.2局部失穩(wěn)涌浪計算

滑坡局部失穩(wěn)時，欠穩(wěn)定堆積體體積約2.86×105m3，平均厚度12 m，滑體重心距離水面的高度約為3 m，滑體總質量為5.72×108kg，滑面巖土體的內聚力為15 kPa，內摩擦角為20°；滑面長119 m，滑面平均傾角37°。據(jù)此算出局部失穩(wěn)時滑速v=5.413 m/s。

由于滑面較陡，岸坡主要表現(xiàn)為垂直變形，根據(jù)潘家錚涌浪計算理論可將滑坡運動近似看作垂直運動處理，方法如前所述，這里不再贅述，結果見表2。

表2　草可都滑坡局部失穩(wěn)時涌浪計算結果

滑坡至壩址之間不同庫段的涌浪高度如圖11所示：

圖11　草可都滑坡前緣局部失穩(wěn)時涌浪沿程高度

5結語

1)草可都滑坡為一大型堆積體滑坡，經(jīng)計算，在庫水位升降速率為2 m/d時，滑坡有可能局部或整體失穩(wěn)，一旦失穩(wěn)，滑坡入水引起的涌浪有可能對對岸電站安全構成威脅，有必要對其進行涌浪分析。

2)運用能量法及潘家錚涌浪算法對草可都滑坡整體及局部失穩(wěn)時的滑速、初始涌浪及沿程涌浪高度進行了計算，結果顯示：滑坡整體失穩(wěn)時涌浪將會威脅到對岸各基河電站安全；由于涌浪高度沿程呈指數(shù)衰減，到達壩址的浪高不到0.5 m，對下游大壩的影響很小。滑坡局部失穩(wěn)時涌浪對其對岸各基河電站有一定影響，但威脅不大，對下游大壩幾乎無影響。

參考文獻

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[5] 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，1980：133-150.

[6] 李玉成，滕斌.波浪對海上建筑物的作用[M].北京：海洋出版社，2002：234-238.

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.02.023

收稿日期：2015-04022

作者簡介：馬旭(1989-)，男(漢)，江蘇沛縣，碩士

中圖分類號：P642.22

文獻標志碼：A

文章編號：1009-8984(2015)02-0085-05

The calculation to surge prediction and evaluation to one landslide in Liyuan reservoir

MA Xu，et al.

(StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection，

ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059，China)

Abstract：Aiming at the hazards of reservoir bank safety and reservoir operation leaded by slide loosing stability and slide bodies entering the water at a high speed，taking the Caokedu landslide in Liyuan reservoir as an example，using finite element analysis software，this paper calculates the stability of the slope with changing water lever，and calculates the sliding speed，the initial surge height，and the along height of the surge by using energy method and Pan Jiazheng surge calculation method.The result shows that the surge appeared by the loosing stability of whole Caokedu landslide will threaten the safety of each power station on the opposite band of the base river，but the impact is little to the downstream dam site.During the partly loosing stability，the influence of surge to each power station plant on the opposite band and the dam site is very little.

Key words：Caokedu landslide；surge；stability analysis；hazard prediction