水庫蓄水后不穩(wěn)定體塌落產(chǎn)生的涌浪計算與分析

王 倩

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院 地質(zhì)勘察研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

水利水電工程常修建于高山峽谷中，受工程投資的限制，工程中往往僅對壩址區(qū)及建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行開挖加固處理。水庫蓄水后，淹沒范圍大、回水區(qū)長，岸坡不穩(wěn)定體在回水的影響下會造成岸坡失穩(wěn)、向庫內(nèi)滑塌，對庫容、波浪爬高等產(chǎn)生一系列的工程問題[1-2]。本文以新疆努爾加水庫為例，計算分析不穩(wěn)定體滑塌后對波浪的影響，進(jìn)而確定壩頂高程。

1 項目簡介

努爾加水庫工程位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州昌吉市境內(nèi)三屯河出山口中低山區(qū)，位于已建三屯河水庫下游約17 km，已建三屯河渠首上游約7.3 km。

2 庫區(qū)工程地質(zhì)條件

1)洪積、泥石流：在壩線上游200～500 m河右岸發(fā)育4條大小不等的洪溝，溝長約400～800 m，溝口底寬1～2 m，沖溝兩側(cè)岸坡50°～65°，基巖多裸露，分布有少許崩坡積物。據(jù)觀察，隨著洪溝規(guī)模增大，由溝里向溝口坡積物漸增多，附著于坡面上，局部岸邊陡立，形成柱狀、墻狀巖體群。上述各洪溝口均分布大小不等的洪積扇，扇體由碎石土、砂土、含土砂礫石組成。

在壩址上游約1 km處河右岸發(fā)育一條較大規(guī)模的洪溝，溝長約2～3 km，溝口形成洪積扇體，扇緣長達(dá)250 m。據(jù)觀察，每年都有新的洪積堆積物形成，特別是近兩年降雨頻繁，暴雨季節(jié)帶入主河道洪積物增加，并伴有泥石流(砂、碎石)，其物質(zhì)來源于強(qiáng)烈降雨使洪溝內(nèi)少許崩坡積物集中沖刷、攜帶、搬運堆積形成。從洪溝口量測泥流厚0.2～0.3 m，分布于洪積扇中部及沖刷切割溝內(nèi)，面積約占洪積扇1/3，泥流物質(zhì)規(guī)模不大，與上述洪積物共同構(gòu)成水庫淤積物。

2)不穩(wěn)定巖體：壩址區(qū)河谷左右岸基巖經(jīng)過雨水沖刷和岸邊卸荷形成孤立的柱狀或墻狀巖體，相對高度30～50 m，局部構(gòu)成不穩(wěn)定巖體，分布于岸邊或山邊。不穩(wěn)定巖體特征見表1。

3)不穩(wěn)定岸坡：在壩軸線上下游左右岸基座階地和基巖形成陡立岸邊，平行岸邊發(fā)育卸荷裂隙帶，卸荷裂隙帶寬2～4 m，張開0.2～1.0 m，切割深度20～30 m。由PD2、PD4、PD5、PD6、PD7平硐可知，硐口0～3 m發(fā)育卸荷裂隙帶，裂隙間距10～50 cm，張開0.5～2 cm，面粗糙，延伸長5～8 m。壩軸線左右兩岸的Ⅲ級和Ⅴ級階地，Ⅲ級階地相對高度20～25 m，Ⅴ級階地相對高度75～80 m，均為基座階地。由于河道側(cè)蝕形成連續(xù)的陡立岸坡，坡度70°～80°，局部近直立，在距岸坡邊2～4 m可見平行岸坡連續(xù)分布的裂縫(圖1、圖2)，裂縫寬2～15 cm，延伸長5～10 m，切割深15～20 m。

綜上所述，壩軸線兩岸的岸坡強(qiáng)卸荷帶寬2～4 m，強(qiáng)卸荷帶當(dāng)降雨量較大或春季融雪時常有塌岸發(fā)生,局部構(gòu)成不穩(wěn)定巖體，對壩體影響不大，對壩址附屬建筑物進(jìn)、出口邊坡穩(wěn)定有影響。

4)風(fēng)化層厚度: 根據(jù)平硐及鉆孔資料并結(jié)合地震波速確定，強(qiáng)風(fēng)化層厚3～6 m，弱風(fēng)化層厚5～6 m。

表1 壩址不穩(wěn)定巖體特征表

圖1 左岸階地面上的拉裂縫

圖2 右岸階地面上的拉裂縫

3 不穩(wěn)定體涌浪計算與分析

不穩(wěn)定體位于壩線上游右岸300 m，分布高程為870～950 m(高80 m)，南北寬46～53 m(平均50 m)，厚約15 m左右，方量6.0×104m3。重心按910 m計(正常高水位878 m時取32 m、設(shè)計洪水位879.77 m時取30.23 m、校核洪水位881.89 m時取28.11 m)。滑坡體的平均厚度按5 m計。正常高水位878 m時庫水面寬度為422 m，設(shè)計洪水位879.77 m時庫水面寬度為446 m，校核洪水位881.89 m庫水面寬度為452 m。

3.1 滑坡體滑速計算

滑坡體滑速計算公式[3]如下：

式中：g為重力加速度，取9.8 m/s2；H為滑坡水上部分重心至水面的高度；θ為滑坡傾角90°(不穩(wěn)定體為柱狀、墻狀)，ctg90°=0；W為滑坡體總體積6.0×104m3；f為滑面摩擦系數(shù)，取殘余強(qiáng)度值f=0.55。

=25.04 m/s

3.2 滑坡歷時計算

設(shè)下滑過程為勻加速直線運動過程，計算公式[4]如下：

式中：T為滑坡持續(xù)時間；S為滑坡體下滑位移量，取滑坡體底部870～950 m長度80.0 m；a為滑動面上加速度，m/s2；a=gsinθ=9.8×sin90°=9.8 m/s2，sin90°=1。

該水庫在正常蓄水位878.0 m時，庫水面寬度B=422 m，滑坡體上下游的寬度按平均寬度L=50 m,半長l=25 m，X0=300+50=350 m(X0為壩軸線到滑坡體上游邊緣的水平距離)，水深d=(878-822)=56 m，滑坡體平均厚度λ=15 m，估算滑坡速度v=25.04 m/s。滑動歷時T估算為3.5 s。岸坡變形基本上屬于水平滑移變形類型(圖3)。

圖3 涌浪計算圖

3.3 涌浪高計算

試分析正常蓄水位878.0 m最高涌浪如下：

1) 計算一些常數(shù)[5]，見圖4。

圖4 垂直滑坡初始浪高曲線

由圖4中曲線可知：

Δt=B/C=422/27.47=15.36 s

T/Δt=4.04/15.36=0.26

2) 計算壩址(A’)浪高。公式如下：

式中：k為波的反射系數(shù)，為0.9～1，取0.9；B為庫水面寬度，取422 m；x0為滑坡體與計算點間距離，取350 m(滑坡體下游距壩距離300+滑坡體寬50)；L為滑坡體順河向平均長度，取50 m；Σ為級數(shù)之和。

圖5 滑坡涌浪傳播曲線

同理，可計算出設(shè)計洪水位和校核洪水位時的涌浪高度，計算結(jié)果見表2。

表2 壩址涌浪匯總表

4 結(jié) 論

不穩(wěn)定體出現(xiàn)最不利的整體高速下滑狀況，對壩前庫水產(chǎn)生的涌浪高度為0.65～0.73 m。而水庫壩頂高程883 m，正常蓄水位878.0 m時產(chǎn)生的涌浪為0.73 m，涌浪爬高達(dá)不到壩頂高程，更不會翻過防浪墻，因此對工程運行不會產(chǎn)生影響。