水庫庫岸滑坡涌浪經(jīng)驗(yàn)估算方法應(yīng)用對比

滕光亮 張堯 陳建輝

摘 要：本文對巴基斯坦一個(gè)水電站工程庫區(qū)滑坡可能形成的涌浪問題進(jìn)行分析，利用潘家錚方法和水利水電科學(xué)研究院分析總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算庫區(qū)滑坡潛在滑坡體涌浪高度，綜合兩者的分析結(jié)果，通過與其他工程的大壩和庫區(qū)地質(zhì)類型對比，推薦采用潘家錚計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：水庫;庫岸滑坡涌浪;經(jīng)驗(yàn)估算方法

中圖分類號：TV145文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）01-0069-04

Abstract： In this paper， the surge problem of landslide in reservoir area of a hydropower station project in Pakistan was analyzed. The surge height of potential landslide in reservoir area was calculated by using Pan Jiazheng method and empirical formula method of Chinese Academy of hydraulic sciences. Based on the analysis results of the two methods and by comparing with the geological types of dam and reservoir area of other projects， Pan Jiazheng calculation method is recommended.

Keywords： reservoir;reservoir banklandslide surge;empirical estimate method

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國開工建設(shè)了大量水電、水利工程，工程建設(shè)后出現(xiàn)了一系列庫岸邊坡穩(wěn)定問題，邊坡失穩(wěn)后進(jìn)入庫區(qū)引起的涌浪問題也得到了人們的關(guān)注。三峽庫區(qū)的千將坪滑坡就引起了巨大涌浪，最大涌浪浪高39 m，沿水庫傳播30 km，造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡。針對此問題，目前國內(nèi)外主要采用3類方法進(jìn)行分析研究：公式法、室內(nèi)大型物理模擬實(shí)驗(yàn)手段和數(shù)值模擬法。其中，公式法因?yàn)檩^簡單且參數(shù)容易獲取，目前在實(shí)際工程中應(yīng)用較多[1-6]。

本文對巴基斯坦某水電站工程庫區(qū)潛在塌滑體進(jìn)行研究，分析塌滑體在失穩(wěn)進(jìn)入庫區(qū)的情況，用美國土木工程學(xué)會(huì)推薦的方法計(jì)算塌滑體沖入庫區(qū)后的滑速，并采用2種計(jì)算方法計(jì)算可能造成的涌浪高度，為工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

從區(qū)域上看，巴基斯坦北部的喜馬拉雅體系由高喜馬拉雅（Higher Himalayas）、低喜馬拉雅（Lesser Himalayas）和次喜馬拉雅（Sub Himalayas）組成。

水電站近場區(qū)內(nèi)出露的地層主要有前寒武系、新近系和第四系。前寒武系主要分布在吉拉姆斷裂-NathiaGali斷裂的西北地區(qū)，主要由薄層～厚層灰白色灰?guī)r和白云巖夾有大量灰色板巖、片巖組成。新近系地層在近場區(qū)內(nèi)主要出露于吉拉姆斷裂-穆里斷裂以東和以南地區(qū)，主要由中新統(tǒng)和上新統(tǒng)組成。其中，中新統(tǒng)巖性主要由砂巖、粉砂巖、泥巖組成。砂巖、粉砂巖主要呈深紅色、灰綠色，泥巖多呈紅褐色。第四系地層主要沿杰赫勒姆河及其支流流域分布，為冰水沉積、洪積和沖積等。這些沉積物構(gòu)成了I、Ⅱ級河流階地或階地的基座。

2 大壩及庫區(qū)特征

此工程攔河壩壩型為曲線型碾壓混凝土重力壩，最大壩高95 m，下游壩坡為1∶0.85。壩頂寬16 m，壩基寬約82 m。其具有較好的抗擊涌浪沖擊能力，涌浪翻壩不會(huì)對壩頂造成嚴(yán)重的沖刷破壞。

庫區(qū)屬于中低山地貌，庫區(qū)河谷狹窄，岸坡陡立，溝谷發(fā)育，為U型谷。庫區(qū)出露地層巖性分為第四系（Q）松散堆積物及新近系（N）基巖地層。基巖地層以泥質(zhì)粉砂巖（ast）、粉砂巖（st）為主，夾有中細(xì)砂巖（ss）、泥巖（ms）。另外，庫區(qū)局部分布有薄層灰褐色、灰綠色頁巖以及透鏡體狀礫巖。第四系地層主要為坡積物、階地和河床沖積物、坡崩積物及滑坡堆積物。

根據(jù)庫岸基本地形地質(zhì)條件，對水庫岸坡的整體穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，庫區(qū)共有86處不良或失穩(wěn)的岸坡體。根據(jù)現(xiàn)狀滑坡體特征和岸坡的物質(zhì)組成，預(yù)測較大的潛在滑坡體共4處。潛在滑坡體發(fā)育的特征為：岸坡陡峭，自然坡度一般大于30°，臨空卸荷，邊坡覆蓋有厚度較大的殘坡積碎石土，部分見后緣陡壁，高0.5～1 m，底部見小型塌滑體，推測滑坡面為強(qiáng)風(fēng)化基巖面或巖土界線面。各潛在滑坡體特征見表1，潛在滑坡體HP3的剖面見圖1。

影響滑坡涌浪的因素較多，包括滑體的情況，如滑坡規(guī)模、幾何形態(tài)，水面高差、距離，滑面抗剪指標(biāo)，滑動(dòng)的初速及入水速度等;還包括庫區(qū)狀況，如滑落部位庫區(qū)水面寬度、河谷形態(tài)、水下地形、河道彎曲等。針對混凝土重力壩和U型谷庫區(qū)的情況，判斷涌浪滑速及浪高可采用經(jīng)驗(yàn)估算公式方法分析計(jì)算。

3 滑坡滑速估算方法

《水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊》上推薦的滑坡滑速估算方法主要有潘家錚法、條分法、能量法、質(zhì)點(diǎn)滑速計(jì)算法及美國土木工程學(xué)會(huì)推薦方法。本次工作中采用美國土木工程學(xué)會(huì)推薦的方法對滑速進(jìn)行計(jì)算。

美國土木工程學(xué)會(huì)推薦的估算方法假定：滑體滑落于半無限水體中，且把滑體當(dāng)作整體以重心點(diǎn)作質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，按照重力加速度公式推導(dǎo)出滑坡入水速度的計(jì)算公式。圖2是美國土木工程學(xué)會(huì)根據(jù)能量守恒原理選取的滑速計(jì)算模型。

4 常用的庫岸滑坡涌浪經(jīng)驗(yàn)估算方法

涌浪計(jì)算分為最大涌浪高度、傳播浪、爬坡浪高度計(jì)算。對于最大涌浪高度的研究分析較多，特別是在數(shù)值模擬解析、模型模擬實(shí)驗(yàn)方面。我國使用較多的有潘家錚方法及水利水電科學(xué)研究院分析總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式。

4.1 潘家錚方法

參考《水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊》滑坡涌浪估算公式，滑坡入水點(diǎn)向下游河道存在折彎點(diǎn)，折彎點(diǎn)河道由北東向折向北西。根據(jù)斷面分析塌滑體失穩(wěn)時(shí)近似水平型滑入庫區(qū)。用美國土木工程學(xué)會(huì)推薦的方法計(jì)算滑坡入水速度，用潘家錚方法公式估算涌浪高度，當(dāng)岸坡發(fā)生水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，激起的初始浪高可表示為：

由于美國土木工程學(xué)會(huì)推薦方法計(jì)算的滑坡速度為入水速度，因此本次工作中[v′]的取值為[V·cosα]。

式中：[d]為水庫水深，m;[v′]為滑坡體水平滑速，m/s;[h0]為初始涌浪高度，m;[V]為滑坡體滑速，m/s。

滑坡入水點(diǎn)對岸的最大涌浪高度計(jì)算公式為：

壩址處最大涌浪高度的計(jì)算公式為：

其中，[S]為滑坡體下游邊到壩址的距離，m。

4.2 中國水利水電科學(xué)研究院方法

水科院經(jīng)驗(yàn)公式法是由中國水利水電科學(xué)研究院黃種為等提出的，在參考了美國利貝壩等工程的涌浪試驗(yàn)資料后，結(jié)合柘溪塘巖光滑坡的原型觀測成果，認(rèn)為庫岸滑坡的滑速和滑坡體的體積是影響涌浪高度的主要因素，其計(jì)算公式如下。

對岸最大涌浪高度：

距滑坡體不同距離的涌浪高度：

5 庫區(qū)潛在滑坡體涌浪計(jì)算

根據(jù)上面公式，計(jì)算庫區(qū)的4個(gè)潛在滑坡體結(jié)果如表3、圖3至圖6所示。

結(jié)合上述表格、圖的結(jié)果以及表1可知，在滑坡體積較小、滑速較大的情況下，兩者計(jì)算的結(jié)果相差較大，而在滑坡速度及滑坡體積適中的情況下，兩者計(jì)算結(jié)果相近。分析原因：潘家錚方法計(jì)算模型下，涌浪發(fā)生在庫岸一側(cè)，首先傳播到對岸，然后通過波的反射及擴(kuò)散沿著庫區(qū)向上下游傳播。此方法分析了初始涌浪產(chǎn)生的原因，通過波的傳播理論進(jìn)行分析推導(dǎo)，有一定的理論基礎(chǔ)，推導(dǎo)過程中各參數(shù)的物理意義也比較明確，雖然部分作了一些近似假設(shè)，但與涌浪形成及傳播的實(shí)際情況比較接近。對于各種條件下的滑坡均有一定的適用性。

水科院計(jì)算方法基于國內(nèi)外現(xiàn)有的滑坡試驗(yàn)資料及滑坡計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果與滑速、滑坡體積呈相關(guān)系數(shù)關(guān)系，但由于模型及試驗(yàn)樣本個(gè)數(shù)的有限性，一些與模型差別較大的滑速或體積參數(shù)得到的結(jié)果可能與實(shí)際情況有一定差別。其適用于滑坡體積及滑速適中的滑坡體。

庫岸滑坡涌浪的發(fā)生過程是極其復(fù)雜的。在實(shí)際工作中，理論和經(jīng)驗(yàn)估算方法計(jì)算簡便、快捷，能滿足庫岸滑坡涌浪的初步判定，適合對研究對象作定性分析和評價(jià)，是目前工程技術(shù)人員的首選。雖然一些學(xué)者和研究人員通過各種方式推導(dǎo)了滑坡涌浪的推算公式，但由于算法的局限性以及計(jì)算過程的種種假定，使公式的認(rèn)可度和適用范圍有限，不能得到推廣應(yīng)用。在工程界認(rèn)可度高、技術(shù)人員經(jīng)常選用的仍然是文中推薦的幾個(gè)常用公式。在這幾個(gè)公式中，究竟哪個(gè)計(jì)算精度更高，對于特定的壩型及庫區(qū)特征，哪一種更加適合，需要做進(jìn)一步的研究。

綜上所述，潘家錚方法在此種壩型和庫區(qū)地質(zhì)條件的適用性較好。

6 結(jié)論

庫岸滑坡是水庫蓄水期間存在的較為普遍的地質(zhì)災(zāi)害，國內(nèi)很多水庫都存在不同類型的庫岸滑坡現(xiàn)象。其中，研究滑坡引起的涌浪的危害性，最重要的是分析滑坡造成的涌浪到達(dá)大壩處的浪高。本文基于《水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊》中的公式對計(jì)算過程進(jìn)行了修正及調(diào)整。第一，進(jìn)行滑速計(jì)算時(shí)，將美國土木工程學(xué)會(huì)推薦方法中的滑速轉(zhuǎn)換為水平滑速代入潘家錚方法公式進(jìn)行計(jì)算;第二，計(jì)算級數(shù)n的取值時(shí)，對于時(shí)間T采用美國土木工程學(xué)會(huì)推薦方法計(jì)算，然后代入潘家錚方法公式。本次計(jì)算方法明確了各個(gè)參數(shù)的選擇問題，為以后水庫工程滑坡涌浪計(jì)算提供了參考。

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