一種滑坡模擬控制系統(tǒng)技術(shù)和應(yīng)用

黃智敏，付 波，鐘勇明，陳卓英

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635)

1 概述

水庫(kù)庫(kù)岸巖體若存在著斷層、裂隙、風(fēng)化以及軟弱夾層等惡劣地形和地質(zhì)條件下，工程建設(shè)后水庫(kù)蓄水位變化及出現(xiàn)降雨、地震等情況時(shí)，不穩(wěn)定的巖體極易崩塌、下滑進(jìn)入庫(kù)區(qū)內(nèi)，在庫(kù)區(qū)內(nèi)激起巨大的涌浪，給庫(kù)區(qū)兩岸坡、下游擋水大壩產(chǎn)生巨大的水浪和動(dòng)水壓力，危及庫(kù)區(qū)岸坡和大壩的安全；同時(shí)，涌浪會(huì)翻越擋水大壩，給大壩下游建筑物及城鎮(zhèn)居民造成嚴(yán)重的危害。

據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，國(guó)內(nèi)外部分水庫(kù)庫(kù)區(qū)曾發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的滑坡事件，造成較大的災(zāi)害。我國(guó)的柘溪水電站、三峽庫(kù)區(qū)等曾發(fā)生滑坡崩塌事件，造成了不同程度的事故和災(zāi)害。我國(guó)的部分水電站(如烏江渡水電站、三峽水電站等)庫(kù)區(qū)的庫(kù)岸存在著不穩(wěn)定的巖體，有可能形成滑坡崩塌，因此，在工程建設(shè)的前期，開(kāi)展了相關(guān)的滑坡涌浪模型試驗(yàn)研究，并對(duì)不穩(wěn)定的巖體進(jìn)行處理[1]。

因此，根據(jù)具體工程存在的滑坡體情況，開(kāi)展相關(guān)庫(kù)區(qū)庫(kù)岸滑坡涌浪影響水力模型試驗(yàn)研究是十分必要的。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的滑坡體滑坡模擬試驗(yàn)方法總結(jié)的基礎(chǔ)上，介紹一種“滑坡模擬控制系統(tǒng)”的技術(shù)及其應(yīng)用，供類似工程滑坡體滑坡涌浪水力模型試驗(yàn)研究參考。

2 國(guó)內(nèi)滑坡模擬試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介

據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)的介紹，國(guó)內(nèi)已開(kāi)展的有關(guān)工程庫(kù)區(qū)或河道岸坡滑坡體滑坡涌浪模擬試驗(yàn)主要有：

1)碧口水電站青崖嶺滑坡體滑坡模型試驗(yàn)[1]，其滑坡體的滑動(dòng)面采用水泥砂漿制作，將裝載滑坡體材料(砂卵石)的滑車從滑動(dòng)面下滑；在滑坡面上安設(shè)電接觸點(diǎn)、示波儀等，測(cè)量和記錄滑坡體的下滑速度。

2)黃河小浪底水庫(kù)的一、二號(hào)壩址滑坡體模擬：在滑坡面上鋪設(shè)由白鐵皮鑲嵌玻璃球的活動(dòng)板(玻璃球直徑d=2.5 cm、間距5 cm)模擬滑動(dòng)面；同時(shí)，在該活動(dòng)板上鋪設(shè)1塊白鐵皮為滑坡體的底面，其上放置滑坡體的模擬材料。大、小西溝滑坡體模擬：在滑動(dòng)面上鋪設(shè)鋼軌，鋼軌上安放滾珠軸承小車，小車上放置滑坡體材料，來(lái)模擬滑坡體下滑情況?；麦w滑速測(cè)量采用光電管訊號(hào)裝置，以示波器記錄訊號(hào)，再換算出沿程滑速[2]。

3)河海大學(xué)水利水電科學(xué)研究所的滑坡體滑坡模型試驗(yàn)[3]。將滑坡體設(shè)計(jì)為兩個(gè)半箱組合體，同時(shí)將滑坡面設(shè)計(jì)為可在π/6～π/2調(diào)整的活動(dòng)板，以模擬不同的滑速；并在滑坡面的滑道上裝有行程開(kāi)關(guān)，以量測(cè)滑坡體的下滑速度。

經(jīng)分析，上述的滑坡體滑坡模擬方法是將滑坡體放置在庫(kù)水位以上一定的高度，通過(guò)滑坡體自重下滑加速，進(jìn)入庫(kù)水面以下水體內(nèi)，從而產(chǎn)生滑坡涌浪。這些方法模擬水庫(kù)水面之上的滑坡體下滑，其試驗(yàn)成果精度較高；而模擬水庫(kù)水面之下的滑坡體下滑，則會(huì)產(chǎn)生一定的偏差。

3 “滑坡模擬控制系統(tǒng)”技術(shù)簡(jiǎn)介

3.1 “滑坡模擬控制系統(tǒng)”的構(gòu)成

1)本文研制的一種滑坡體滑坡模擬控制系統(tǒng)見(jiàn)圖1所示，主要由計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)、空氣壓縮機(jī)、機(jī)械推動(dòng)裝置等組成。

圖1 “滑坡模擬控制系統(tǒng)”示意

該控制系統(tǒng)各部分的主要構(gòu)成和作用為：

① 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)包括控制單元、測(cè)量單元和計(jì)算機(jī)等。該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)設(shè)定滑坡體滑坡的工作參數(shù)，并經(jīng)控制單元控制空氣壓縮機(jī)的加壓壓力值；該壓力值經(jīng)測(cè)量單元反饋到計(jì)算機(jī)內(nèi)之后，再由計(jì)算機(jī)通過(guò)控制單元開(kāi)啟機(jī)械推動(dòng)裝置的換向控制閥對(duì)空氣壓縮機(jī)的壓縮氣體進(jìn)行導(dǎo)向，使氣缸的推桿啟動(dòng)，推動(dòng)滑坡體下滑運(yùn)動(dòng)。

② 空氣壓縮機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源，是將電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為空氣壓力能的裝置，空氣壓縮機(jī)上設(shè)置有壓力傳感器和加壓控制等。

③ 機(jī)械推動(dòng)裝置包括有氣缸、推桿(以及與推桿連接的推板)、傾斜度調(diào)整裝置、推桿支撐裝置和底座等。機(jī)械推動(dòng)裝置的換向控制閥通過(guò)氣管連接空氣壓縮機(jī)，換向控制閥對(duì)壓縮氣體進(jìn)行導(dǎo)向，決定氣缸中推桿的啟動(dòng)、停止和運(yùn)行方向；機(jī)械推動(dòng)裝置推桿行程的兩端各安裝一個(gè)接近開(kāi)關(guān)，作為控制推桿行程的行程開(kāi)關(guān)，同時(shí)兼作推桿啟動(dòng)和停止的信號(hào)輸出開(kāi)關(guān)，以計(jì)算推桿完成整個(gè)行程所需的時(shí)間及推桿運(yùn)行的速度；兩接近開(kāi)關(guān)的信號(hào)輸出端均用信號(hào)電纜連接至測(cè)量單元。

2)“滑坡模擬控制系統(tǒng)”的工作原理為：在給定的庫(kù)區(qū)或河道岸坡滑坡體的方量、滑動(dòng)面坡度、滑動(dòng)面摩擦系數(shù)、下滑速度等參數(shù)條件下，經(jīng)率定之后，將滿足上述滑動(dòng)過(guò)程的參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)內(nèi)，由控制單元將計(jì)算機(jī)工作參數(shù)轉(zhuǎn)為信號(hào)輸入到空氣壓縮機(jī)的加壓控制端，確定空氣壓縮機(jī)加壓的壓力；空氣壓縮機(jī)的壓力傳感器將壓力信號(hào)傳送到測(cè)量單元，進(jìn)一步反饋到計(jì)算機(jī)，若空氣壓縮機(jī)加壓壓力與計(jì)算機(jī)設(shè)定的壓力值一致，則計(jì)算機(jī)通過(guò)控制單元開(kāi)啟換向控制閥對(duì)空氣壓縮機(jī)的壓縮氣體進(jìn)行導(dǎo)向，使氣缸中推桿啟動(dòng)，推動(dòng)滑坡體下滑。

因此，本模擬控制系統(tǒng)操作方便和簡(jiǎn)單，既能產(chǎn)生較大的推力和較高的滑動(dòng)速度，同時(shí)成本又相對(duì)低廉。

3.2 “滑坡模擬控制系統(tǒng)”的工作參數(shù)

本“滑坡模擬控制系統(tǒng)” 的工作參數(shù)為：

① 推桿的最大推動(dòng)力P=24.5 kN；

② 滑坡體的滑動(dòng)速度根據(jù)試驗(yàn)需要可調(diào)，最大滑動(dòng)速度u=2 m/s；

③ 可根據(jù)滑坡的坡度調(diào)整推動(dòng)的角度，系統(tǒng)的角度調(diào)整范圍為0～35°；

④ 推動(dòng)的行程根據(jù)試驗(yàn)需要可調(diào)，推桿最大行程為1.6 m；

⑤ 模擬試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)(如滑坡體重量、速度、行程、坡度等)，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄并顯示。

4 滑坡體滑坡試驗(yàn)及分析

為了分析對(duì)比“滑坡模擬控制系統(tǒng)”和傳統(tǒng)滑車的兩種不同滑坡體下滑模擬方法的試驗(yàn)效果，本文采用這兩種滑坡模擬方法，對(duì)廣東省樂(lè)昌峽水電站庫(kù)區(qū)松山子滑坡體的滑坡涌浪影響試驗(yàn)成果進(jìn)行分析。

4.1 松山子滑坡體特點(diǎn)

樂(lè)昌峽水電站庫(kù)區(qū)位于峽谷河段，庫(kù)區(qū)水面狹窄，壩址至松山子滑坡體區(qū)域河床高程約92.0～100.0 m，正常蓄水位(154.5 m)的庫(kù)區(qū)水面寬約為120～400 m。庫(kù)區(qū)兩岸山體坡度約為40°～60°，山頂高程為300.0～900.0 m；兩岸坡溝谷較發(fā)育，巖體破碎、劈理發(fā)育，普遍分布著變形邊坡和崩塌體，穩(wěn)定性較差。

松山子滑坡體位于壩址上游右岸約2.6 km處，分布高程為100.0～245.0 m，總方量約為95.3×104m3?；麦w平面近似為長(zhǎng)條錐形，其投影總長(zhǎng)約為 250 m、平均寬約為120 m，滑移面坡角約為20°，主要由全風(fēng)化絹云母石英砂巖、板巖等組成，厚度約為30～40 m(見(jiàn)圖2～3)。

圖2 樂(lè)昌峽庫(kù)區(qū)松山子滑坡體位置示意

圖3 松山子滑坡體剖面示意

4.2 水力模型試驗(yàn)簡(jiǎn)介

松山子滑坡涌浪水力模型為幾何比尺1：150的正態(tài)模型。模型范圍為壩址上游6 km的庫(kù)區(qū)。模型試驗(yàn)的滑坡量根據(jù)實(shí)際的滑坡量，由模型比尺換算進(jìn)行模擬；模擬材料采用邊長(zhǎng)為5 cm和10 cm的砼正方體[4]。

4.3 “滑坡模擬控制系統(tǒng)”試驗(yàn)成果

松山子滑坡體底部高程約98.0 m，在水庫(kù)正常蓄水位154.5 m條件下，滑坡體下部淹沒(méi)在庫(kù)水位之下。本文采用“滑坡模擬控制系統(tǒng)”來(lái)模擬松山子滑坡體下滑速度和過(guò)程，不同下滑速度u產(chǎn)生的庫(kù)區(qū)涌浪、滑坡區(qū)域?qū)Π渡狡掠坷伺栏?、擋水大壩上游壩面承受的涌浪?dòng)水壓強(qiáng)等試驗(yàn)成果可見(jiàn)文獻(xiàn)[4]～[5]。

試驗(yàn)表明[4-5]，滑坡體以不同下滑速度u滑動(dòng)時(shí)，塌落的山體在入水庫(kù)區(qū)激起巨大的涌浪，沖擊對(duì)岸山坡，并向庫(kù)區(qū)上、下游河道快速傳播，其特點(diǎn)為：

1)滑坡入水庫(kù)區(qū)激起的涌浪為庫(kù)區(qū)涌浪峰值，涌浪迅速?zèng)_擊對(duì)岸山坡，山坡面產(chǎn)生明顯的涌浪爬高，其涌浪爬高為庫(kù)區(qū)岸坡涌浪爬高的最大值。

2)滑坡入水庫(kù)區(qū)的涌浪快速地向庫(kù)區(qū)上、下游河道傳播；涌浪傳播過(guò)程中呈衰減狀，約在歷時(shí)8 min之內(nèi)，庫(kù)區(qū)涌浪的水位壅高值ΔZ<1.5 m(ΔZ為庫(kù)區(qū)測(cè)點(diǎn)涌浪水位與滑坡前庫(kù)水位的差值)。

3)庫(kù)區(qū)涌浪傳播受下游擋水大壩阻擋之后，大壩上游壩面水位竄升壅高，產(chǎn)生附加的涌浪動(dòng)水壓強(qiáng)。

在庫(kù)水位154.5 m、滑坡速度7.0 m/s下滑時(shí)，測(cè)試的滑坡區(qū)域?qū)Π渡狡掠坷伺栏吒叱蘘0為159.5 m、涌浪相對(duì)爬高高度ζ0為5 m，其下游擋水大壩上游壩面涌浪高程Zb為157.1 m、涌浪相對(duì)爬高高度ζb為2.6 m(見(jiàn)表1)[4]。

表1 不同模擬方法的滑坡區(qū)域?qū)Π渡狡潞蜕嫌螇蚊嬗坷伺栏弑容^ m

4.4 滑車滑動(dòng)模擬方法試驗(yàn)成果

4.4.1試驗(yàn)方法

參考國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的滑坡體滑坡模擬方法，滑坡體的滑動(dòng)面用水泥砂漿抹成，將滑坡體材料(砼塊)放在滑車上，由光電測(cè)速儀量測(cè)滑坡體通過(guò)給定滑距的時(shí)間，計(jì)算出相應(yīng)的下滑速度u。

4.4.2試驗(yàn)成果

在庫(kù)水位154.5 m、滑坡速度7.0 m/s下滑時(shí)，滑車入水瞬間濺起的水花比“滑坡模擬控制系統(tǒng)”模擬滑坡體下滑入水的水花要大一些；滑車進(jìn)入庫(kù)區(qū)水體后，滑車上的滑坡體相對(duì)較不易松散。

測(cè)試的滑坡區(qū)域?qū)Π渡狡掠坷伺栏吒叱蘘0為160.2 m、涌浪相對(duì)爬高高度ζ0為5.7 m，其下游擋水大壩上游壩面涌浪高程Zb為157.5 m、涌浪相對(duì)爬高高度ζb為3.0 m(見(jiàn)表1)。庫(kù)區(qū)和擋水大壩上游壩面的涌浪爬高高程、涌浪相對(duì)爬高高度比“滑坡模擬控制系統(tǒng)”的試驗(yàn)值略大一些，相對(duì)差值在允許的范圍內(nèi)。

4.5 兩種模擬試驗(yàn)方法的比較

1)根據(jù)“滑坡模擬控制系統(tǒng)”和“滑車滑動(dòng)”的模擬方法及原理，這兩種模擬方法的下滑速度u均為滑坡體下滑的平均速度，可用于模擬和分析水庫(kù)庫(kù)區(qū)、河道岸坡滑坡體滑坡涌浪的影響。

2)“滑坡模擬控制系統(tǒng)”可較準(zhǔn)確模擬庫(kù)區(qū)和河道岸坡水面上、下的滑坡體下滑速度及滑坡過(guò)程，且模擬的滑坡體方量較大、操作較簡(jiǎn)單和方便。

3)“滑車滑動(dòng)” 模擬方法對(duì)位于庫(kù)區(qū)和河道岸坡水面之上的滑坡體下滑過(guò)程有較好的相似性，但對(duì)水面之下的滑坡體下滑過(guò)程模擬有一定的誤差，存在著滑坡體入水瞬間濺起的水花較大、滑坡體較不易松散的現(xiàn)象，且下滑速度較不易控制等。

因此，可根據(jù)實(shí)際工程庫(kù)區(qū)和河道岸坡滑坡體的分布、方量等，采用合適的滑坡體下滑速度和滑坡過(guò)程的模擬方法。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)對(duì)庫(kù)區(qū)和河道岸坡的不穩(wěn)定滑坡體開(kāi)展相應(yīng)的滑坡涌浪水力模型試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)對(duì)滑坡體的分布、方量和可能的下滑速度等進(jìn)行分析，選擇合適的滑坡體下滑過(guò)程模擬方法。

本文在對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的滑坡體滑坡模擬試驗(yàn)方法總結(jié)的基礎(chǔ)上，介紹一種“滑坡模擬控制系統(tǒng)”的技術(shù)及其應(yīng)用。“滑坡模擬控制系統(tǒng)”已在樂(lè)昌峽水電站庫(kù)區(qū)松山子等滑坡體的滑坡水力模型試驗(yàn)研究中得到了應(yīng)用，效果良好?！盎履M控制系統(tǒng)”可供類似工程滑坡體滑坡涌浪影響水力模型試驗(yàn)研究參考。