地震與滑坡碎屑流引發(fā)堰塞湖涌浪動(dòng)水壓力研究

趙海鑫 ，姚令侃 ,2,3，黃藝丹 ,4，蘇 玥

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031；3.西南交通大學(xué)陸地交通地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；4.中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041）

地震作用可以引起水體涌浪，同時(shí)，地震過(guò)程中往往引發(fā)滑坡碎屑流，這種滑坡的特點(diǎn)是起動(dòng)位置高、入水速度大、運(yùn)動(dòng)距離遠(yuǎn)[1].地震涌浪和滑坡碎屑流涌浪綜合作用極易引發(fā)堰塞湖潰決，嚴(yán)重威脅下游安全[2]：1958年7月8日，在美國(guó)阿拉斯加海岸的立圖雅灣發(fā)生了8.3級(jí)地震并引發(fā)一個(gè)較大的地震滑坡，滑坡入水后產(chǎn)生了524 m高的涌浪并削平山上植被[3]；2008年汶川大地震發(fā)生后約半分鐘在紫坪鋪水庫(kù)發(fā)生了大規(guī)?；滤樾剂鳎麦w沖進(jìn)水庫(kù)產(chǎn)生了大約25 m高的巨大涌浪[2].

涌浪引起的動(dòng)水壓強(qiáng)烈地影響了堰塞湖的穩(wěn)定性.一般的重力混凝土壩可能因周期性壓力載荷而遭受疲勞失效[4-6]，而大多數(shù)天然堰塞湖由松散的、分類不良的巖石碎片或高度不均勻的混合顆粒組成，如滑坡堵江形成的堰塞壩、冰川或冰磧堰塞壩等[7].天然形成的堰塞壩可以在壓力載荷作用下引起壩體的孔隙水壓力或應(yīng)力結(jié)構(gòu)的變化，因而天然堰塞湖更容易在涌浪動(dòng)水壓作用下潰決[8].

一直以來(lái)，人們將地震涌浪和滑坡碎屑流涌浪分開研究，但二者的結(jié)合尚未有人系統(tǒng)分析.對(duì)于地震涌浪動(dòng)水壓力，Westergaard[9]首先假設(shè)剛性豎直壩面做水平簡(jiǎn)諧波運(yùn)動(dòng)，將水體假設(shè)為分層不可壓縮冰塊，進(jìn)而提出了地震動(dòng)水壓力的理論計(jì)算公式；Chwang等[10-11]后來(lái)采用了動(dòng)量守恒和二維勢(shì)流理論，提出了不可壓縮水體在不同傾角壩面的動(dòng)水壓力分布規(guī)律；Saleh等[6]利用離心機(jī)模型研究了不同地震波作用下的不同形狀的壩底的動(dòng)水壓力響應(yīng)特性；Pelecanos等[12]分別采用簡(jiǎn)諧波/隨機(jī)地震荷載，剛性/柔性壩體和垂直/傾斜壩面進(jìn)行了不同組合下的數(shù)值模擬，綜合分析了動(dòng)水壓分布.

對(duì)于滑坡涌浪，大多數(shù)研究都集中在涌浪波高，但是對(duì)滑坡碎屑流入水引起的動(dòng)水壓力的研究較少：黃錦林[13]通過(guò)物理模型提出了涌浪壓力計(jì)算模型，并利用該計(jì)算模型對(duì)大壩在涌浪作用下的安全性進(jìn)行分析評(píng)估；楊艷[14]基于模型試驗(yàn)對(duì)涌浪波壓和上托力進(jìn)行了分析研究，得到了碼頭初始最大波壓以及面板底部初始最大上托力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，并明確了架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)受到的滑坡涌浪作用力大小；Chen等[15]分析了滑坡涌浪對(duì)下游壩體的涌浪波沖擊壓力特性.

地震和滑坡碎屑流共同作用堰塞湖是一種罕見的情況，一旦發(fā)生，二者產(chǎn)生的復(fù)合涌浪嚴(yán)重威脅了堰塞湖的穩(wěn)定性.針對(duì)以往對(duì)地震涌浪和滑坡碎屑流涌浪分開研究的不足，本文利用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了地震與滑坡碎屑流共同作用下的堰塞湖涌浪動(dòng)水壓力的變化.首先進(jìn)行了獨(dú)立的地震涌浪動(dòng)水壓力試驗(yàn)和滑坡碎屑流涌浪動(dòng)水壓力試驗(yàn)，作為參照試驗(yàn)；然后，改變了初始水深、峰值地面加速度、滑坡沖擊速度和滑坡體積4個(gè)影響動(dòng)水壓力的主要參數(shù)，進(jìn)行了地震與滑坡碎屑流綜合作用的動(dòng)水壓力試驗(yàn)；最后通過(guò)引入滑坡涌浪的折減系數(shù)，提出一種地震和同地震滑坡碎屑流共同作用下水體涌浪的最大動(dòng)水壓力大小及分布的計(jì)算方法.

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)在西南交通大學(xué)高速鐵路工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，圖1為水箱試驗(yàn)裝置，P1～P5為動(dòng)力壓力探頭.

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental apparatus

試驗(yàn)設(shè)備包括：振動(dòng)臺(tái)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、試驗(yàn)水箱和滑槽.該平臺(tái)最大承重能力為25 × 103kg，尺寸為4 m × 2 m.動(dòng)力系統(tǒng)可以振動(dòng)平臺(tái)和水箱，振動(dòng)頻率范圍為0.4～15.0 Hz，位移范圍為?100～100 mm，加速度范圍為0～1.2g，水箱的三維尺寸為3.76 m × 1.75 m × 1.50 m（長(zhǎng) × 寬 ×高），用于模擬堰塞湖.水箱的邊界具有剛性的反射邊界，水體體積和碎屑質(zhì)量的體積是基于米堆冰湖原型[16]進(jìn)行設(shè)計(jì)，試驗(yàn)原型湖和模型湖對(duì)比見附加材料表S1，考慮弗洛德相似和幾何相似，幾何相似比為1/300.為了監(jiān)測(cè)動(dòng)水壓力的變化，在水箱的一側(cè)從底部到頂部安排了一系列動(dòng)水壓力探頭.希望產(chǎn)生對(duì)稱水波場(chǎng)并使用極坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室中的可用空間.安裝了一個(gè)傾斜滑槽來(lái)模擬滑坡碎屑流運(yùn)動(dòng)溝道，滑槽長(zhǎng)度為4.5 m，傾角為70°，并使用數(shù)碼相機(jī)來(lái)記錄滑坡入水速度和涌浪的運(yùn)動(dòng).滑槽上安裝高位閘門（H1）和低位閘門（H2），用以產(chǎn)生不同的滑坡碎屑流入水速度.本文重點(diǎn)研究了地震與同震滑坡碎屑流綜合作用下復(fù)合涌浪對(duì)邊壁的動(dòng)水壓力，為分析堰塞湖潰決提供了關(guān)鍵的水動(dòng)力參數(shù).

1.2 加載模式和試驗(yàn)方案

首先，進(jìn)行單獨(dú)的地震涌浪和滑坡碎屑流涌浪試驗(yàn)作為對(duì)照試驗(yàn).然后，選取了初始水深h0、地震峰值加速度a、滑坡碎屑流入水速度vs和滑坡碎屑流體積Vs進(jìn)行復(fù)合試驗(yàn).多數(shù)情況下，地震和山體滑坡不會(huì)同時(shí)作用于水體.山體滑坡經(jīng)常發(fā)生在地震后，但兩者共同作用，尤其是同一地震中存在多個(gè)地震峰值段的情況是存在的[2].因此，在試驗(yàn)中選取具有兩個(gè)地震峰值段的汶川波進(jìn)行加載，相關(guān)加載模式的詳細(xì)說(shuō)明見附加材料說(shuō)明1.

表1中展示了123組試驗(yàn)組合，試驗(yàn)可分為3組：A 組，地震涌浪試驗(yàn)（1～15）；B組，滑坡碎屑流涌浪試驗(yàn)（16～33）；C組，復(fù)合涌浪試驗(yàn)（34～123）.A組和B組是對(duì)照組試驗(yàn)，C組試驗(yàn)用于模擬地震和滑坡碎屑流綜合作用引起的涌浪.

表1 123組試驗(yàn)組合Tab.1 Experimental conditions for 123 laboratory tests

2 地震涌浪動(dòng)水壓力分析

基于采用汶川波的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)收集了單一地震作用下的動(dòng)水壓力變化.使用3種不同的水深和5種地震峰值加速度進(jìn)行試驗(yàn)，獲得了15組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，地震涌浪試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析詳見附加材料說(shuō)明2.

單獨(dú)地震動(dòng)水壓力試驗(yàn)結(jié)果定性分析與Westergaard[9]的理論結(jié)果一致.進(jìn)一步，本文將Westergaard[9]的理論公式（式（1））與試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了比較，比較結(jié)果如附加材料圖S4所示.

式中：Pd為地震動(dòng)水壓力的理論計(jì)算結(jié)果；ρw為水密度；kh為地震的水平加速度系數(shù)；y是水庫(kù)底部和頂部之間的垂直距離.

比較結(jié)果表明：采用式（1）的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.93.大多數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論結(jié)果相似，但仍存在一些誤差.主要是因?yàn)閃estergaard[9]的解析解是基于正弦波和半無(wú)限空間計(jì)算的理想情況.當(dāng)使用真實(shí)的地震波時(shí)，峰值加速度更加復(fù)雜，并且場(chǎng)地是封閉的水箱致使它們之間存在偏差，但非常小.因此，地震涌浪動(dòng)水壓力值可以通過(guò)式（1）計(jì)算.

3 滑坡碎屑流涌浪動(dòng)水壓力分析

利用3個(gè)滑坡體積、2個(gè)滑坡碎屑流速度和3個(gè)初始水深的不同組合，獲得了18組滑坡涌浪動(dòng)水壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù).滑坡涌浪動(dòng)水壓力的分析詳見附加材料說(shuō)明3.

試驗(yàn)結(jié)果表明，水體撞擊側(cè)壁時(shí)，最大壓力發(fā)生在靜水表面；向下壓力隨水深減小并且變化范圍逐漸減小，趨于平緩.因此，提出一種基于無(wú)量綱分析的計(jì)算滑坡碎屑流入水涌浪動(dòng)水壓力計(jì)算公式，如式（2）.

式中：Ph為滑坡碎屑流涌動(dòng)的動(dòng)水壓力；b是滑坡寬度.

擬合關(guān)系也可表示為

式（3）的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，如附加材料圖S7所示.結(jié)果表明，滑坡碎屑流涌浪動(dòng)水壓力與初始水深負(fù)相關(guān)，與碎屑流入水速度和碎屑流體積正相關(guān).

4 復(fù)合動(dòng)水壓力試驗(yàn)結(jié)果分析

在對(duì)比試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了C組試驗(yàn)，分析了地震與滑坡泥石流綜合作用下的動(dòng)水壓力分布和計(jì)算.根據(jù)對(duì)照試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定并分析了4個(gè)主要影響參數(shù)，包括初始水深、地震峰值加速度、滑坡碎屑流沖擊速度滑坡體積.

4.1 復(fù)合動(dòng)水壓力變化影響參數(shù)分析

分析了不同初始水深下地震和滑坡碎屑流的組合.圖2為不同地震峰值加速度，不同滑坡碎屑流質(zhì)量和不同入水速度組合條件下水箱底部的復(fù)合涌浪動(dòng)水壓與初始水深之間的關(guān)系.如圖2（a）所示，當(dāng)?shù)卣鹱饔貌幻黠@時(shí)，即當(dāng)?shù)卣鸱逯导铀俣容^?。≒GA=0.1g）時(shí)，復(fù)合涌浪動(dòng)水壓隨著初始水深的增加而減小，這主要是由于二者復(fù)合受滑坡碎屑流的影響顯著.當(dāng)?shù)卣鹱饔妹黠@時(shí)，如圖2（b）所示，即地震的峰值加速度很大（PGA=0.4g），隨著初始水深的增加，復(fù)合涌浪增加，此時(shí)，地震涌浪起主導(dǎo)作用.

圖2 不同初始水深下復(fù)合涌浪動(dòng)水壓力的比較Fig.2 Comparison of composite hydrodynamic pressures at different initial water depths

4.2 復(fù)合涌浪動(dòng)水壓力經(jīng)驗(yàn)公式

為了計(jì)算極端條件下地震和滑坡碎屑流綜合作用水體涌浪的動(dòng)水壓力，將同一位置的單獨(dú)滑坡碎屑流涌浪動(dòng)水壓測(cè)量值、單獨(dú)地震涌浪動(dòng)水壓測(cè)量值Pd和地震與滑坡碎屑流復(fù)合涌浪動(dòng)水壓測(cè)量值進(jìn)行比較.復(fù)合涌浪動(dòng)水壓值Pfh大于單一地震或單一滑坡涌浪動(dòng)水壓值.由于地震涌浪和滑坡涌浪之間的相位差，復(fù)合涌浪的動(dòng)水壓力值很難達(dá)到地震涌浪動(dòng)水壓力值和滑坡涌浪動(dòng)水壓力值Ph的代數(shù)和.復(fù)合動(dòng)水壓力值（90%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)）是單獨(dú)地震動(dòng)水壓與單獨(dú)滑坡碎屑流動(dòng)水壓力的代數(shù)和的 51%～95%.分別比較了（Pfh?Pd）與Ph的相關(guān)性和（Pfh?Ph）與Pd的相關(guān)性，比較結(jié)果如圖3所示.

由圖3 可知：（Pfh?Pd）同Ph的相關(guān)系數(shù)為0.3；（Pfh?Ph）與Pd的相關(guān)系數(shù)為0.8.復(fù)合涌浪變化基本同地震涌浪變化保持一致，而滑坡碎屑流涌浪則發(fā)生較大折減，主要是因?yàn)檠芯康氖沁叡谖恢锰幍膭?dòng)水壓力值，在滑坡碎屑流入水產(chǎn)生涌浪過(guò)程中，由于地震的發(fā)生，從滑坡入水點(diǎn)到邊壁位置傳遞過(guò)程中會(huì)受到水體環(huán)境、滑坡沖擊特性以及水體體積動(dòng)態(tài)變化的影響，那么地震涌浪、滑坡涌浪和復(fù)合涌浪動(dòng)水壓力之間的關(guān)系為

圖3 Pfh、Pd和Ph 之間的關(guān)系Fig.3 Relationship among Pfh，Pd and Ph

式中：k為折減系數(shù).

同時(shí)，基于折減原因，選取了h0、a、vs和Vs作為k的影響參數(shù)，無(wú)量綱化地震峰值加速度為a0=a/g；弗洛德數(shù)為()無(wú)量綱化滑坡體積為V0=Vs/bh02.

同時(shí)，將壩體的相對(duì)位置進(jìn)行無(wú)量綱化，得到無(wú)量綱化壩體位置為y0=y/h0.

基于無(wú)量綱分析，折減系數(shù)與4個(gè)無(wú)量綱參數(shù)之間的關(guān)系為

通過(guò)擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定折減系數(shù)為

將式（6）代入式（4），得到了一種計(jì)算復(fù)合涌浪動(dòng)水壓力最大值的方法，如式（7）.

試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果擬合，擬合結(jié)果如圖4所示.測(cè)得的復(fù)合流體動(dòng)力壓力與計(jì)算值的相關(guān)系數(shù)為0.89.

圖4 使用式（7）計(jì)算值和測(cè)量值之間的比較Fig.4 Comparison between measured value and calculated value used by eq.(7)

5 案例分析

以帕隆藏布流域的米堆冰湖潰決分析為例，進(jìn)一步說(shuō)明式（7）的使用方法.

米堆冰湖位于 N 29°28′，E 96°30′，冰湖面積為0.164 km2，蓄水量約為2.641×106 m3，h0=20 m.1988年7月15日23時(shí)30分，米堆冰湖瞬間潰決，歷時(shí)10 min，最大洪峰流量 1270 m3/s，洪峰歷時(shí)0.5 h[17].由于該冰湖位置人跡罕至，缺乏實(shí)測(cè)資料，擬采用本文分析方法對(duì)造成冰庫(kù)潰決的原因進(jìn)行分析.

該區(qū)域地震峰值加速度為0.15g，冰湖潰決前，有崩塌滑坡等進(jìn)入冰湖，地震作用引起庫(kù)區(qū)產(chǎn)生地震涌浪；同時(shí)，地震作用引發(fā)山頂巖崩產(chǎn)生滑坡碎屑流，擬定其入水寬度為10 m，滑坡入水速度νs=20 m/s.

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，選擇Vs=1×105m3的滑坡碎屑流來(lái)計(jì)算冰湖潰決原因，并用式（7）計(jì)算綜合動(dòng)水壓力載荷，如圖5所示.

圖5 涌浪動(dòng)水壓力Fig.5 Surge hydrodynamic pressure

從圖5中可以看出：動(dòng)水壓力輪廓線可以計(jì)算出復(fù)合涌浪在堰塞壩不同位置處產(chǎn)生的動(dòng)水壓力大小，進(jìn)而使得堰塞壩不同位置產(chǎn)生管涌等，成為引發(fā)該冰湖此次潰決的原因.

6 結(jié) 論

通過(guò)振動(dòng)臺(tái)造浪模型試驗(yàn)分別進(jìn)行了單獨(dú)地震涌浪動(dòng)水壓力試驗(yàn)和單獨(dú)滑坡涌浪動(dòng)水壓力試驗(yàn)以及二者復(fù)合的動(dòng)水壓力試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要結(jié)論如下：

1）地震涌浪動(dòng)水壓力與水深和地震峰值加速度的關(guān)系可用Westergaard公式描述.

2）滑坡碎屑流涌浪動(dòng)水壓力與初始水深負(fù)相關(guān)，與碎屑流入水速度和碎屑流體積正相關(guān)，進(jìn)而建立了計(jì)算滑坡碎屑流作用下的堰塞湖涌浪動(dòng)水壓力統(tǒng)計(jì)公式.

3）綜合作用動(dòng)水壓力小于單獨(dú)地震水壓力和單獨(dú)滑坡碎屑流水壓力二者之和，約為二者和的51%～95%，并提出一種復(fù)合涌浪動(dòng)水壓力計(jì)算公式.

致謝：感謝高海拔大高差艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路綜合勘察與總體設(shè)計(jì)理論及工程應(yīng)用研究（2015G002-N，2015.06—2017.12）、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際伙伴計(jì)劃項(xiàng)目“中尼交通廊道災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)及其應(yīng)對(duì)策略研究”（131551KYSB20180042）、中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)試驗(yàn)室基金（KLMHESP-17-03）、中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司科研項(xiàng)目“喜馬拉雅造山帶跨境鐵路減災(zāi)選線關(guān)鍵問題研究”等對(duì)本文的資助.

備注：附加材料在中國(guó)知網(wǎng)本文的詳情頁(yè)中獲取.