三峽庫(kù)區(qū)滑坡涌浪傳播與爬高研究

李世貴

湖北省鄂西地質(zhì)工程勘察院，湖北 宜昌 443000

隨著三峽大壩的建成，庫(kù)區(qū)蓄水周期性漲落，庫(kù)岸涉水區(qū)滑坡活動(dòng)性明顯加劇，大型滑坡體高速?zèng)_入庫(kù)區(qū)所產(chǎn)生的涌浪不但毀壞過(guò)往船只，也對(duì)兩岸房屋和居民的生命安全造成了嚴(yán)重威脅。例如，湖北千將坪滑坡涌浪高達(dá)39m，造成14人死亡，多人失蹤，上千人無(wú)家可歸[1]；重慶龔家方崩塌最大涌浪高達(dá)31.8m，對(duì)停泊在河面的船只造成了嚴(yán)重毀壞，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重；重慶紅巖子滑坡激起巨大涌浪，造成1人死亡，多人受傷，20余艘船只翻沉[2]。因此，研究滑坡在可能失穩(wěn)情況下激起涌浪的沿程傳播與爬高具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。目前，滑坡涌浪傳播與爬高的研究方法較多，徐文杰[3]采用離散元法和光滑粒子流耦合法分析了滑坡涌浪動(dòng)力學(xué)過(guò)程，與已有成果吻合較好；霍志濤等[4]和趙樹正等[5]運(yùn)用數(shù)值模擬的方法分別對(duì)滑坡涌浪風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，較好地劃分了涌浪災(zāi)害影響范圍和危險(xiǎn)預(yù)警區(qū)；岳霞等[6]根據(jù)流動(dòng)性滑坡涌浪動(dòng)力學(xué)模型模擬了涌浪的產(chǎn)生、傳播與爬坡過(guò)程，與野外觀測(cè)結(jié)果基本一致。上述涌浪研究方法雖各有其優(yōu)點(diǎn)，但也有一定的局限性，如建模難度大，耗費(fèi)時(shí)間和資金成本較多，實(shí)際應(yīng)用具有一定的難度。

文章綜合已有的研究成果，遵循簡(jiǎn)單適用、經(jīng)濟(jì)合理和高效省時(shí)的原則，以三峽庫(kù)區(qū)某大型土質(zhì)滑坡為例，選取適合三峽庫(kù)區(qū)的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)滑坡的涌浪沿程傳播以及爬高作出了預(yù)測(cè)和分析，以期更好地預(yù)防和制訂涌浪避險(xiǎn)措施。

1 滑坡概況

三峽庫(kù)區(qū)某大型土質(zhì)滑坡平面形態(tài)呈兩脊相夾的不規(guī)則“圈椅”狀，后緣高程約為290m，前緣高程約為120m，沒入長(zhǎng)江?；麻L(zhǎng)約500m，寬約430m，滑體平均厚度約25m，總體積約640萬(wàn)m3，屬深層特大型土質(zhì)滑坡。工程地質(zhì)平面圖如圖1所示。

圖1 工程地質(zhì)平面圖

滑坡滑體主要成分為粉質(zhì)黏土及碎塊石土，粉質(zhì)黏土粒徑一般為3～5cm，土石比為7∶3～8∶2；碎塊石最大塊徑為6m，一般為10～20cm，土石比一般為3∶7～8∶2，厚度為5～36m?；瑤б院槭昂堑[粉質(zhì)黏土為主，土石比為9∶1～7∶3，碎石、角礫最大粒徑一般為1～2cm?；不鶐r為侏羅系下統(tǒng)香溪組（J1x）粉砂巖，巖層產(chǎn)狀為15°∠36°，順坡向。工程地質(zhì)主剖面圖如圖2所示。

圖2 工程地質(zhì)主剖面圖

2 滑坡涌浪分析

2.1 滑速計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果

文章主要采用3種方法計(jì)算滑速，即潘家錚[7]提出的滑速估算法（潘家錚法），基于重心質(zhì)點(diǎn)的能量法（能量法），美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)推薦的方法（美協(xié)法）[8]。

（1）采用潘家錚法估算滑坡滑速，公式如下：

水平速度公式如下：

式中：Vxi為第i塊土條的水平速度；Vxi+1為第i+1塊土條的水平速度；△L為條塊寬度；αxi為第i塊土體的水平加速度。

滑時(shí)公式如下：

式中：ti為第i個(gè)條塊沖入水中時(shí)已經(jīng)歷的時(shí)間；ti+1為第i+1個(gè)條塊沖入水中時(shí)已經(jīng)歷的時(shí)間。

滑面的黏聚力可取飽和殘余剪強(qiáng)度值c=11kPa；滑坡處于長(zhǎng)期滲流狀態(tài)，坡體的自重固結(jié)早已完成，滑動(dòng)前的摩擦因數(shù)可采用慢剪試驗(yàn)值；滑坡的發(fā)生通常比較突然，在其滑動(dòng)過(guò)程中必定會(huì)產(chǎn)生孔隙水壓力，保守估計(jì)采用飽和固結(jié)快剪試驗(yàn)值。

根據(jù)式（1）～式（4）可得，175m水位時(shí)，滑時(shí)為42.5s，滑距為120m，滑速為6.1m/s；145m水位時(shí)，滑時(shí)為31.8s，滑距為180m，滑速為12.9m/s。

（2）采用能量法估算滑坡滑速，公式如下：

式中：g為重力加速度；△Z為滑坡體重心變化高度；α為傾角；f為動(dòng)摩擦因數(shù)。

以滑坡主剖面作為計(jì)算剖面，經(jīng)計(jì)算，未滑動(dòng)時(shí)，滑體重心高程為180m。傾角α取26°，V=6450000m3，a=-0.15666，b=0.62419。175m水位時(shí)，△Z=5m，計(jì)算得滑速為5.07m/s；145m水位時(shí)，△Z=35m，計(jì)算得滑速為13.4m/s。

（3）采用美協(xié)法估算滑坡滑速，公式如下：

式中：α為傾角；W為滑坡體單寬重量；c為滑面黏聚力；H為滑坡體重心與庫(kù)水表面的垂直距離；l為滑塊滑面長(zhǎng)度。

選取滑坡主剖面作為計(jì)算剖面，根據(jù)上文，取f=0.36，傾角α=26°，c=11kPa，W=206932kN。175m水位時(shí)，l=11.4m，H=5m，計(jì)算得滑速為5.05m/s；145m水位時(shí)，l=79.8m，H=35m，計(jì)算得滑速為13.15m/s。

綜合以上3種方法，按最不利工況考慮，175m水位時(shí)，最大滑速Vmax=6.1m/s；145m水位時(shí)，最大滑速Vmax=13.4m/s。

2.2 最大首浪計(jì)算

采用滑坡最大首浪計(jì)算公式[9]：

式中：Hmax為最大首浪高度；l、w、t分別為滑坡的長(zhǎng)、寬、厚；v為滑坡入水速度；h為滑動(dòng)時(shí)的最大水深；α為滑動(dòng)面傾角；b為滑動(dòng)時(shí)的河面寬。

根據(jù)式（8），在175m水位時(shí)，滑坡的入水長(zhǎng)度l約為120m，入水寬度w約為430m，厚度t約為25m，此時(shí)最大水深為110m，滑速為6.1m/s，滑動(dòng)面傾角為26°，滑坡入水?dāng)嗝嫣幍暮拥缹捈s為800m；庫(kù)水位在145m時(shí)，滑坡的入水長(zhǎng)度l約為180m，入水寬度w約為410m，入水厚度t約為25m，此時(shí)最大水深為80m，滑速為13.4m/s，滑動(dòng)面傾角為26°，滑動(dòng)時(shí)的河面寬約500m。

將以上數(shù)據(jù)代入式（8）計(jì)算得，庫(kù)水位在175m時(shí)的最大首浪高度為7.4m，庫(kù)水位在145m時(shí)最大首浪高度為20m。

2.3 沿程傳播涌浪計(jì)算

采用沿程傳播涌浪計(jì)算公式[9]：

式中：Hr為河道沿程某處傳播浪高度；Hmax為滑坡最大首浪高度；x為沿程某處至滑坡點(diǎn)的距離；h為滑坡滑動(dòng)時(shí)的最大水深。

根據(jù)式（9）計(jì)算得出滑坡涌浪沿程高度，如表1和圖3所示。

表1 涌浪傳至任意點(diǎn)的浪高計(jì)算成果 單位：m

從表1和圖3可以看出，175m水位和145m水位時(shí)滑坡涌浪沿程傳播高度總體呈負(fù)指數(shù)下降，衰減由快到慢；涌浪在距首浪約2km范圍內(nèi)衰減較快，2種工況下2km處的涌浪高度分別為首浪的33.7%和29.0%，其后衰減逐漸趨于平緩。

圖3 涌浪高度與至滑坡點(diǎn)距離的關(guān)系曲線

當(dāng)涌浪高度＞2m時(shí)，將對(duì)船只安全造成嚴(yán)重威脅。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，一旦滑坡失穩(wěn)，175m水位時(shí)，將對(duì)滑坡點(diǎn)上下游共6km航道內(nèi)的船只及船員生命安全造成威脅；145m水位時(shí)，將對(duì)滑坡點(diǎn)上下游共24km航道內(nèi)的船只及船員生命安全造成威脅。

2.4 涌浪爬高

汪洋等[10]認(rèn)為涌浪爬坡高度與兩岸斜坡坡度和爬坡方位角有關(guān)，三者間的關(guān)系可以表示如下：

式中：△h為涌浪爬坡高度（不包括涌浪高度）；h為傳播至對(duì)岸的涌浪高度；α為對(duì)岸斜坡傾角；β為爬坡方位角。

將表1的沿程涌浪傳播高度和表2的地形坡度以及對(duì)應(yīng)的爬坡方位角代入式（10），計(jì)算涌浪沿程爬坡高度，結(jié)果如表2和圖4所示。

表2 涌浪沿程爬坡高度

圖4 滑坡涌浪沿程爬坡高度曲線

從表2和圖4可以看出，175m水位和145m水位時(shí)滑坡涌浪傳播至對(duì)岸的爬坡高度均高于首浪高度，岸坡坡度越陡，涌浪爬坡高度增量越大；2種工況下沿程爬坡高度總體呈負(fù)指數(shù)下降，衰減由快到慢，之后趨于平緩；坡度越陡，衰減越快[11]。

145m水位時(shí)，涌浪爬高最大為21.3m，尚處于175m水位以下，該淹沒線范圍內(nèi)無(wú)房屋和居民，故涌浪對(duì)沿岸居民無(wú)威脅。175m水位時(shí)，滑坡正對(duì)岸產(chǎn)生的涌浪爬高達(dá)9.1m，14km處涌浪爬高為1.4m，涌浪將對(duì)淹沒線范圍內(nèi)兩岸的房屋和居民造成直接沖擊威脅[12]。

3 結(jié)論

（1）文章采用潘家錚法、能量法和美協(xié)法對(duì)滑坡最大入水滑速進(jìn)行了定量估算，綜合得出175m水位和145m水位時(shí)滑坡最大入水滑速分別為6.1m/s、13.4m/s。（2）根據(jù)滑坡最大首浪計(jì)算公式得出，庫(kù)水位在175m和145m時(shí)，滑坡產(chǎn)生的最大首浪分別為7.4m、20m。（3）滑坡涌浪在距滑坡上下游各2km范圍內(nèi)衰減較快，175m水位和145m水位時(shí)涌浪高度分別為首浪的33.7%和29%，其后衰減逐漸趨于平緩。上述2種工況下，將分別對(duì)滑坡點(diǎn)上下游共6km和24km航道內(nèi)的船只及船員生命安全造成威脅。（4）175m水位和145m水位時(shí)滑坡涌浪傳播至對(duì)岸的爬高均高于首浪高度，坡度越陡，爬坡高度增量越大。145m水位時(shí)，涌浪對(duì)沿岸房屋和居民無(wú)威脅；175m水位時(shí)，滑坡涌浪將對(duì)淹沒線范圍內(nèi)兩岸的房屋和居民造成直接沖擊威脅。

（5）文章滑坡涌浪沿程傳播與爬高計(jì)算分析思路可以應(yīng)用到類似滑坡工程中，對(duì)預(yù)防和制訂涌浪避險(xiǎn)措施具有一定的指導(dǎo)意義。