白鶴灘庫(kù)區(qū)王家山滑坡蓄水涌浪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

李大龍， 尉海江， 易小宇， 頓佳偉

(1.浙江華東建設(shè)工程有限公司， 杭州 310014； 2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院， 成都 610059； 3.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))， 成都 610059)

水庫(kù)蓄水通常是誘發(fā)庫(kù)岸滑坡的關(guān)鍵因素，在水庫(kù)蓄水初期，庫(kù)區(qū)可能會(huì)頻繁發(fā)生滑坡和崩塌，從而引發(fā)涌浪[1]。1960年2月，意大利Vajont水庫(kù)開(kāi)始蓄水；1963年10月9日，大壩左岸附近的山坡發(fā)生巨大滑坡，導(dǎo)致超過(guò)20.5×106m3的水漫過(guò)大壩，摧毀了下游的幾個(gè)村鎮(zhèn)，造成1 925人死亡[2]。2003年6月三峽水庫(kù)開(kāi)始蓄水，2003年7月14日，湖北省秭歸縣千將坪發(fā)生山體滑坡，產(chǎn)生涌浪，造成12人死亡[3]。這些世界各地水庫(kù)區(qū)發(fā)生的滑坡災(zāi)害都表明，水庫(kù)滑坡涌浪的研究對(duì)庫(kù)區(qū)安全具有重要意義。在水庫(kù)的前期運(yùn)行階段，就應(yīng)該對(duì)潛在滑坡產(chǎn)生的涌浪進(jìn)行研究[4-6]。

目前，中外對(duì)于滑坡涌浪研究的方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式法、模型試驗(yàn)法和數(shù)值模擬等方法。經(jīng)驗(yàn)公式直接顯示了滑坡涌浪特征參數(shù)與主要影響因素之間的關(guān)系，是滑坡涌浪風(fēng)險(xiǎn)分析中最為常用的方法[7]。模型試驗(yàn)法是水庫(kù)滑坡涌浪特征研究的重要手段，經(jīng)驗(yàn)公式建立大都與室內(nèi)試驗(yàn)有關(guān)，中外都重視滑坡涌浪的實(shí)驗(yàn)研究。黃波林等[8]采用物理模型對(duì)三峽庫(kù)區(qū)龔家方崩滑體的涌浪進(jìn)行了物理原型試驗(yàn)研究，并與基于水波動(dòng)力學(xué)的模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。數(shù)值模擬方法能夠展現(xiàn)滑坡入手全過(guò)程，可以獲取任意點(diǎn)的波高、波長(zhǎng)、波動(dòng)周期等特征，在滑坡涌浪的計(jì)算和預(yù)測(cè)中應(yīng)用廣泛[9]。在數(shù)值模擬中，通常將水庫(kù)滑坡涌浪模型與有限單元法、光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(smoothed particle hydrodynamics，SPH)、流體體積法(volume of fluid，VOF)法等數(shù)值方法結(jié)合進(jìn)行滑坡涌浪分析[10-12]。

白鶴灘水電站是金沙江梯級(jí)電站的重要一環(huán)。白鶴灘水電站計(jì)劃2013年主體工程正式開(kāi)工，2022年工程完工。電站建成后，將僅次于三峽水電站成為中國(guó)第二大水電站。2021年，白鶴灘水電站將進(jìn)行試驗(yàn)性蓄水，水位逐漸上升至正常蓄水位825 m，其后在死水位765 m與正常蓄水位825 m之間變動(dòng)。

王家山滑坡位于白鶴灘庫(kù)區(qū)小江河右岸王家山段，距離象鼻嶺移民安置區(qū)直線距離約1.3 km，現(xiàn)今處于蠕滑變形狀態(tài)。白鶴灘水電站水庫(kù)蓄水后，王家山滑坡四分之一滑體將淹沒(méi)在庫(kù)水中，其穩(wěn)定性備受關(guān)注，失穩(wěn)破壞是否影響臨近移民安置區(qū)需要進(jìn)一步評(píng)價(jià)。基于此，現(xiàn)以王家山滑坡為研究對(duì)象，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行和失穩(wěn)涌浪風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，以期為王家山滑坡的風(fēng)險(xiǎn)管理提供科學(xué)依據(jù)，為其他山區(qū)水庫(kù)滑坡涌浪風(fēng)險(xiǎn)研究提供參考。

1 滑坡基本特征

1.1 形態(tài)邊界特征

如圖1和圖2所示，王家山滑坡位于金沙江支流小江右岸，滑坡體整體坡度25°～35°；在高程870～950 m，發(fā)育平頂小山包及滑坡凹地，地形坡度15°～20°；高程約870 m至前緣小江右岸730 m高程，地形坡度35°～40°，局部45°～50°?；伦髠?cè)兩側(cè)以沖溝為界，流向分別為S62°W和N75°W，在滑坡后緣處交匯，具典型的“雙溝同源”和“圈椅狀”地形特征。滑坡前、后緣高差約450 m，滑坡順坡長(zhǎng)800 m，寬90～500 m，面積約23.5×104m2。根據(jù)鉆孔資料，滑坡堆積體厚14.0～87.6 m，滑坡中部較厚，后緣和前緣較薄，平均厚度約26 m，總體積約611×104m3，為一大型土質(zhì)滑坡。

1.2 物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征

該段岸坡地層巖性復(fù)雜，基巖主要有古生界奧陶系下統(tǒng)紅石崖組(O1h)，中統(tǒng)巧家組(O2q)、大箐組(O2d)；泥盆系中統(tǒng)縮頭山組(D2st)；石炭系下統(tǒng)萬(wàn)壽山組(C1ws)，中統(tǒng)威寧組(C2w)，上統(tǒng)馬寧組(C3m)；二疊系下統(tǒng)梁山組(P1l)、棲霞-茅口組(P1q+m)。覆蓋層主要為新生界第四系滑坡堆積物(Qdel)和沖洪積物(Qapl)。

圖1 王家山滑坡區(qū)域位置圖Fig.1 Location of Wangjiashan landslide

圖2 王家山滑坡工程地質(zhì)平面圖Fig.2 Engineering geological graph of Wangjiashan landslide

圖3 王家山滑坡工程地質(zhì)剖面圖Fig.3 Engineering geological profile of the Wangjiashan landslide

滑坡堆積物(Qdel)上部為碎石混合土，灰、灰黃色，其中塊石粒徑0.2～1.0 m，含量10%～15%，碎石粒徑6～20 cm，含量20%～30%，礫石粒徑一般0.5～6 cm，含量30%～40%，其余為粉土，塊、碎石呈棱角狀，成分為灰?guī)r、白云巖、砂巖等，結(jié)構(gòu)松散-稍密，局部有架空現(xiàn)象，厚14.00～49.90 m。下部為粉土質(zhì)礫，灰黃、深灰、灰黑色，其中碎石粒徑6～8 cm，含量約5%，礫石粒徑0.2～6 cm，含量50%～60%，局部含量較高，其余為粉土，碎、礫石呈棱角狀，成分為白云巖、灰?guī)r及少量砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等，結(jié)構(gòu)中密-密實(shí)，厚3.04～13.30 m。

沖洪積物(Qapl)位于滑坡前緣，主要為含粉土礫，灰黃、灰褐色，其中礫石粒徑0.2～6 cm，含量60%～80%，其余為砂及少量粉土，卵、礫石呈次棱角-次圓狀，成分為千枚巖、白云巖等，結(jié)構(gòu)中密-密實(shí)，厚3.04～13.30 m。

滑帶土為含礫黏土，灰黑、灰褐色，稍濕，硬塑，其中礫石粒徑一般0.2～6 cm，含量20%～30%，局部礫石含量較高，砂粒含量約20%，其余為黏土，礫石呈次棱角狀，表面見(jiàn)擠壓光面，成分為白云巖，呈夾層狀分布于滑坡下部粉土質(zhì)礫內(nèi)，埋深35.64～61.24 m，厚0.61～2.26 m。

1.3 滑坡變形特征

SBAS-InSAR技術(shù)近年被大量應(yīng)用于滑坡的形變分析[13]。利用2017年2月19日至2020年8月26日Sentinel-1A衛(wèi)星降軌SAR數(shù)據(jù)對(duì)王家山滑坡的歷史形變回溯分析，得到其整體形變?nèi)鐖D4所示。圖4表明，王家山滑坡整體處于蠕變狀態(tài)，視向形變速率達(dá)-43～-12 mm/a，其中紅色的強(qiáng)形變區(qū)位于滑坡的中部，形變速率達(dá)-43～-37 mm/a。

實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑坡體中部變形跡象最為明顯，自2016年S303省道擴(kuò)建完成至今，滑坡體中部沿S303省道陸續(xù)發(fā)現(xiàn)12處拉張裂縫(圖2)，2處路面鼓脹變形和1處路面下沉。裂縫張開(kāi)度20～30 cm，路面下沉量40～50 cm?；潞缶壙梢?jiàn)明顯的下錯(cuò)臺(tái)坎，下錯(cuò)垂直距離可達(dá)2 m，坡體上有大量碎石堆積；滑坡前緣局部出現(xiàn)滑塌、崩落等變形破壞，特別是在雨季期間，前緣滑塌破壞尤為明顯。

沿圖4所示剖面方向在強(qiáng)變形區(qū)選取A、B和C三個(gè)特征點(diǎn)，提取相關(guān)歷史形變信息，并與巧家縣氣象局獲取的同期歷史月降雨量數(shù)據(jù)對(duì)比分析。如圖5所示，受降雨影響，雨季(5—8月)滑坡形變速率顯著增加。這表明，降雨是引起王家山滑坡變形主要誘發(fā)因素之一。隨著后期庫(kù)水及降雨共同作用于該滑坡，可能導(dǎo)致滑坡穩(wěn)定性下降，出現(xiàn)加速變形跡象，有發(fā)生整體滑動(dòng)破壞的可能。

圖4 王家山滑坡形變速率圖Fig.4 Deformation rate graph of Wangjiashan landslide

圖5 InSAR時(shí)序變形與降雨響應(yīng)Fig.5 InSAR time-series deformation and rainfall response

2 滑坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)王家山滑坡地形地貌和結(jié)構(gòu)特征，采用簡(jiǎn)化原型的方式建立數(shù)值分析模型，蓄水前地下水位和最高蓄水位時(shí)地下水位分別采用鉆孔實(shí)測(cè)水位和推測(cè)地下水位(圖6)。滑坡穩(wěn)定性分析采用加拿大Rocscience公司開(kāi)發(fā)的Slide軟件[14]。

圖6 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算模型Fig.6 Landslide stability calculation model

2.2 計(jì)算工況和參數(shù)選取

根據(jù)庫(kù)區(qū)實(shí)際環(huán)境條件，計(jì)算主要考慮持久工況、短暫工況和偶遇工況三種工況。持久工況的工況組合主要為天然工況和天然+不同蓄水位(780、785、790、800、825 m)工況；短暫工況的工況組合主要為暴雨工況和暴雨+不同蓄水位(780、785、790、800、825 m)工況；偶遇工況的工況組合主要為地震工況和地震+蓄水(825 m)工況。參考室內(nèi)試驗(yàn)和工程地質(zhì)手冊(cè)結(jié)合滑坡簡(jiǎn)化模型進(jìn)行參數(shù)取值，具體取值如表1所示。

2.3 滑坡穩(wěn)定性分析

計(jì)算分析表明，王家山滑坡在天然工況下整體穩(wěn)定系數(shù)為1.066，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨工況下整體穩(wěn)定系數(shù)為0.965，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，多處出現(xiàn)拉裂縫、鼓脹等變形跡象。白鶴灘庫(kù)區(qū)蓄水后，在庫(kù)水長(zhǎng)期作用下，土體物理力學(xué)參數(shù)將有所降低，滑坡穩(wěn)定性下降。天然+蓄水工況下穩(wěn)定性系數(shù)0.942～1.060，滑坡體隨著庫(kù)水位上升穩(wěn)定性降低，在最高蓄水位時(shí)有沿底滑面發(fā)生整體滑動(dòng)破壞的可能。蓄水期間若遭遇暴雨，其穩(wěn)定性系數(shù)將低于1.00，可能發(fā)生整體滑動(dòng)破壞。在地震工況或者蓄水期發(fā)生地震，其亦會(huì)發(fā)生滑動(dòng)破壞。鑒于王家山滑坡的穩(wěn)定性情況，其失穩(wěn)破壞的涌浪風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)做出進(jìn)一步的評(píng)價(jià)，以保證象鼻嶺移民安置點(diǎn)的安全。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Value of physical and mechanism paramenter of rock and soil mass

表2 不同工況條件下滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)Table 2 Landslide stability states under different conditions

3 滑坡涌浪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3.1 最大滑速估算

涌浪的波及范圍和致災(zāi)程度與滑體失穩(wěn)入水的速度有關(guān)，確定滑體速度是分析涌浪災(zāi)害的前提。目前，常用的滑速計(jì)算方法有潘家錚法[15]、美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)推薦方法[16]和謝得格爾法[17]。

根據(jù)潘家錚法，將滑坡垂直平分成36個(gè)條塊，每個(gè)條塊寬度ΔL=20 m(圖7)。假定孔隙水壓力Ui=0，計(jì)算得出暴雨+蓄水825 m工況下，滑坡整體失穩(wěn)破壞的最大速度為7.44 m/s。

圖7 王家山滑坡滑速計(jì)算示意圖Fig.7 Calculation diagram of sliding speed of Wangjiashan landslide

根據(jù)美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)推薦公式，從圖7量取滑面平均傾角、滑面長(zhǎng)度及滑體重心距水面高度?；w單寬重量采用潘家錚法計(jì)算得出的單寬重量，將所有數(shù)據(jù)代入美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)推薦公式，計(jì)算得出暴雨+蓄水825 m工況下，滑坡整體失穩(wěn)的最大速度15.17 m/s。根據(jù)圖7，量取滑坡水平滑動(dòng)距離L=181 m，帶入謝德格爾法計(jì)算公式，計(jì)算得出暴雨+蓄水825 m工況下，滑坡整體失穩(wěn)的最大速度為16.81 m/s。

3.2 涌浪高度估算

滑坡失穩(wěn)入水速度是涌浪高度最重要的影響因素，此外水深、入水體積、水面寬度和水面面積也影響涌浪高度。涌浪產(chǎn)生后，波的傳播問(wèn)題非常復(fù)雜，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)算方法。選取廣泛使用的潘家錚法和水科院經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)滑坡失穩(wěn)條件下涌浪的高度估算。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]，采用潘家錚法計(jì)算得出王家山滑坡整體失穩(wěn)時(shí)最大入水速度7.44 m/s，在象鼻嶺移民安置區(qū)的涌浪高度為3.23 m。根據(jù)文獻(xiàn)[17]，采用中國(guó)水科院經(jīng)驗(yàn)公式，引用前文潘家錚法、美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)推薦公式和謝德格爾法計(jì)算得出的滑速，計(jì)算王家山滑坡發(fā)生整體失穩(wěn)破壞時(shí)象鼻嶺移民安置點(diǎn)涌浪高度分別為2.09、4.67、6.54 m。

3.3 涌浪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

前述分析表明，王家山滑坡在暴雨+蓄水工況下發(fā)生整體滑動(dòng)破壞的最大入水速度，潘家錚法計(jì)算為7.44 m/s，美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)推薦公式計(jì)算為13.22 m/s，謝德格爾法計(jì)算為16.81 m/s；象鼻嶺移民安置區(qū)的涌浪高度，潘家錚法計(jì)算為3.52 m，水科院經(jīng)驗(yàn)公式法分別為2.09 m(潘家錚法速度)、5.67 m(美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)推薦公式速度)、6.54 m(謝德格爾法速度)。

從滑速計(jì)算成果來(lái)看，潘家錚法、美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)推薦公式和謝哥德?tīng)柗ǜ饔衅溥m應(yīng)的條件，美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)推薦公式只能計(jì)算滑面傾角大于滑帶土內(nèi)摩擦角，且滑面相對(duì)平直的滑坡；謝德格爾法考慮了滑坡的體積效應(yīng)，但也只能計(jì)算滑面傾角較大的滑坡。謝德格爾法根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定計(jì)算參數(shù)，因此計(jì)算結(jié)果可信度相對(duì)較低。潘家錚法考慮的因素較多，不僅能計(jì)算滑面相對(duì)平直的滑坡，也能計(jì)算滑面為曲面的滑坡，相對(duì)更符合實(shí)際。因此總體上來(lái)說(shuō)，潘家錚法適用范圍更廣，計(jì)算結(jié)果更可信。

從涌浪計(jì)算結(jié)果來(lái)看，潘家錚法和水科院經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算得出了涌浪高度相差較大，水科院經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的涌浪高度明顯較小。由于水科院經(jīng)驗(yàn)公式考慮了體積效應(yīng)的影響，而該處不穩(wěn)定體體積較小，故計(jì)算結(jié)果偏小；而潘家錚法考慮因素較多，計(jì)算結(jié)果相對(duì)合理?？刹捎门思义P法計(jì)算的最大入水速度和涌浪高度成果。

象鼻嶺移民安置點(diǎn)場(chǎng)平高程為827 m，僅高出正常蓄水位2 m。當(dāng)水庫(kù)蓄水至785 m滑坡發(fā)生整體失穩(wěn)破壞時(shí)，由于象鼻嶺移民安置點(diǎn)高于水位約40 m，滑坡整體失穩(wěn)破壞產(chǎn)生涌浪對(duì)安置點(diǎn)基本無(wú)影響。在蓄水825 m+暴雨工況下，王家山滑坡整體滑動(dòng)破壞在象鼻嶺移民安置點(diǎn)產(chǎn)生的涌浪高為3.52 m；地震工況下，涌浪高度還會(huì)更高，移民安置點(diǎn)遭受涌浪危害影響問(wèn)題是存在的。從安全角度出發(fā)，建議按潘家錚法的相應(yīng)計(jì)算結(jié)果，對(duì)象鼻嶺移民安置點(diǎn)采取相應(yīng)的防浪措施，或?qū)ν跫疑交逻M(jìn)行工程治理，以消除涌浪風(fēng)險(xiǎn)，保證移民安置點(diǎn)安全。

4 結(jié)論

(1)王家山滑坡地形邊界特征明顯，滑坡堆積體厚14.0～87.6 m，體積約610×104m3，屬厚層大型覆蓋層滑坡。

(2)王家山滑坡前緣有滑塌現(xiàn)象，滑坡體內(nèi)及右側(cè)邊界擋墻處可見(jiàn)鼓脹、傾倒變形現(xiàn)象，路面見(jiàn)拉裂、下沉等變形現(xiàn)象。王家山滑坡天然工況處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨工況處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，蓄水825 m或地震工況以及暴雨+蓄水工況下滑坡體不穩(wěn)定，有發(fā)生整體滑動(dòng)破壞的可能。

(3)當(dāng)水庫(kù)蓄水至785 m時(shí)，王家山滑坡可能會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)破壞；在此水位條件下，由于象鼻嶺移民安置點(diǎn)高于水位約40 m，滑坡整體失穩(wěn)破壞產(chǎn)生涌浪對(duì)移民安置點(diǎn)基本無(wú)影響。在暴雨+蓄水825 m工況下失穩(wěn)破壞，最大入水速度約7.44 m/s，象鼻嶺移民安置點(diǎn)處的涌浪高度約3.52 m；蓄水+地震工況下，移民安置點(diǎn)的涌浪高度還會(huì)更大。

(4)當(dāng)王家山滑坡在825 m水位發(fā)生整體失穩(wěn)破壞時(shí)，象鼻嶺移民安置點(diǎn)遭受涌浪危害影響問(wèn)題是存在的，對(duì)象鼻嶺移民安置點(diǎn)采取相應(yīng)的防浪措施，或?qū)ν跫疑交逻M(jìn)行工程治理，以消除涌浪風(fēng)險(xiǎn)源，保證安置點(diǎn)安全。