水庫滑坡高速入水涌浪壓力規(guī)律的試驗(yàn)研究

閆小龍 申永斌 王 冬

（山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 濟(jì)寧 272100）

滑坡涌浪是水域坡岸滑坡的主要次生災(zāi)害，其造成的災(zāi)害后果在一定程度上會比滑坡更嚴(yán)重[1]?；掠坷说漠a(chǎn)生主要來自于發(fā)生滑坡的固體物質(zhì)入水后產(chǎn)生的波浪荷載和波浪運(yùn)動。其中，波浪荷載是循環(huán)荷載的一種，會極大程度地影響坡岸工程的穩(wěn)定性[2]。

目前。國內(nèi)外已有很多學(xué)者研究了波壓力對海岸工程的影響，并進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)探究不同形態(tài)的波浪對岸防工程的作用規(guī)律。白薇等[3]等探討了涌浪沖擊力對樁柱的影響，并推導(dǎo)樁柱沖擊力的計(jì)算公式。田野等[4]將涌浪脈沖壓力施加在坡岸處與橋墩處，計(jì)算橋墩能夠承受的沖擊力極值。Tan等[2]對滑坡涌浪特征進(jìn)行分析，將滑坡涌浪動壓力分為2 種類型。本文基于國內(nèi)外學(xué)者以往的研究成果，針對某大型水庫庫區(qū)的寬緩段河道進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，探究了滑塊規(guī)模體積和水平高度對坡岸壓動力的作用規(guī)律。

1 工程概況

根據(jù)某大型水庫庫區(qū)的河道形態(tài)分布規(guī)律，以1 ∶400 的比例尺建立庫區(qū)的等模型。等寬緩段庫區(qū)的特點(diǎn)為人文活動較多，是滑坡和涌浪的高風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生區(qū)域。本文選擇的庫區(qū)水域河底寬為0.75m，河岸坡度20°。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用水泥和砂紙混合制成體積不同的滑塊，將每個(gè)滑塊的密度控制在2.3g/cm3。在選定坡段測試不同體積滑塊的入水深度和入水速度，根據(jù)控制變量法對測得36 組完整數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析選定庫段的災(zāi)害發(fā)生情況。每個(gè)工況進(jìn)行3 組平行試驗(yàn)減少數(shù)據(jù)誤差。

2.2 試驗(yàn)控制及量測系統(tǒng)

本文采用固定軌道的方式控制滑塊的入水。當(dāng)測試滑塊入水?dāng)?shù)據(jù)值時(shí)，將激光測速儀設(shè)置在軌道的入水口處，記錄滑塊的入水瞬時(shí)速率。在滑塊進(jìn)入水中的過程中會激起涌浪，滑塊的速度方向、涌浪的高度、浪花的傳播速度以及涌浪的能量等都會影響滑塊的速度。因此，在測試滑塊的涌浪壓力的過程中采用滑塊入水的斷面。在測量涌浪壓力的過程中使用波高儀、壓力傳感器、攝像機(jī)和網(wǎng)格背景板，測試設(shè)備放置如圖1所示。每次在進(jìn)行正式試驗(yàn)前，波高儀需要先測量靜水位，并將壓力傳感器進(jìn)行歸零處理減少試驗(yàn)誤差[5]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 滑坡涌浪特征分析

當(dāng)滑塊以一定的速度沖進(jìn)水中時(shí)，會引發(fā)體積侵占效應(yīng)。水體分離的現(xiàn)象出現(xiàn)在滑塊的前端，會形成幾種不同類型的涌浪，例如拋射狀水舌、首浪以及次浪等。其中，水舌由表層數(shù)體的對岸運(yùn)動形成；首浪由于滑塊的體積侵占在水中形成的凹腔沖擊能形成；次浪出現(xiàn)在滑體全部進(jìn)入水中后，由于滑塊自生巨大的動能和滑塊周圍水體的壓強(qiáng)差對水體造成的擠壓形成。

涌浪的爬坡高度在次浪出現(xiàn)前呈疊加的方式增長，次浪出現(xiàn)后，隨著水浪儲存能量降低，爬坡浪的高度緩緩下降。涌浪波幅大小嚴(yán)重影響涌浪的爬升高度以及動壓力，其是研究涌浪的重要指標(biāo)。以滑塊體積為0.2m×0.2m×0.1m，入水速度為0.2m/s 的工況為例，記錄滑塊入水時(shí)涌浪波幅變化過程，如圖2所示。

圖2 水庫滑坡涌浪波幅的時(shí)程變化曲線

從不同測點(diǎn)的涌浪波幅變化趨勢曲線對比可以看出，在前兩次的列波中會出現(xiàn)涌浪波峰最大幅值，如圖2所示。其中，第一列波出現(xiàn)最大幅值的概率更大，并且會增加列波的橫向傳播寬度，導(dǎo)致首浪的波峰幅值小于次浪。比較同一測點(diǎn)的涌浪振幅變化趨勢發(fā)現(xiàn)，傳播時(shí)間越長，不同列波間造成的涌浪復(fù)制疊加現(xiàn)象越顯著，涌浪的幅值逐漸減少，波長緩緩增加。當(dāng)涌浪抵達(dá)對岸時(shí)，由于地形變化，坡岸的水深較淺，因此波高增加。由此可見，傳播浪的振幅高度遠(yuǎn)小于爬坡浪振幅高度。

3.2 滑坡涌浪動壓力類型及作用

3.2.1 滑坡涌浪動壓力類型

Tan 等[2]在研究中發(fā)現(xiàn)，滑坡涌浪可以分為2 種形態(tài)來影響岸坡的穩(wěn)定性，一是實(shí)體涌浪，會產(chǎn)生脈沖壓力；二是水舌，產(chǎn)生瞬時(shí)擊壓力。其中，實(shí)體涌浪對邊坡無瞬時(shí)的沖擊力。主要產(chǎn)生脈沖值，并且數(shù)量較多。水舌的發(fā)生過程短暫，但產(chǎn)生的沖擊壓力較大。圖3 展示了滑體參數(shù)與水舌參數(shù)的變化趨勢。由圖3 可以看出，滑體入水速度和滑體規(guī)模與水舌的高度、長度以及水平運(yùn)動距離成正比。

圖3 滑體入水速度和滑體規(guī)模對水舌運(yùn)動參數(shù)的影響

在圖3 中可以發(fā)現(xiàn)，水舌的長度與水平運(yùn)動距離之比＜0.5，違背了二次拋物線的對稱分布原則，這可能是水舌在最高點(diǎn)后破碎造成了運(yùn)動軌跡偏移。

3.2.2 滑坡涌浪動壓力變化規(guī)律

選取水深為0.29m 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)探究不同高度水平對脈沖最值出現(xiàn)頻次的影響，分析結(jié)果繪于圖4 中。涌浪的高度水平為測量時(shí)間內(nèi)最高浪高的三分之一。由圖4 可知，與高水平的測點(diǎn)相比，低水平測點(diǎn)的脈沖壓力最值多出現(xiàn)在前2 個(gè)峰，這一現(xiàn)象說明低水平的測點(diǎn)更易受到初始涌浪作用的影響。雖然測點(diǎn)的水平升高到4級以后，脈涌浪沖壓力最值多出現(xiàn)在第三個(gè)峰，這說明不同波列講的相互作用疊加明顯，在臨近靜水面的區(qū)域水的運(yùn)動狀態(tài)在短時(shí)間內(nèi)變化較大，水體不穩(wěn)定，水流紊亂，在區(qū)域內(nèi)的水體壓力值驟增。位于靜水面以上的測點(diǎn)脈沖壓力最值均出現(xiàn)在第二峰，說明此處的測點(diǎn)受涌浪爬高的影響較大。

圖4 不同高度水平對脈沖最值出現(xiàn)頻次的影響

3.3 滑坡涌浪脈沖壓力分布特征

將高度為h=0.23m 和h=0.27m 是的脈沖壓力最大值最涌浪脈沖初始值，然后計(jì)算在此基礎(chǔ)上的其他高度水平的涌浪脈沖壓力最大值衰減率，并將數(shù)據(jù)繪制在圖5 中。

圖5 滑坡涌浪脈沖壓力極值衰減過程

觀察圖5 可以看出，脈沖壓力極值的衰減隨著爬坡高度的增加，呈現(xiàn)先增后減的趨勢。衰減速率的變化可以分為2 個(gè)區(qū)域，一是快速衰減區(qū)域，二是緩慢衰減區(qū)域。其中，快速衰減區(qū)域的涌浪水平高度較低；緩慢衰減區(qū)域的水平高度較高，并且涌浪脈沖壓力的極大值出現(xiàn)累計(jì)衰減的現(xiàn)象，累計(jì)率高達(dá)60%。

4 結(jié)論

實(shí)體涌浪和水舌對坡岸的影響均通過脈沖壓力產(chǎn)生，但作用的方式由于力學(xué)性質(zhì)的差異，導(dǎo)致作用方式的不同。涌浪由于反復(fù)多次的爬高，對坡岸施加了一種疲勞沖擊作用，是導(dǎo)致坡岸失穩(wěn)滑坡的主要因素。水舌對破案的瞬時(shí)沖擊壓力較大，但產(chǎn)生的脈沖壓力短暫且脈沖值偏小，會在坡岸上形成易出現(xiàn)滑坡的薄弱點(diǎn)。

涌浪脈沖壓力最值的發(fā)展趨勢均為先增加后減少的特征，并且脈沖壓力最值出現(xiàn)的位置與靜水面的距離十分接近。由于涌浪在運(yùn)動到對岸后，還會受到阻礙，到導(dǎo)致運(yùn)動狀態(tài)改變，因此在靜水面附近滑塊的入水速度最快，水體受到的沖擊和脈沖壓力最大。在距離靜水面較遠(yuǎn)的位置，實(shí)體涌浪在不斷爬高和下降的過程中，由于重力和其他的能量損耗，水體攜帶的能量越來越低，脈沖壓力降低。

脈沖壓力極值的衰減隨著爬坡高度增加，呈現(xiàn)先增后減的趨勢。衰減速率的變化可以分為2 個(gè)區(qū)域，一是快速衰減區(qū)域，二是緩慢衰減區(qū)域。其中快速衰減區(qū)域的涌浪水平高度較低；緩慢衰減區(qū)域的水平高度較高，并且涌浪脈沖壓力的極大值出現(xiàn)累計(jì)衰減的現(xiàn)象，累計(jì)率高達(dá)60%。