云南某大規模堆積體變形破壞與涌浪分析

王雍

（中電投云南國際電力投資有限公司,云南昆明 650000）

云南某大規模堆積體變形破壞與涌浪分析

王雍

（中電投云南國際電力投資有限公司,云南昆明 650000）

對云南某大規模堆積體變形破壞模式進行涌浪分析,研究其危害性,為工程界大規模堆積體的滑坡涌浪分析提供借鑒參考。

堆積體 變形破壞 涌浪

1 滑坡涌浪分析計算原理

滑坡體失穩產生最大涌浪高度主要受滑坡體規模與滑動速度兩個關鍵因素影響。滑坡體失穩后運動過程十分復雜,滑速很難精確計算,目前滑速計算公式主要是根據能量守恒或動量守恒方程進行求解,其中代表性的方法為能量法和潘家錚提出的垂直條分法。涌浪高度的影響因素更為復雜,目前還沒有通用的計算方法。現階段,滑坡引起涌浪高度的求解方法包括模型試驗法與計算法兩種,其中計算法主要有中國水利水電科學研究院經驗公式法、美國土木工程學會建議的推算法、潘家錚法等,這些方法仍停留在經驗或半經驗的基礎上。

1.1 能量法滑速計算

能量法將滑坡體的運動視為勻加速運動,并利用經典的牛頓運動定律進行求解,運動基本方程為:

式中,α0為滑面滑出傾角,u為滑面上孔隙水壓力,f、c分別為滑面摩擦系數與凝聚力,m為滑體單寬質量,g為重力加速度,a為滑體加速度,l為滑距。滑體最大運動速度Vmax計算公式為:

式中,H為滑體重心至水面高度。若不考慮c值,則式（2）可簡化為:

圖1 垂直條塊i上作用力圖

圖2 堆積體分區平面圖

當滑面為非平面時,可取f,α0平均值作近似計算。

1.2 潘家錚法滑速計算

將滑坡體運動視為平面問題,選擇代表性剖面作為研究對象,將滑體劃分為一系列具有垂直界面的條塊,假定條塊界面滑動后仍保持垂直,條塊i上作用力如圖1所示,有作用在滑面上法向反力i、孔隙水壓力Ui,有作用在界面上的作用力H和H+△Hi、Q和Q+△Qi。若忽略條塊界面上的剪力Q,且假定水平向加速度和垂直向加速關系式（4）近似成立:

根據牛頓運動定律推導,ax的表達式為:

求出水平加速度ax后,便可利用運動學原理求出不同時段滑體的速度v、運行距離L等。對于庫區滑坡,當滑坡體沖入水中時,其迎水面還受到水的阻力,此力取決于滑速及擋水面積,其方向與滑動速度相反,根據流體力學,阻力表達式為（6）:

式中,CD為一個系數,通常取1．5～2．0,A為水下滑體在垂直流速方向的投影面積,ρ為水的密度,V為滑體速度。再根據式(5)有（7）式成立:

上式中,條塊的速度Vi采用條塊前一個時間段的速度。一旦不同時刻的水平向加速度ax求出,則各條塊不同時刻豎直方向的運動加速度ay可根據式（4）求出,根據運動學原理,問題便迎刃而解。需要指出,水下條塊自重按浮容重計,水上條塊按天然容重計。

圖3 堆積體各分區變形關系與趨勢圖

圖4 滑坡體剖面圖

圖5 滑速v隨時間t的變化曲線

圖6 水平加速度隨時間t的變化曲線圖

表1 潘家錚法涌浪計算結果

表2 能量法涌浪計算結果

1.3 滑坡涌浪高度計算

滑速一旦計算出來,就可以計算出滑體入水時可能產生的最大涌浪高度,這里只介紹目前國內常用的中國水利水電科學院的經驗公式法。滑體入水前最大涌浪高度的計算公式為:

式中:K為綜合影響因子,一般取0．18,U為滑體體積,單位為104m3,V為滑速,單位為m/s,ηmax為最大涌浪高度。距滑坡處x處的涌浪高度的估算公式為:

式中,K1為與滑坡點距離x有關的函數,當x=2000m時,K1=0．08,當x=5000m時,K1＝0．05,當x＝12000m時,K1＝0．02;n=1．4;η為涌浪高度。

2 工程概況

云南省金沙江一級支流上某水電站水庫總庫容7800萬m3。庫區左岸上游約1～2公里處變形堆積體規模巨大,達3300m3,分布在高程990m～1662m之間。2010年12月工程下閘蓄水后,堆積體變形較大,其危害性引起建設單位高度重視。(如圖2所示)

3 變形破壞機理與涌浪分析結果

3.1 變形破壞機理

該堆積體主要為碎石混合土層和碎石層組成,結構骨架作用強,透水性強。穩定性研究成果表明,堆積體在地震、庫水位快速下降或連續暴雨等不利工況下,整體下滑可能性很小,主要變形破壞形式為蠕滑或分散式解體下滑。根據地形地貌特征、裂縫分布和變形方向,將堆積體劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個基本區,三區存在著牽引式變形影響關系。2011年雨季Ⅰ-1和Ⅰ-4子區前緣塌滑,首先變形,牽動后部Ⅰ-2和Ⅰ-3子區變形;Ⅰ區的變形牽引Ⅱ區在2012年雨季發生較大變形。其中Ⅱ區的前緣Ⅱ-3子區受后部子區向前變形擠壓,向河床變形趨勢明顯。Ⅲ區基本無明顯變形,各區變形趨勢見圖3。

3.2 涌浪計算分析

穩定性較差的堆積體子區主要是Ⅰ-1區、Ⅰ-4區和Ⅱ-3區,其中Ⅱ-3區滑坡產生的壩前涌浪最高,最具代表性。Ⅱ-3區位于上游庫區距離大壩1km,分布在庫水位以上150m～200m處,底部發生局部滑動失穩時,假定滑坡體從邊坡滑出后從高空墜入江中,滑坡體單寬體積1798m3,平均寬度25m,相應總體積4．49萬m3。（如圖4所示）

涌浪分析的關鍵參數是滑面的抗剪強度,此處采用滑面的殘余抗剪強度參數來模擬滑坡失穩后的運動狀態。滑面強度參數取值為:φ=20°,c=0kPa,同時對滑面的摩擦角φ=18°、φ=22°、φ=24°這三種情況進行敏感性分析。本文采用潘家錚法和能量法對比計算,分析預測滑坡產生的涌浪高度,計算滑動體的運動參數見圖5和圖6,計算結果分別見表1和表2。

從計算結果可以看出,因為滑裂面剪出口的傾角較陡,其滑坡速度隨時間的發展而不斷增加,但其加速度隨時間的發展而不斷減小。當滑面的摩擦角φ=20°時,采用潘家錚法獲得的最大滑速為13．5m/s,采用能量法獲得的滑坡體速度達40m/s。考慮到Ⅱ-3區位于正常蓄水位以上約150m處,當滑坡體自滑床處剪出后,在自重的作用下將不受滑面的約束而作自由落體運動,因此,認為采用能量法進行滑速計算更加合理,滑坡涌浪計算結果以能量法的滑速計算結果為準。當φ=20°時,滑坡體失穩時傳遞至大壩處的最大涌浪高度約為5．8m,考慮壩頂超高及防浪墻的影響,導至翻壩的涌浪高度應大于7．0m,因此,滑坡涌浪對大壩及附屬建筑物的影響較小;此外,鑒于滑坡體的方量很小,發生堵江的可能性很小,同時產生水庫淤積而導致庫容減小的影響很小。滑坡涌浪對工程運行總體不會產生大的安全影響。(見表1、表2所示)

4 結語

本文對某大規模堆積體的變形機理和滑坡涌浪進行了分析探討,采用能量法和潘家錚法進行了滑坡體滑速計算,分析了典型滑塊的涌浪高度及對工程運行的安全性影響,為類似工程提供借鑒參考。

[1]某水電站庫區左岸堆積體工程地質勘察與研究[R].中電投集團云南國際電力投資公司amp;中水顧問集團北京勘測設計研究院,2014(3).

[2]殷坤龍,杜娟,汪洋.清江水布埡大堰塘庫區滑坡涌浪分析[J].巖土力學,2008,29(12):1031-1035.

[3]王育林,陳鳳云,齊華林,李一兵.危巖體崩塌對航道影響及滑坡涌浪特性研究[J].中國地質災害與防治學報,1994(3):95-100.

本研究屬中電投集團科研項目。

王雍（1969—）,男,湖南人,漢族,武漢大學工學碩士,教授級高工,主要從事水工設計與研究及工程建設管理。