譚家灣滑坡滑速計(jì)算及涌浪災(zāi)害研究

薛 欣，劉藝梁，高晨曦，盧書強(qiáng)

(1. 三峽大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學(xué)防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002；3. 三峽大學(xué)湖北長(zhǎng)江三峽滑坡國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，湖北 宜昌 443002)

1 概述

滑坡在我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害中分布廣、影響大。當(dāng)滑坡發(fā)生在河流或者庫(kù)區(qū)時(shí)，滑體入水后擠壓水體會(huì)產(chǎn)生涌浪，激起的水體攜帶著巨大的能量將極具破壞性，會(huì)毀壞河面上的船只、附近結(jié)構(gòu)物和威脅居民的生命安全。如：1985年發(fā)生的湖北新灘滑坡[1]，約有340萬(wàn)m3滑入江中，激起巨大的涌浪，最大高度54m，造成極大的損失。隨著2003年三峽水庫(kù)開(kāi)始蓄水，在庫(kù)水位周期漲落和降雨的反復(fù)作用下，三峽庫(kù)區(qū)產(chǎn)生了很多新生的滑坡，也同時(shí)誘發(fā)了古、老滑坡的復(fù)活。2003年，由集中降雨和水位上升誘發(fā)的湖北千將坪滑坡[2]，滑入青干河中激起涌浪高達(dá)30m。2015年，重慶巫山突發(fā)的紅巖子滑坡[3]引發(fā)巨大涌浪。這些滑坡涌浪都帶來(lái)較大的損失，因此，對(duì)滑坡可能失穩(wěn)情況下產(chǎn)生的涌浪災(zāi)害研究極其重要。

滑坡涌浪災(zāi)害研究是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包括從滑坡失穩(wěn)入水、生成涌浪、涌浪傳播和爬坡，到對(duì)大壩、碼頭船只、房屋等結(jié)構(gòu)物的沖擊。對(duì)此，有較多專家學(xué)者對(duì)涌浪災(zāi)害做了大量研究工作。有計(jì)算公式方面的研究，有能量法、潘家錚方法、美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)推薦公式、水利水電科學(xué)院公式法、汪洋等[4]提出的改進(jìn)條分法、殷坤龍等[5]提出的涌浪計(jì)算公式法、黃波林等[6]提出的高傾角入水計(jì)算公式法等。還有涌浪傳播方面的研究，有黃波林等[7]、王芳等[8]對(duì)庫(kù)區(qū)涌浪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究；Wang B等[9]研究高速滑坡的涌浪高度和衰減特性；余文鵬等[10]研究塌岸對(duì)初始浪高和爬高的影響；韓林峰等[11]研究了碎裂巖體滑坡在淺水中的涌浪傳播規(guī)律；Peng M等[12]研究涌浪傳播對(duì)大壩的穩(wěn)定性影響；霍志濤等[13]利用FAST軟件模擬涌浪分析并劃分出預(yù)警區(qū)，等等。

本文以譚家灣滑坡為例，分析該滑坡的變形特征，在庫(kù)水位下降或強(qiáng)降雨條件下可能失穩(wěn)；然后基于考慮滑體入水的粘滯阻力的情況的改進(jìn)條分法計(jì)算出滑坡運(yùn)動(dòng)速度和入水體積；最后通過(guò)殷坤龍等提出涌浪計(jì)算公式計(jì)算出涌浪傳播高度，從而根據(jù)涌浪傳播高度進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)等級(jí)劃分，用來(lái)指導(dǎo)長(zhǎng)江航運(yùn)和沿江居民搬遷避讓，減少損失，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)目的。

2 譚家灣滑坡基本特征

2.1 譚家灣滑坡概況

譚家灣滑坡位于湖北省巴東縣，地形呈臺(tái)階狀，坡度20°～50°，上陡下緩。滑坡后緣高程462m，呈圈椅狀地貌；滑坡兩側(cè)緣為季節(jié)性沖溝；滑坡前緣地形呈折線形，臨江段為陡坎，前緣剪出口高程約70m。滑坡平面形態(tài)呈舌形，如圖1所示，總體坡度28°。滑坡縱長(zhǎng)約740m、寬度約120～220m，滑體平均厚度30m，面積12.6×104m2，體積377×104m3。

圖1 譚家灣滑坡工程地質(zhì)平面圖

譚家灣滑坡是土質(zhì)滑坡，結(jié)構(gòu)類型是逆向坡，如圖2所示。滑體主要為堆積碎塊石土，結(jié)構(gòu)松散，厚度一般為25～50 m，土石比6∶4，碎塊石成分主要為灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖。滑床由三疊系巴東組的灰?guī)r、泥灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖組成。滑帶厚度為0.3～0.5m，呈紫紅色，物質(zhì)成分以粘土為主，土體稍濕，結(jié)構(gòu)較為密實(shí)。滑帶土的粘聚力c是28.7kPa，內(nèi)摩擦角φ是21.5°。

圖2 譚家灣滑坡縱剖面圖

2.2 譚家灣滑坡變形特征

譚家灣滑坡所在斜坡后緩前陡，前緣臨空涉水，后緣為匯水地形；斜坡物質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，斜坡物質(zhì)滲透性良好，下覆基巖滲透性差，二者滲透性差異大，巖土接觸面為天然弱面。這些為滑坡形成發(fā)育奠定了內(nèi)因條件。

從2007年3月監(jiān)測(cè)至今，位于滑坡體東側(cè)的BDT- 23和BDT- 24兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平累積位移量分別為1056.54mm和1119.29mm，其余各點(diǎn)累積位移為18.9～115.2mm，滑坡變形具有緩慢等速增大趨勢(shì)。圖3為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)位移與降雨量、庫(kù)水位時(shí)間關(guān)系圖,通過(guò)圖3可以反映出滑坡變形具有后緣大、中部次之、前緣最小的特點(diǎn)，據(jù)此推測(cè)滑坡具有推移式滑坡特征。再根據(jù)滑坡位移與庫(kù)水位、降雨關(guān)系，滑坡位移在庫(kù)水位降落時(shí)明顯增大，故推測(cè)滑坡具有動(dòng)水壓力型滑坡特征。但是滑坡變形降雨和庫(kù)水位上升時(shí)也有一定發(fā)展，所以該滑坡也具有降雨型和浮托減重型滑坡的特質(zhì)。由劉藝梁等[14]對(duì)譚家灣滑坡穩(wěn)定性研究可知，影響譚家灣滑坡穩(wěn)定性的主要誘發(fā)因素是庫(kù)水位下降，并且隨著庫(kù)水位下降速率越大，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)越小。因此該滑坡是以動(dòng)水壓力型為主、兼有降雨型和浮托減重型。

圖3 譚家灣滑坡GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積位移與降雨量、庫(kù)水位時(shí)間關(guān)系圖

綜合分析認(rèn)為：譚家灣滑坡在庫(kù)水位大幅下降或強(qiáng)降雨條件下，該滑坡可能產(chǎn)生蠕滑變形，威脅滑坡區(qū)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全以及長(zhǎng)江航運(yùn)安全。

3 譚家灣滑坡運(yùn)動(dòng)速度

根據(jù)譚家灣滑坡的變形分析可知，在庫(kù)水位下降或強(qiáng)降雨條件下可能失穩(wěn)，尤其是降雨發(fā)生在庫(kù)水位驟降過(guò)程中容易導(dǎo)致滑坡體失穩(wěn)[15]。結(jié)合監(jiān)測(cè)曲線(圖3)可知，庫(kù)水位下降階段在每年的2—6月，其中5—6月下降速率較大，而降雨主要集中在5—9月。在降雨量比較集中且?guī)焖幌陆邓俾瘦^大時(shí)，滑坡易發(fā)生失穩(wěn)，此時(shí)庫(kù)水位是145m。因此，本文選取145m庫(kù)水位進(jìn)行滑坡運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算。

譚家灣滑坡是土質(zhì)滑坡，滑體主要為斜坡堆積碎塊石土，結(jié)構(gòu)松散，當(dāng)滑體發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，很難整體下滑，而且滑動(dòng)面不是直線，滑動(dòng)面的傾角用平均傾角來(lái)代替誤差較大，故把滑體劃分為若干個(gè)條塊，而且滑體入水速度一般較大，水的粘滯阻力不能忽略。因此，本文基于考慮滑體入水粘滯阻力的改進(jìn)條分法進(jìn)行滑坡運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算。

根據(jù)譚家灣滑坡的地層巖性、地形地貌和水文地質(zhì)條件(庫(kù)水位)，在主滑剖面(Ⅰ-Ⅰ′)上把滑坡劃分為18個(gè)條塊，條塊劃分示意圖如圖4所示。

圖4 譚家灣滑坡條塊劃分示意圖

譚家灣滑坡前緣涉水，涉水部分應(yīng)考慮水的阻力，假定條塊作剛體運(yùn)動(dòng)，條塊的受力圖如圖5所示。

圖5 條塊i受力示意圖

(1)

其中：Pbi=γh

式中，Wi—i條塊的重量，N;Mi—i條塊的質(zhì)量，kg；Fi—i條塊前后作用力的合力，N；αi—i條塊滑面傾角，(°)；Pi、Pi+1—i條塊兩側(cè)的水壓力，Pa；Pbi—靜水壓力，Pa；ci—i條塊滑帶的內(nèi)聚力，Pa；tanφ′—i條塊的動(dòng)摩擦系數(shù)，tanφ—i條塊的靜摩擦系數(shù)，η—?jiǎng)幽Σ料禂?shù)，動(dòng)摩擦抗剪強(qiáng)度參數(shù)取飽和強(qiáng)度參數(shù)值的0.8～0.95倍，本文取0.9，即tanφ′=0.9tanφ；Ri—i條塊水下的運(yùn)動(dòng)阻力，N；γ′—i條塊的有效重度，kN/m3；vi—i條塊的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；Si—i條塊水下的迎水面面積，m2；fi—i條塊在水中的粘滯阻力，N；μ—?jiǎng)恿φ扯龋琍a·s；Ai—i條塊頂部的面積,m2。

(2)

對(duì)譚家灣滑坡進(jìn)行滑速計(jì)算時(shí)，滑體運(yùn)動(dòng)的初始速度為零，先根據(jù)條塊坐標(biāo)計(jì)算出C1、C2的值；然后通過(guò)公式1—2求出滑坡體運(yùn)動(dòng)的速度和加速度，計(jì)算結(jié)果如圖6—7所示；最后由各條塊的運(yùn)動(dòng)距離計(jì)算出滑坡入水體積。

圖6 譚家灣滑坡加速度變化曲線圖

由計(jì)算結(jié)果可知，滑坡體的運(yùn)動(dòng)分為加速階段和減速階段。加速階段是由于江水對(duì)運(yùn)動(dòng)滑坡體的阻力較小，滑體重量大(下滑力大)，抗滑力相對(duì)于下滑力較小。隨著滑體入水體積的不斷增加，江水對(duì)巖土體的阻力也越來(lái)越大，以及下滑力不斷減小，從而加速度不斷減小，從正至0再至負(fù)，滑體速度不斷減小直到停止運(yùn)動(dòng)。由條塊的運(yùn)動(dòng)距離可知條塊11滑動(dòng)了393.06m，可知滑坡體入江條塊數(shù)11塊，根據(jù)幾何參數(shù)算出滑坡入江體積為264.9×104m3。故譚家灣滑坡最大運(yùn)動(dòng)速度為25.49m/s，入江體積為264.9×104m3，入水的速度和規(guī)模較大，將造成較大的損失。

4 譚家灣滑坡涌浪災(zāi)害危險(xiǎn)評(píng)價(jià)

4.1 滑坡涌浪傳播高度

譚家灣滑坡是土質(zhì)滑坡，總體坡度約28°，適用于殷坤龍等提出的涌浪計(jì)算公式。通過(guò)該公式進(jìn)行涌浪計(jì)算，得到譚家灣滑坡的最大首浪高度29.61m和最大爬坡高度87.99m。

通過(guò)滑坡沿程傳播涌浪高度計(jì)算公式計(jì)算出涌浪傳播高度，結(jié)果如圖8所示。

圖8 沿河道傳播涌浪高度變化曲線圖

4.2 譚家灣滑坡涌浪災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)等級(jí)劃分

根據(jù)國(guó)家海洋局2012年發(fā)布的《風(fēng)暴潮、海浪、海嘯和海冰災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案》[16]中條文3.3海嘯災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)滑坡涌浪災(zāi)害劃分危險(xiǎn)區(qū)等級(jí)，依次為極高危險(xiǎn)區(qū)、高度危險(xiǎn)區(qū)、中度危險(xiǎn)區(qū)和低度危險(xiǎn)區(qū)，見(jiàn)表1。

表1 滑坡涌浪災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)等級(jí)劃分表

由圖7可知，大于200cm的范圍全長(zhǎng)28km；介于150～200cm之間的范圍，上游6km，下游6km，共12km；介于100～150cm之間的范圍，上游10km，下游10km，共20km；介于50～100cm之間的范圍，上游15km，下游15km，共30km。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，按照滑坡涌浪災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)等級(jí)劃分表，得到譚家灣滑坡涌浪災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)等級(jí)圖，如圖9所示。

圖7 譚家灣滑坡運(yùn)動(dòng)速度變化曲線圖

圖9 譚家灣滑坡涌浪災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)等級(jí)圖

由圖8得出，可根據(jù)譚家灣滑坡產(chǎn)生的涌浪災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)等級(jí)，合理指導(dǎo)長(zhǎng)江航運(yùn)，其中危險(xiǎn)區(qū)等級(jí)最大的范圍(紅色區(qū)域)是上游的巴東縣漆樹坪至下游秭歸縣坊家山村。

爬坡浪高度30m以上的范圍主要在滑坡點(diǎn)1.4km范圍內(nèi)，最大爬坡高度87.99m，主要影響對(duì)岸的茶棚子村莊、距滑坡點(diǎn)1.4km的無(wú)源洞景區(qū)、石頭碼頭以及可能影響的部分省道S334；還有同岸橫坪的梯田和雞翅膀的一些房屋，如圖10所示。其他區(qū)域爬坡浪高不會(huì)產(chǎn)生影響，因?yàn)?45～175m之間有30m高差的消落帶。

圖10 譚家灣滑坡涌浪爬坡浪高危險(xiǎn)圖

5 結(jié)論

(1)綜合分析影響譚家灣滑坡變形的內(nèi)因和外因，該滑坡在庫(kù)水位大幅下降或強(qiáng)降雨條件下，可能發(fā)生蠕滑變形，尤其是降雨發(fā)生在庫(kù)水位驟降取過(guò)程中容易導(dǎo)致滑坡體失穩(wěn)。

(2)基于考慮滑體入水的粘滯阻力的改進(jìn)條分法對(duì)譚家灣滑坡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算，得出在145m水位下，譚家灣滑坡的入水體積是264.9×104m3，最大運(yùn)動(dòng)速度是25.49m/s，入水規(guī)模和速度較大，將產(chǎn)生比較大的災(zāi)害。

(3)根據(jù)滑坡涌浪傳播高度對(duì)譚家灣滑坡產(chǎn)生的涌浪災(zāi)害劃分了紅色極高危險(xiǎn)區(qū)、橙色高度危險(xiǎn)區(qū)、黃色中度危險(xiǎn)區(qū)和藍(lán)色低度危險(xiǎn)區(qū)4個(gè)等級(jí)。而且標(biāo)示出滑坡失穩(wěn)產(chǎn)生的爬坡浪高的影響區(qū)域。這樣可以及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，指導(dǎo)長(zhǎng)江航運(yùn)和居民搬遷避讓，減少損失。

(4)本文計(jì)算的是涌浪在長(zhǎng)江干流上的傳播，沒(méi)有考慮支流入江口對(duì)涌浪傳播的影響，以后將對(duì)此進(jìn)行研究。