一種滑坡模擬控制系統(tǒng)技術(shù)和應用

黃智敏，付 波，鐘勇明，陳卓英

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣東 廣州 510635)

1 概述

水庫庫岸巖體若存在著斷層、裂隙、風化以及軟弱夾層等惡劣地形和地質(zhì)條件下，工程建設后水庫蓄水位變化及出現(xiàn)降雨、地震等情況時，不穩(wěn)定的巖體極易崩塌、下滑進入庫區(qū)內(nèi)，在庫區(qū)內(nèi)激起巨大的涌浪，給庫區(qū)兩岸坡、下游擋水大壩產(chǎn)生巨大的水浪和動水壓力，危及庫區(qū)岸坡和大壩的安全；同時，涌浪會翻越擋水大壩，給大壩下游建筑物及城鎮(zhèn)居民造成嚴重的危害。

據(jù)有關(guān)文獻介紹，國內(nèi)外部分水庫庫區(qū)曾發(fā)生過嚴重的滑坡事件，造成較大的災害。我國的柘溪水電站、三峽庫區(qū)等曾發(fā)生滑坡崩塌事件，造成了不同程度的事故和災害。我國的部分水電站(如烏江渡水電站、三峽水電站等)庫區(qū)的庫岸存在著不穩(wěn)定的巖體，有可能形成滑坡崩塌，因此，在工程建設的前期，開展了相關(guān)的滑坡涌浪模型試驗研究，并對不穩(wěn)定的巖體進行處理[1]。

因此，根據(jù)具體工程存在的滑坡體情況，開展相關(guān)庫區(qū)庫岸滑坡涌浪影響水力模型試驗研究是十分必要的。本文在對國內(nèi)現(xiàn)有的滑坡體滑坡模擬試驗方法總結(jié)的基礎上，介紹一種“滑坡模擬控制系統(tǒng)”的技術(shù)及其應用，供類似工程滑坡體滑坡涌浪水力模型試驗研究參考。

2 國內(nèi)滑坡模擬試驗方法簡介

據(jù)有關(guān)文獻的介紹，國內(nèi)已開展的有關(guān)工程庫區(qū)或河道岸坡滑坡體滑坡涌浪模擬試驗主要有：

1)碧口水電站青崖嶺滑坡體滑坡模型試驗[1]，其滑坡體的滑動面采用水泥砂漿制作，將裝載滑坡體材料(砂卵石)的滑車從滑動面下滑；在滑坡面上安設電接觸點、示波儀等，測量和記錄滑坡體的下滑速度。

2)黃河小浪底水庫的一、二號壩址滑坡體模擬：在滑坡面上鋪設由白鐵皮鑲嵌玻璃球的活動板(玻璃球直徑d=2.5 cm、間距5 cm)模擬滑動面；同時，在該活動板上鋪設1塊白鐵皮為滑坡體的底面，其上放置滑坡體的模擬材料。大、小西溝滑坡體模擬：在滑動面上鋪設鋼軌，鋼軌上安放滾珠軸承小車，小車上放置滑坡體材料，來模擬滑坡體下滑情況。滑坡體滑速測量采用光電管訊號裝置，以示波器記錄訊號，再換算出沿程滑速[2]。

3)河海大學水利水電科學研究所的滑坡體滑坡模型試驗[3]。將滑坡體設計為兩個半箱組合體，同時將滑坡面設計為可在π/6～π/2調(diào)整的活動板，以模擬不同的滑速；并在滑坡面的滑道上裝有行程開關(guān)，以量測滑坡體的下滑速度。

經(jīng)分析，上述的滑坡體滑坡模擬方法是將滑坡體放置在庫水位以上一定的高度，通過滑坡體自重下滑加速，進入庫水面以下水體內(nèi)，從而產(chǎn)生滑坡涌浪。這些方法模擬水庫水面之上的滑坡體下滑，其試驗成果精度較高；而模擬水庫水面之下的滑坡體下滑，則會產(chǎn)生一定的偏差。

3 “滑坡模擬控制系統(tǒng)”技術(shù)簡介

3.1 “滑坡模擬控制系統(tǒng)”的構(gòu)成

1)本文研制的一種滑坡體滑坡模擬控制系統(tǒng)見圖1所示，主要由計算機測控系統(tǒng)、空氣壓縮機、機械推動裝置等組成。

圖1 “滑坡模擬控制系統(tǒng)”示意

該控制系統(tǒng)各部分的主要構(gòu)成和作用為：

① 計算機測控系統(tǒng)包括控制單元、測量單元和計算機等。該系統(tǒng)由計算機設定滑坡體滑坡的工作參數(shù)，并經(jīng)控制單元控制空氣壓縮機的加壓壓力值；該壓力值經(jīng)測量單元反饋到計算機內(nèi)之后，再由計算機通過控制單元開啟機械推動裝置的換向控制閥對空氣壓縮機的壓縮氣體進行導向，使氣缸的推桿啟動，推動滑坡體下滑運動。

② 空氣壓縮機是整個系統(tǒng)的動力來源，是將電動機的機械能轉(zhuǎn)換為空氣壓力能的裝置，空氣壓縮機上設置有壓力傳感器和加壓控制等。

③ 機械推動裝置包括有氣缸、推桿(以及與推桿連接的推板)、傾斜度調(diào)整裝置、推桿支撐裝置和底座等。機械推動裝置的換向控制閥通過氣管連接空氣壓縮機，換向控制閥對壓縮氣體進行導向，決定氣缸中推桿的啟動、停止和運行方向；機械推動裝置推桿行程的兩端各安裝一個接近開關(guān)，作為控制推桿行程的行程開關(guān)，同時兼作推桿啟動和停止的信號輸出開關(guān)，以計算推桿完成整個行程所需的時間及推桿運行的速度；兩接近開關(guān)的信號輸出端均用信號電纜連接至測量單元。

2)“滑坡模擬控制系統(tǒng)”的工作原理為：在給定的庫區(qū)或河道岸坡滑坡體的方量、滑動面坡度、滑動面摩擦系數(shù)、下滑速度等參數(shù)條件下，經(jīng)率定之后，將滿足上述滑動過程的參數(shù)輸入計算機內(nèi)，由控制單元將計算機工作參數(shù)轉(zhuǎn)為信號輸入到空氣壓縮機的加壓控制端，確定空氣壓縮機加壓的壓力；空氣壓縮機的壓力傳感器將壓力信號傳送到測量單元，進一步反饋到計算機，若空氣壓縮機加壓壓力與計算機設定的壓力值一致，則計算機通過控制單元開啟換向控制閥對空氣壓縮機的壓縮氣體進行導向，使氣缸中推桿啟動，推動滑坡體下滑。

因此，本模擬控制系統(tǒng)操作方便和簡單，既能產(chǎn)生較大的推力和較高的滑動速度，同時成本又相對低廉。

3.2 “滑坡模擬控制系統(tǒng)”的工作參數(shù)

本“滑坡模擬控制系統(tǒng)” 的工作參數(shù)為：

① 推桿的最大推動力P=24.5 kN；

② 滑坡體的滑動速度根據(jù)試驗需要可調(diào)，最大滑動速度u=2 m/s；

③ 可根據(jù)滑坡的坡度調(diào)整推動的角度，系統(tǒng)的角度調(diào)整范圍為0～35°；

④ 推動的行程根據(jù)試驗需要可調(diào)，推桿最大行程為1.6 m；

⑤ 模擬試驗結(jié)果數(shù)據(jù)(如滑坡體重量、速度、行程、坡度等)，由計算機實時記錄并顯示。

4 滑坡體滑坡試驗及分析

為了分析對比“滑坡模擬控制系統(tǒng)”和傳統(tǒng)滑車的兩種不同滑坡體下滑模擬方法的試驗效果，本文采用這兩種滑坡模擬方法，對廣東省樂昌峽水電站庫區(qū)松山子滑坡體的滑坡涌浪影響試驗成果進行分析。

4.1 松山子滑坡體特點

樂昌峽水電站庫區(qū)位于峽谷河段，庫區(qū)水面狹窄，壩址至松山子滑坡體區(qū)域河床高程約92.0～100.0 m，正常蓄水位(154.5 m)的庫區(qū)水面寬約為120～400 m。庫區(qū)兩岸山體坡度約為40°～60°，山頂高程為300.0～900.0 m；兩岸坡溝谷較發(fā)育，巖體破碎、劈理發(fā)育，普遍分布著變形邊坡和崩塌體，穩(wěn)定性較差。

松山子滑坡體位于壩址上游右岸約2.6 km處，分布高程為100.0～245.0 m，總方量約為95.3×104m3。滑坡體平面近似為長條錐形，其投影總長約為 250 m、平均寬約為120 m，滑移面坡角約為20°，主要由全風化絹云母石英砂巖、板巖等組成，厚度約為30～40 m(見圖2～3)。

圖2 樂昌峽庫區(qū)松山子滑坡體位置示意

圖3 松山子滑坡體剖面示意

4.2 水力模型試驗簡介

松山子滑坡涌浪水力模型為幾何比尺1：150的正態(tài)模型。模型范圍為壩址上游6 km的庫區(qū)。模型試驗的滑坡量根據(jù)實際的滑坡量，由模型比尺換算進行模擬；模擬材料采用邊長為5 cm和10 cm的砼正方體[4]。

4.3 “滑坡模擬控制系統(tǒng)”試驗成果

松山子滑坡體底部高程約98.0 m，在水庫正常蓄水位154.5 m條件下，滑坡體下部淹沒在庫水位之下。本文采用“滑坡模擬控制系統(tǒng)”來模擬松山子滑坡體下滑速度和過程，不同下滑速度u產(chǎn)生的庫區(qū)涌浪、滑坡區(qū)域?qū)Π渡狡掠坷伺栏摺跛髩紊嫌螇蚊娉惺艿挠坷藙铀畨簭姷仍囼灣晒梢娢墨I[4]～[5]。

試驗表明[4-5]，滑坡體以不同下滑速度u滑動時，塌落的山體在入水庫區(qū)激起巨大的涌浪，沖擊對岸山坡，并向庫區(qū)上、下游河道快速傳播，其特點為：

1)滑坡入水庫區(qū)激起的涌浪為庫區(qū)涌浪峰值，涌浪迅速沖擊對岸山坡，山坡面產(chǎn)生明顯的涌浪爬高，其涌浪爬高為庫區(qū)岸坡涌浪爬高的最大值。

2)滑坡入水庫區(qū)的涌浪快速地向庫區(qū)上、下游河道傳播；涌浪傳播過程中呈衰減狀，約在歷時8 min之內(nèi)，庫區(qū)涌浪的水位壅高值ΔZ<1.5 m(ΔZ為庫區(qū)測點涌浪水位與滑坡前庫水位的差值)。

3)庫區(qū)涌浪傳播受下游擋水大壩阻擋之后，大壩上游壩面水位竄升壅高，產(chǎn)生附加的涌浪動水壓強。

在庫水位154.5 m、滑坡速度7.0 m/s下滑時，測試的滑坡區(qū)域?qū)Π渡狡掠坷伺栏吒叱蘘0為159.5 m、涌浪相對爬高高度ζ0為5 m，其下游擋水大壩上游壩面涌浪高程Zb為157.1 m、涌浪相對爬高高度ζb為2.6 m(見表1)[4]。

表1 不同模擬方法的滑坡區(qū)域?qū)Π渡狡潞蜕嫌螇蚊嬗坷伺栏弑容^ m

4.4 滑車滑動模擬方法試驗成果

4.4.1試驗方法

參考國內(nèi)現(xiàn)有的滑坡體滑坡模擬方法，滑坡體的滑動面用水泥砂漿抹成，將滑坡體材料(砼塊)放在滑車上，由光電測速儀量測滑坡體通過給定滑距的時間，計算出相應的下滑速度u。

4.4.2試驗成果

在庫水位154.5 m、滑坡速度7.0 m/s下滑時，滑車入水瞬間濺起的水花比“滑坡模擬控制系統(tǒng)”模擬滑坡體下滑入水的水花要大一些；滑車進入庫區(qū)水體后，滑車上的滑坡體相對較不易松散。

測試的滑坡區(qū)域?qū)Π渡狡掠坷伺栏吒叱蘘0為160.2 m、涌浪相對爬高高度ζ0為5.7 m，其下游擋水大壩上游壩面涌浪高程Zb為157.5 m、涌浪相對爬高高度ζb為3.0 m(見表1)。庫區(qū)和擋水大壩上游壩面的涌浪爬高高程、涌浪相對爬高高度比“滑坡模擬控制系統(tǒng)”的試驗值略大一些，相對差值在允許的范圍內(nèi)。

4.5 兩種模擬試驗方法的比較

1)根據(jù)“滑坡模擬控制系統(tǒng)”和“滑車滑動”的模擬方法及原理，這兩種模擬方法的下滑速度u均為滑坡體下滑的平均速度，可用于模擬和分析水庫庫區(qū)、河道岸坡滑坡體滑坡涌浪的影響。

2)“滑坡模擬控制系統(tǒng)”可較準確模擬庫區(qū)和河道岸坡水面上、下的滑坡體下滑速度及滑坡過程，且模擬的滑坡體方量較大、操作較簡單和方便。

3)“滑車滑動” 模擬方法對位于庫區(qū)和河道岸坡水面之上的滑坡體下滑過程有較好的相似性，但對水面之下的滑坡體下滑過程模擬有一定的誤差，存在著滑坡體入水瞬間濺起的水花較大、滑坡體較不易松散的現(xiàn)象，且下滑速度較不易控制等。

因此，可根據(jù)實際工程庫區(qū)和河道岸坡滑坡體的分布、方量等，采用合適的滑坡體下滑速度和滑坡過程的模擬方法。

5 結(jié)語

當對庫區(qū)和河道岸坡的不穩(wěn)定滑坡體開展相應的滑坡涌浪水力模型試驗時，應對滑坡體的分布、方量和可能的下滑速度等進行分析，選擇合適的滑坡體下滑過程模擬方法。

本文在對國內(nèi)現(xiàn)有的滑坡體滑坡模擬試驗方法總結(jié)的基礎上，介紹一種“滑坡模擬控制系統(tǒng)”的技術(shù)及其應用。“滑坡模擬控制系統(tǒng)”已在樂昌峽水電站庫區(qū)松山子等滑坡體的滑坡水力模型試驗研究中得到了應用，效果良好。“滑坡模擬控制系統(tǒng)”可供類似工程滑坡體滑坡涌浪影響水力模型試驗研究參考。