三峽庫區(qū)滑坡涌浪傳播與爬高研究

李世貴

湖北省鄂西地質(zhì)工程勘察院，湖北 宜昌 443000

隨著三峽大壩的建成，庫區(qū)蓄水周期性漲落，庫岸涉水區(qū)滑坡活動性明顯加劇，大型滑坡體高速沖入庫區(qū)所產(chǎn)生的涌浪不但毀壞過往船只，也對兩岸房屋和居民的生命安全造成了嚴重威脅。例如，湖北千將坪滑坡涌浪高達39m，造成14人死亡，多人失蹤，上千人無家可歸[1]；重慶龔家方崩塌最大涌浪高達31.8m，對停泊在河面的船只造成了嚴重毀壞，經(jīng)濟損失嚴重；重慶紅巖子滑坡激起巨大涌浪，造成1人死亡，多人受傷，20余艘船只翻沉[2]。因此，研究滑坡在可能失穩(wěn)情況下激起涌浪的沿程傳播與爬高具有一定的實際應用價值。目前，滑坡涌浪傳播與爬高的研究方法較多，徐文杰[3]采用離散元法和光滑粒子流耦合法分析了滑坡涌浪動力學過程，與已有成果吻合較好；霍志濤等[4]和趙樹正等[5]運用數(shù)值模擬的方法分別對滑坡涌浪風險進行了分析，較好地劃分了涌浪災害影響范圍和危險預警區(qū)；岳霞等[6]根據(jù)流動性滑坡涌浪動力學模型模擬了涌浪的產(chǎn)生、傳播與爬坡過程，與野外觀測結(jié)果基本一致。上述涌浪研究方法雖各有其優(yōu)點，但也有一定的局限性，如建模難度大，耗費時間和資金成本較多，實際應用具有一定的難度。

文章綜合已有的研究成果，遵循簡單適用、經(jīng)濟合理和高效省時的原則，以三峽庫區(qū)某大型土質(zhì)滑坡為例，選取適合三峽庫區(qū)的經(jīng)驗公式對滑坡的涌浪沿程傳播以及爬高作出了預測和分析，以期更好地預防和制訂涌浪避險措施。

1 滑坡概況

三峽庫區(qū)某大型土質(zhì)滑坡平面形態(tài)呈兩脊相夾的不規(guī)則“圈椅”狀，后緣高程約為290m，前緣高程約為120m，沒入長江。滑坡長約500m，寬約430m，滑體平均厚度約25m，總體積約640萬m3，屬深層特大型土質(zhì)滑坡。工程地質(zhì)平面圖如圖1所示。

圖1 工程地質(zhì)平面圖

滑坡滑體主要成分為粉質(zhì)黏土及碎塊石土，粉質(zhì)黏土粒徑一般為3～5cm，土石比為7∶3～8∶2；碎塊石最大塊徑為6m，一般為10～20cm，土石比一般為3∶7～8∶2，厚度為5～36m。滑帶以含碎石及含角礫粉質(zhì)黏土為主，土石比為9∶1～7∶3，碎石、角礫最大粒徑一般為1～2cm。滑床基巖為侏羅系下統(tǒng)香溪組（J1x）粉砂巖，巖層產(chǎn)狀為15°∠36°，順坡向。工程地質(zhì)主剖面圖如圖2所示。

圖2 工程地質(zhì)主剖面圖

2 滑坡涌浪分析

2.1 滑速計算模型及計算結(jié)果

文章主要采用3種方法計算滑速，即潘家錚[7]提出的滑速估算法（潘家錚法），基于重心質(zhì)點的能量法（能量法），美國土木工程師協(xié)會推薦的方法（美協(xié)法）[8]。

（1）采用潘家錚法估算滑坡滑速，公式如下：

水平速度公式如下：

式中：Vxi為第i塊土條的水平速度；Vxi+1為第i+1塊土條的水平速度；△L為條塊寬度；αxi為第i塊土體的水平加速度。

滑時公式如下：

式中：ti為第i個條塊沖入水中時已經(jīng)歷的時間；ti+1為第i+1個條塊沖入水中時已經(jīng)歷的時間。

滑面的黏聚力可取飽和殘余剪強度值c=11kPa；滑坡處于長期滲流狀態(tài)，坡體的自重固結(jié)早已完成，滑動前的摩擦因數(shù)可采用慢剪試驗值；滑坡的發(fā)生通常比較突然，在其滑動過程中必定會產(chǎn)生孔隙水壓力，保守估計采用飽和固結(jié)快剪試驗值。

根據(jù)式（1）～式（4）可得，175m水位時，滑時為42.5s，滑距為120m，滑速為6.1m/s；145m水位時，滑時為31.8s，滑距為180m，滑速為12.9m/s。

（2）采用能量法估算滑坡滑速，公式如下：

式中：g為重力加速度；△Z為滑坡體重心變化高度；α為傾角；f為動摩擦因數(shù)。

以滑坡主剖面作為計算剖面，經(jīng)計算，未滑動時，滑體重心高程為180m。傾角α取26°，V=6450000m3，a=-0.15666，b=0.62419。175m水位時，△Z=5m，計算得滑速為5.07m/s；145m水位時，△Z=35m，計算得滑速為13.4m/s。

（3）采用美協(xié)法估算滑坡滑速，公式如下：

式中：α為傾角；W為滑坡體單寬重量；c為滑面黏聚力；H為滑坡體重心與庫水表面的垂直距離；l為滑塊滑面長度。

選取滑坡主剖面作為計算剖面，根據(jù)上文，取f=0.36，傾角α=26°，c=11kPa，W=206932kN。175m水位時，l=11.4m，H=5m，計算得滑速為5.05m/s；145m水位時，l=79.8m，H=35m，計算得滑速為13.15m/s。

綜合以上3種方法，按最不利工況考慮，175m水位時，最大滑速Vmax=6.1m/s；145m水位時，最大滑速Vmax=13.4m/s。

2.2 最大首浪計算

采用滑坡最大首浪計算公式[9]：

式中：Hmax為最大首浪高度；l、w、t分別為滑坡的長、寬、厚；v為滑坡入水速度；h為滑動時的最大水深；α為滑動面傾角；b為滑動時的河面寬。

根據(jù)式（8），在175m水位時，滑坡的入水長度l約為120m，入水寬度w約為430m，厚度t約為25m，此時最大水深為110m，滑速為6.1m/s，滑動面傾角為26°，滑坡入水斷面處的河道寬約為800m；庫水位在145m時，滑坡的入水長度l約為180m，入水寬度w約為410m，入水厚度t約為25m，此時最大水深為80m，滑速為13.4m/s，滑動面傾角為26°，滑動時的河面寬約500m。

將以上數(shù)據(jù)代入式（8）計算得，庫水位在175m時的最大首浪高度為7.4m，庫水位在145m時最大首浪高度為20m。

2.3 沿程傳播涌浪計算

采用沿程傳播涌浪計算公式[9]：

式中：Hr為河道沿程某處傳播浪高度；Hmax為滑坡最大首浪高度；x為沿程某處至滑坡點的距離；h為滑坡滑動時的最大水深。

根據(jù)式（9）計算得出滑坡涌浪沿程高度，如表1和圖3所示。

表1 涌浪傳至任意點的浪高計算成果 單位：m

從表1和圖3可以看出，175m水位和145m水位時滑坡涌浪沿程傳播高度總體呈負指數(shù)下降，衰減由快到慢；涌浪在距首浪約2km范圍內(nèi)衰減較快，2種工況下2km處的涌浪高度分別為首浪的33.7%和29.0%，其后衰減逐漸趨于平緩。

圖3 涌浪高度與至滑坡點距離的關(guān)系曲線

當涌浪高度＞2m時，將對船只安全造成嚴重威脅。根據(jù)計算結(jié)果可知，一旦滑坡失穩(wěn)，175m水位時，將對滑坡點上下游共6km航道內(nèi)的船只及船員生命安全造成威脅；145m水位時，將對滑坡點上下游共24km航道內(nèi)的船只及船員生命安全造成威脅。

2.4 涌浪爬高

汪洋等[10]認為涌浪爬坡高度與兩岸斜坡坡度和爬坡方位角有關(guān)，三者間的關(guān)系可以表示如下：

式中：△h為涌浪爬坡高度（不包括涌浪高度）；h為傳播至對岸的涌浪高度；α為對岸斜坡傾角；β為爬坡方位角。

將表1的沿程涌浪傳播高度和表2的地形坡度以及對應的爬坡方位角代入式（10），計算涌浪沿程爬坡高度，結(jié)果如表2和圖4所示。

表2 涌浪沿程爬坡高度

圖4 滑坡涌浪沿程爬坡高度曲線

從表2和圖4可以看出，175m水位和145m水位時滑坡涌浪傳播至對岸的爬坡高度均高于首浪高度，岸坡坡度越陡，涌浪爬坡高度增量越大；2種工況下沿程爬坡高度總體呈負指數(shù)下降，衰減由快到慢，之后趨于平緩；坡度越陡，衰減越快[11]。

145m水位時，涌浪爬高最大為21.3m，尚處于175m水位以下，該淹沒線范圍內(nèi)無房屋和居民，故涌浪對沿岸居民無威脅。175m水位時，滑坡正對岸產(chǎn)生的涌浪爬高達9.1m，14km處涌浪爬高為1.4m，涌浪將對淹沒線范圍內(nèi)兩岸的房屋和居民造成直接沖擊威脅[12]。

3 結(jié)論

（1）文章采用潘家錚法、能量法和美協(xié)法對滑坡最大入水滑速進行了定量估算，綜合得出175m水位和145m水位時滑坡最大入水滑速分別為6.1m/s、13.4m/s。（2）根據(jù)滑坡最大首浪計算公式得出，庫水位在175m和145m時，滑坡產(chǎn)生的最大首浪分別為7.4m、20m。（3）滑坡涌浪在距滑坡上下游各2km范圍內(nèi)衰減較快，175m水位和145m水位時涌浪高度分別為首浪的33.7%和29%，其后衰減逐漸趨于平緩。上述2種工況下，將分別對滑坡點上下游共6km和24km航道內(nèi)的船只及船員生命安全造成威脅。（4）175m水位和145m水位時滑坡涌浪傳播至對岸的爬高均高于首浪高度，坡度越陡，爬坡高度增量越大。145m水位時，涌浪對沿岸房屋和居民無威脅；175m水位時，滑坡涌浪將對淹沒線范圍內(nèi)兩岸的房屋和居民造成直接沖擊威脅。

（5）文章滑坡涌浪沿程傳播與爬高計算分析思路可以應用到類似滑坡工程中，對預防和制訂涌浪避險措施具有一定的指導意義。