某不穩(wěn)定滑坡對鄰近居民點(diǎn)涌浪影響研究

楊猛 拾亭

摘? 要：水庫滑坡涌浪會對鄰近居民的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生重大影響，但實(shí)際工程中涌浪的計(jì)算方法卻十分復(fù)雜。該文以某滑坡為研究對象，通過分析其地質(zhì)條件及滑坡基本特征，對滑坡的整體穩(wěn)定性進(jìn)行定性評價(jià)，采用潘家錚法和中國水科院經(jīng)驗(yàn)公式法對滑坡涌浪高度進(jìn)行估算。計(jì)算結(jié)果表明，研究發(fā)現(xiàn)在“暴雨工況+蓄水”825 m下，居民點(diǎn)涌浪高度為3.52 m，應(yīng)采取相應(yīng)的防浪措施。該文對類似滑坡災(zāi)害影響分析具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：滑坡；穩(wěn)定性；涌浪計(jì)算；潘家錚法；防浪措施

中圖分類號：TV139.2+3? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）08-0071-05

Abstract： The landslide surge of the reservoir will have a great impact on the life and property safety of the nearby residents， but the calculation method of the surge in the actual project is very complicated. In this paper， taking a landslide as the research object， through the analysis of its geological conditions and the basic characteristics of the landslide， the overall stability of the landslide is qualitatively evaluated， and the surge height of the landslide is estimated by the Pan Jiazheng method and the empirical formula method of the Chinese Academy of Water Sciences. The calculation results show that under the "rainstorm condition + water storage "of 825 meters， the surge height of the residential area is 3.52 meters， and the corresponding wave prevention measures should be taken. This paper has a certain reference value for the impact analysis of similar landslide disasters.

Keywords： landslide; stability; surge calculation; Pan Jiazheng method; wave prevention measures

在山體坡面或陡坡上的滑坡過程中，由于土石的滑落及撕裂作用，產(chǎn)生大量涌浪會給周圍環(huán)境和人類活動(dòng)帶來嚴(yán)重的危害，直接威脅人類生命安全并毀壞建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施，因此對滑坡涌浪的研究十分必要[1]。

近年來，許多專家學(xué)者對滑坡涌浪的影響進(jìn)行了深入研究。薛宏程等[2]在等效流體假設(shè)的基礎(chǔ)上，用定制的函數(shù)來編寫滑坡體沿滑動(dòng)面運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力程序，使用 Realizablek-ε紊流模型與 VOF法，構(gòu)建出了碎石土滑坡涌浪數(shù)值模擬模型，其計(jì)算得到的涌浪波幅具有較高的準(zhǔn)確性。王佳佳等[3]通過構(gòu)建縮放后的矩形水槽滑坡涌浪三維物理實(shí)驗(yàn)，研究滑坡體積、流速、水深等因素對堆積體形貌、涌浪特性的影響，揭示滑坡與水之間的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制。馬斌等[4]基于量綱分析的非線性回歸方法，建立了壩肩處浪高的預(yù)報(bào)公式。薛宏程等[5]在對水庫滑坡涌浪進(jìn)行三維數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上，對水庫在不同時(shí)間點(diǎn)上的涌浪進(jìn)行了定量分析。李東陽等[6]提出了一種基于擴(kuò)展離散元（DEM）和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的數(shù)值模擬方法，并將流體容積法（VOF）引入到局域平均 DEM-CFD耦合方法中，構(gòu)建一種適用于河床自由表面演變的擴(kuò)展 DEM-CFD耦合數(shù)值模擬體系，以跟蹤滑坡涌浪的生成和傳播過程。鄭飛東等[7]通過水槽物理模型實(shí)驗(yàn)，對滑坡消散過程對涌浪波形特征的影響進(jìn)行了初步探討，發(fā)現(xiàn)隨著滑坡體分散指數(shù)的增加，初始涌浪的最大幅度、最大波高降低。王梅力等[8]以物理模型試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對初始涌浪的最大波高、最大周期、有效波高、有效周期及波陡特征值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，運(yùn)用無量綱及多元回歸分析方法，最終得出了首浪高度的計(jì)算公式。徐衛(wèi)亞等[9]將斜條分法、水阻力等傳統(tǒng)滑動(dòng)速度分析方法相結(jié)合，建立了一套適合于復(fù)雜分汊河段涌浪遠(yuǎn)場傳播的計(jì)算方法。

本文以某滑坡為研究對象，通過分析滑坡的整體穩(wěn)定性，采用了潘家錚法和水科院經(jīng)驗(yàn)公式法對滑坡在鄰近居民點(diǎn)的涌浪高度進(jìn)行估算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，本文對類似滑坡災(zāi)害研究具有一定參考意義。

1? 工程概況

金沙江白鶴灘水電站位于金沙江中下游（攀枝花-宜賓），為大型水電站，其壩型是一座混凝土雙曲拱壩，正常蓄水位825 m，死水位為765 m。象鼻嶺居民點(diǎn)場地原始地面高程800～827 m，墊高造地后進(jìn)行移民安置居民點(diǎn)建設(shè)，墊高后場地高程827.3～828.7 m，規(guī)劃圍地總面積約140畝（1畝約等于667 m2），規(guī)劃安置人口約1 618人。

王家山滑坡位于小江右岸王家山北側(cè)，距離象鼻嶺居民點(diǎn)直線距離約1.3 km，如圖1所示。白鶴灘水電站水庫蓄水后，該滑坡在特定工況下發(fā)生失穩(wěn)將會產(chǎn)生涌浪，影響周邊居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此，對該滑坡涌浪進(jìn)行研究極其重要。

2? 滑坡區(qū)地質(zhì)條件

白鶴灘水電站水庫區(qū)小江支庫王家山段，左岸為格勒坪子（象鼻嶺），右岸為王家山岸坡，坡面地形較凌亂，沖溝較發(fā)育，從南往北主要發(fā)育2條小沖溝，溝內(nèi)多季節(jié)性流水，雨季流量較大。該段岸坡地層巖性復(fù)雜，將地層由老到新分述見表1。

岸邊地下水以孔隙水和基巖裂隙水為主，孔隙水埋藏深度一般不大，主要賦存于小江沖洪積層內(nèi)，且受地表降雨和溝谷水的補(bǔ)給。基巖裂縫水主要存在于斜坡上的裂縫中，并以大氣降雨為主要補(bǔ)給來源。白鶴灘水電站水庫蓄水后，受庫水位影響，該處地下水位會有所抬升。

3? 滑坡特征與穩(wěn)定性分析

3.1? 基本特征

王家山滑坡位于小江右岸北側(cè)，左右側(cè)分別發(fā)育1#及2#沖溝，2條沖溝在滑坡體后部相交，具有“雙溝同源”“圈椅狀”的特點(diǎn)，滑坡體上植被稀疏，主要以灌木、雜草為主，如圖2所示。

從地貌上看，滑坡后緣特征明顯，有“雙溝同源”“圈椅狀”的特點(diǎn)；滑坡左側(cè)以1#沖溝為界，該沖溝約呈S62°W流向，基巖裸露，巖體破碎；滑坡右側(cè)以2#沖溝為界，該沖溝約呈N75°W流向，沖溝左岸地形坡度15～35°；滑坡前緣至小江邊，該處地形較陡，小規(guī)?；F(xiàn)象明顯，受其影響，剪出口不明顯。

3.2? 穩(wěn)定性分析

王家山滑坡所在岸坡地形較陡，為第四系崩坡積物所覆蓋，厚度較大，且距離小江斷裂較近，坡體在自重作用下，在暴雨或地震條件下，沿基巖和覆蓋層邊界發(fā)生破壞，滑坡體積約611萬m3。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑坡前緣存在塌滑破壞現(xiàn)象，位于滑坡體中央的S303省道（2016年擴(kuò)建）的路面、擋墻、護(hù)坡出現(xiàn)隆起、開裂現(xiàn)象，路面出現(xiàn)塌陷、開裂等變形征兆，開裂寬度在20～30 cm，沉降深度在40～50 cm。

以上種種跡象均表明滑坡現(xiàn)狀雖整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但在暴雨工況下，滑坡整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)蓄水高程超過825 m后，滑坡前緣會被庫水所淹沒，坡體內(nèi)骨架間細(xì)顆粒物質(zhì)會受到浸泡，土體物理力學(xué)參數(shù)將有所降低，滑坡穩(wěn)定性下降，有發(fā)生整體滑動(dòng)破壞的可能。

4? 涌浪估算

4.1? 最大入水速度估算

4.1.1? 潘家錚法

潘家錚法根據(jù)動(dòng)力平衡條件，求每滑動(dòng)微小水平距離△L后的速度。其中水平速度計(jì)算公式為

vx=， （1）

式中：v0為滑體的初始速度；ax為滑體的水平加速度，可通過滑體的動(dòng)力平衡條件得到；△L為各條塊的寬度。

根據(jù)潘家錚法計(jì)算出滑坡整體失穩(wěn)破壞的最大速度為7.44 m/s。

4.1.2? 美國土木工程師協(xié)會推薦公式法

美國土木工程師協(xié)會推薦的計(jì)算方法是，將滑板置于半無限大的水中，視為一個(gè)整體，并將其重心作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)，計(jì)算出滑板的滑動(dòng)速度，滑板滑動(dòng)的動(dòng)力為下滑力與抗滑力之間的差值，由此計(jì)算出滑板滑動(dòng)S距離后的滑速vs為

式中：？琢為滑動(dòng)表面的傾斜角度；W為滑體單寬重量；φ和c為滑動(dòng)面剪切強(qiáng)度的參量；H為重心到水面的高度；l為滑坡體與滑面接觸面長；g為重力加速度，9.8 N/kg。

根據(jù)美國土木工程師協(xié)會推薦公式法計(jì)算得出滑坡最大速度為13.22 m/s。

4.1.3? 謝德格爾法

謝德格爾法考慮了滑坡體的體變效應(yīng)，研究表明，滑坡體的體變與滑坡體的當(dāng)量摩擦系數(shù)（fe）在對數(shù)坐標(biāo)系下是線性的。二者之間的關(guān)系公式為

lg fe=algV+b， （3）

式中：V為滑坡體體積；a＝-0.156 66；b＝0.622 19。據(jù)V求出fe后，按下式計(jì)算滑速

lg fe=algV+b，（4）

Vs=。（5）

計(jì)算得出滑坡整體失穩(wěn)的最大速度為16.81 m/s。

4.2? 涌浪高度估算

4.2.1? 潘家錚法

潘家錚給出了一種計(jì)算模型，該模型中考慮了坡度對波面反射的影響，在坡度發(fā)生水平形變時(shí)，所引起的初浪高度可由下述公式表達(dá)

ζ0=1.17（ν/）h。 （6）

當(dāng)岸坡上厚度為？姿的滑坡體以速度ν′進(jìn)入水庫后，初始浪的高度ζ0為

ζ0=f（ν′/）h， （7）

式中：f（ν′/）的變化視ν′/的大小而定，特別地，當(dāng)0＜ν′/＜0.5時(shí)，f（ν′/）≈ν′/；當(dāng)0.5＜ν′/＜2時(shí)，f（ν′/）呈曲線變化；當(dāng)ν′/＞2時(shí)，f（ν′/）≈1。

對岸距滑坡中心區(qū)距離為x的A點(diǎn)最高涌浪由下式給出

，（8）

式中：n取1、3、5…；？茲n為傳到A點(diǎn)的第n次入射線岸坡法線的交角；B為河道寬度；L為滑體寬度；k為波的反射系數(shù)，取0.9～1.0；x0為滑坡區(qū)中心到A點(diǎn)的水平距離。

根據(jù)潘家錚法，計(jì)算得到了該滑坡的最大入水流速為7.13 m/s，并推算出該滑坡發(fā)生在象鼻嶺居住區(qū)附近時(shí)涌浪高為3.52 m。

4.2.2? 中國水科院經(jīng)驗(yàn)公式法

中國水利水電科學(xué)研究院考慮水庫滑坡的滑速和滑體的體積因素，并建立了三者間如下的關(guān)系，入水點(diǎn)最大涌浪高度計(jì)算公式如下

hmax=k■V0.5 ， （9）

式中：k取0.12；V為滑坡體積，萬m3；u為滑速，m/s；hmax為最大涌浪高度，m；g為重力加速度，m/s。

距滑坡x點(diǎn)處的涌浪高度估算

h=k1■V0.5 ，? ?（10）

式中：k1為與距滑坡點(diǎn)距離有關(guān)的系數(shù)，可由k1-x0.5關(guān)系曲線查得（圖3）；n為系數(shù)，n=1.3～1.5；h為涌浪高度，m。

根據(jù)上述公式，計(jì)算出王家山滑坡在象鼻嶺地區(qū)的涌浪高度分別為2.09、5.67、6.54 m。

4.3? 影響評價(jià)

從滑速計(jì)算成果來看，如圖4所示，王家山滑坡在“暴雨+蓄水”工況下發(fā)生整體滑動(dòng)破壞的最大入水速度，根據(jù)潘家錚法、美國土木工程師協(xié)會推薦的計(jì)算公式、謝德格爾法分別為7.44、13.22、16.81 m/s。3種方法有各自適用的情況，但潘家錚法綜合了多種因素，既可以求解直線型滑坡體，又可以求解曲線型滑坡體，更符合實(shí)際情況。所以從整體上看，潘家錚法的應(yīng)用面要廣得多，得到的結(jié)論也要可靠得多。

從涌浪計(jì)算結(jié)果來看，如圖5所示，象鼻嶺居民點(diǎn)處的涌浪，潘家錚法為3.52 m，中國水科院經(jīng)驗(yàn)公式法分別為2.09、5.67、6.54 m，2種方法計(jì)算出的涌浪高度有很大差異，這是因?yàn)橹袊圃旱慕?jīng)驗(yàn)公式中包含了容積效應(yīng)，但中國水科院的不穩(wěn)定體體積很小，所以得到的涌浪高度要比中國水科院的低。潘家錚法則是綜合了多種因素，得到了較為合理的結(jié)論。

象鼻嶺居民點(diǎn)場平高程為827 m，僅高出正常蓄水位2 m。根據(jù)研究結(jié)果，在825 m“蓄水+強(qiáng)降雨”條件下，王家山滑坡發(fā)生整體滑移破壞，象鼻嶺居民區(qū)的涌浪高（潘家錚法）為3.52 m，而在地震條件下，涌浪高將更大，對居民區(qū)造成的沖擊災(zāi)害將有一定的影響。

5? 結(jié)論

本文以金沙江白鶴灘水電站王家山滑坡為研究對象，基于勘察資料及滑坡基本特征對滑坡整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)在“暴雨工況+蓄水”825 m下，滑坡整體失穩(wěn)，同時(shí)，通過4種不同的計(jì)算方法，對象鼻嶺居民區(qū)的涌浪高度進(jìn)行了估算，得出王家山滑坡總體失穩(wěn)破壞時(shí)，對居民區(qū)的涌浪高度為3.52 m。建議在象鼻嶺居民區(qū)采取適當(dāng)?shù)乃朔雷o(hù)措施，或在王家山滑坡上實(shí)施工程處理，確保居民區(qū)的安全。

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