云南某大规模堆积体变形破坏与涌浪分析

2014-12-08王雍

中国科技纵横 2014年19期

关键词：条块堆积体滑面

王雍

（中电投云南国际电力投资有限公司,云南昆明 650000）

云南某大规模堆积体变形破坏与涌浪分析

王雍

（中电投云南国际电力投资有限公司,云南昆明 650000）

对云南某大规模堆积体变形破坏模式进行涌浪分析,研究其危害性,为工程界大规模堆积体的滑坡涌浪分析提供借鉴参考。

堆积体变形破坏涌浪

1 滑坡涌浪分析计算原理

滑坡体失稳产生最大涌浪高度主要受滑坡体规模与滑动速度两个关键因素影响。滑坡体失稳后运动过程十分复杂,滑速很难精确计算,目前滑速计算公式主要是根据能量守恒或动量守恒方程进行求解,其中代表性的方法为能量法和潘家铮提出的垂直条分法。涌浪高度的影响因素更为复杂,目前还没有通用的计算方法。现阶段,滑坡引起涌浪高度的求解方法包括模型试验法与计算法两种,其中计算法主要有中国水利水电科学研究院经验公式法、美国土木工程学会建议的推算法、潘家铮法等,这些方法仍停留在经验或半经验的基础上。

1.1 能量法滑速计算

能量法将滑坡体的运动视为匀加速运动,并利用经典的牛顿运动定律进行求解,运动基本方程为:

式中,α0为滑面滑出倾角,u为滑面上孔隙水压力,f、c分别为滑面摩擦系数与凝聚力,m为滑体单宽质量,g为重力加速度,a为滑体加速度,l为滑距。滑体最大运动速度Vmax计算公式为:

式中,H为滑体重心至水面高度。若不考虑c值,则式（2）可简化为:

图1 垂直条块i上作用力图

图2 堆积体分区平面图

当滑面为非平面时,可取f,α0平均值作近似计算。

1.2 潘家铮法滑速计算

将滑坡体运动视为平面问题,选择代表性剖面作为研究对象,将滑体划分为一系列具有垂直界面的条块,假定条块界面滑动后仍保持垂直,条块i上作用力如图1所示,有作用在滑面上法向反力i、孔隙水压力Ui,有作用在界面上的作用力H和H+△Hi、Q和Q+△Qi。若忽略条块界面上的剪力Q,且假定水平向加速度和垂直向加速关系式（4）近似成立:

根据牛顿运动定律推导,ax的表达式为:

求出水平加速度ax后,便可利用运动学原理求出不同时段滑体的速度v、运行距离L等。对于库区滑坡,当滑坡体冲入水中时,其迎水面还受到水的阻力,此力取决于滑速及挡水面积,其方向与滑动速度相反,根据流体力学,阻力表达式为（6）:

式中,CD为一个系数,通常取1．5～2．0,A为水下滑体在垂直流速方向的投影面积,ρ为水的密度,V为滑体速度。再根据式(5)有（7）式成立:

上式中,条块的速度Vi采用条块前一个时间段的速度。一旦不同时刻的水平向加速度ax求出,则各条块不同时刻竖直方向的运动加速度ay可根据式（4）求出,根据运动学原理,问题便迎刃而解。需要指出,水下条块自重按浮容重计,水上条块按天然容重计。

图3 堆积体各分区变形关系与趋势图

图4 滑坡体剖面图

图5 滑速v随时间t的变化曲线

图6 水平加速度随时间t的变化曲线图

表1 潘家铮法涌浪计算结果

表2 能量法涌浪计算结果

1.3 滑坡涌浪高度计算

滑速一旦计算出来,就可以计算出滑体入水时可能产生的最大涌浪高度,这里只介绍目前国内常用的中国水利水电科学院的经验公式法。滑体入水前最大涌浪高度的计算公式为:

式中:K为综合影响因子,一般取0．18,U为滑体体积,单位为104m3,V为滑速,单位为m/s,ηmax为最大涌浪高度。距滑坡处x处的涌浪高度的估算公式为:

式中,K1为与滑坡点距离x有关的函数,当x=2000m时,K1=0．08,当x=5000m时,K1＝0．05,当x＝12000m时,K1＝0．02;n=1．4;η为涌浪高度。

2 工程概况

云南省金沙江一级支流上某水电站水库总库容7800万m3。库区左岸上游约1～2公里处变形堆积体规模巨大,达3300m3,分布在高程990m～1662m之间。2010年12月工程下闸蓄水后,堆积体变形较大,其危害性引起建设单位高度重视。(如图2所示)

3 变形破坏机理与涌浪分析结果

3.1 变形破坏机理

该堆积体主要为碎石混合土层和碎石层组成,结构骨架作用强,透水性强。稳定性研究成果表明,堆积体在地震、库水位快速下降或连续暴雨等不利工况下,整体下滑可能性很小,主要变形破坏形式为蠕滑或分散式解体下滑。根据地形地貌特征、裂缝分布和变形方向,将堆积体划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个基本区,三区存在着牵引式变形影响关系。2011年雨季Ⅰ-1和Ⅰ-4子区前缘塌滑,首先变形,牵动后部Ⅰ-2和Ⅰ-3子区变形;Ⅰ区的变形牵引Ⅱ区在2012年雨季发生较大变形。其中Ⅱ区的前缘Ⅱ-3子区受后部子区向前变形挤压,向河床变形趋势明显。Ⅲ区基本无明显变形,各区变形趋势见图3。

3.2 涌浪计算分析

稳定性较差的堆积体子区主要是Ⅰ-1区、Ⅰ-4区和Ⅱ-3区,其中Ⅱ-3区滑坡产生的坝前涌浪最高,最具代表性。Ⅱ-3区位于上游库区距离大坝1km,分布在库水位以上150m～200m处,底部发生局部滑动失稳时,假定滑坡体从边坡滑出后从高空坠入江中,滑坡体单宽体积1798m3,平均宽度25m,相应总体积4．49万m3。（如图4所示）

涌浪分析的关键参数是滑面的抗剪强度,此处采用滑面的残余抗剪强度参数来模拟滑坡失稳后的运动状态。滑面强度参数取值为:φ=20°,c=0kPa,同时对滑面的摩擦角φ=18°、φ=22°、φ=24°这三种情况进行敏感性分析。本文采用潘家铮法和能量法对比计算,分析预测滑坡产生的涌浪高度,计算滑动体的运动参数见图5和图6,计算结果分别见表1和表2。

从计算结果可以看出,因为滑裂面剪出口的倾角较陡,其滑坡速度随时间的发展而不断增加,但其加速度随时间的发展而不断减小。当滑面的摩擦角φ=20°时,采用潘家铮法获得的最大滑速为13．5m/s,采用能量法获得的滑坡体速度达40m/s。考虑到Ⅱ-3区位于正常蓄水位以上约150m处,当滑坡体自滑床处剪出后,在自重的作用下将不受滑面的约束而作自由落体运动,因此,认为采用能量法进行滑速计算更加合理,滑坡涌浪计算结果以能量法的滑速计算结果为准。当φ=20°时,滑坡体失稳时传递至大坝处的最大涌浪高度约为5．8m,考虑坝顶超高及防浪墙的影响,导至翻坝的涌浪高度应大于7．0m,因此,滑坡涌浪对大坝及附属建筑物的影响较小;此外,鉴于滑坡体的方量很小,发生堵江的可能性很小,同时产生水库淤积而导致库容减小的影响很小。滑坡涌浪对工程运行总体不会产生大的安全影响。(见表1、表2所示)