弯道段水库岩体滑坡涌浪首浪高度分析

摘要：三峡水库蓄水时，由于高水位运行效应影响，潜伏地质隐患的斜坡可能会因此而形成滑坡，导致边坡塌滑和库水涌浪。当块体急剧滑入水中，产生初始涌浪。通过库区河段概化模型试验，结合不同水深、不同滑坡体下滑角、不同滑体厚度及宽度等的影响，通过多组试验工况，用线性回归方法得出岩体滑坡涌浪首浪高度的经验计算公式，为库区护岸的整治工程和港口码头的坝顶高程设计及岩体滑坡灾害预报提供了合理的参考价值。

关键词：山区水库；岩体滑坡；涌浪；首浪高度；试验研究

0、引言

滑坡涌浪的首浪高度是指在滑坡入水点产生的最大波高即初始浪高。初始浪高的大小反映了滑坡能量的大小和涌浪的破坏程度，首浪高度可以作为判断涌灾害的依据。水库蓄水后，库区内大量潜伏地质隐患的斜坡可能会暴露成灾，导致大面积的边坡塌滑激起巨大的涌浪，可以摧毁库区建筑物，在坝顶大量漫水会给下游造成巨大水灾，带来极大的危害。

目前在国内研究方面，潘家铮[1]在考虑滑坡体的水平和垂直运动实验，提出了关于滑坡涌浪的计算方法。王育林[2]等通过实验研究了链子崖峡谷型河道涌浪高度的问题。胡小卫[3]在水槽试验中研究了三峡水库土体滑坡涌浪特性。任坤杰[4]等采用散体模拟方式研究了首浪高度的影响因素。汪洋[5]等将滑坡入水过程中条分模型和指数模型结合起来，对涌浪高度进行了叠加求解。国内的模型试验几乎都是在顺直的水槽中或针对某个具体的工程实例概化后进行的，河道模型过于理想化，缺少弯曲段涌浪特性试验研究；对涌浪的传播规律研究还比较弱。因此，开展本项目研究是很有必要且迫切的。

1、试验模型布置及测量仪器

1.1 模型布置

河道模拟弯曲河段，概化对象为万州江南沱口码头段，直道段采用概化模型，弯曲河道段弯曲角度为90°，弯曲河道段采用实际地形进行模拟。拟模控制水深根据三峡水库枯水期最低消落水位（死水位）145米、防洪限制水位155米、及正常蓄水位175米。河道概化段的底部平均高程为93.2米。模型采用1：70的概化模型，概化后模型宽8米。中心线总长约52米。对应水深分别为0.74m、0.88m、1.16m。岩体滑块为长方体，长度1m，通过宽厚比控制滑体体积。选20?、40?、60?作为岩体滑坡的滑面坡度。滑坡前缘处于临水状态，这样滑坡体势能只与滑块体积及入水角度有关。滑坡岩体下滑过程中因存在裂隙发育而散体化，所以滑坡体由不同大小的小块体按不同方式进行组合。根据滑面坡度、库区水深、块体大小，试验采用单因子方案设计，共81组工况。滑坡体根据密度相似，采用库区泥岩和砂岩的平均密度作为滑坡体密度。

图1 浪高测点布置图（单位：m）

1.2测量仪器与方法

用超声波浪采集分析仪测波高和周期，采集时间一般为200s，采集频率为25Hz。需要测量区域为：直道区域、弯道区域、过弯后区域和直道远端区域，测量初始涌浪和沿程涌浪，共8个断面16个测点（如图1）。

2、首浪高度分析

2.1首浪高度影响因素分析

影响岩体滑坡涌浪首浪高度的主要因素有滑坡体厚度、宽度、下滑坡度、库区水深。其中滑坡体的体积和总势能由滑体的宽度和厚度控制，下滑速度由滑面角度决定，水体介质状态则由库区水深控制。由分析结果得出结论：

同种体积的块体，滑坡体下滑角度越大，滑速越大，初始浪高值也越大；水深越大初始浪高能量消耗越大，初始浪高值越小；寬度的增加，导致能量交换整体动能和固液接触面增加，能量交换率提高，首浪高度增大；岩体滑坡体的厚度越大，其体积越大，初始能量越大，在水体交换中，首浪也就越大。

通过极差分析可以得出，滑坡体的宽度对首浪高度的影响较大，滑坡体的厚度影响较小，滑坡体下滑角度影响较大，库区水深影响较小；通过方差分析得出，滑坡体的宽度、厚度和滑面下滑角度对首浪高度影响较为显著，水深影响不显著。

2.2 首浪高度的计算公式

首浪高度的经验分析法是以能量转换和参数分析为理论基础，再由物理模型试验资料确定其中的参数，通过回归分析计算出岩体滑坡涌浪的经验计算公式。通过对影响首浪高度参数的无量纲和多元回归分析，得出岩体滑坡的首浪经验公式。设b、c、β、h分别为滑坡体宽度、厚度、下滑角度、库区水深。对初始浪高H首浪及其影响参数进行无量纲化后，分别得出： 、 、 、 。通过多元线性回归分析计算，得出岩体滑坡涌浪的首浪高度计算经验公式：

（1）

（2）

（3）

通过三个公式的分析和比较，公式（3）精度较高，故确定公式（3）为本次试验控制体积范围内岩体滑坡涌浪首浪高度的经验计算公式，对实际滑坡涌浪有一定参考价值。

3、结语

本次试验采用概化模型模拟三峡库区一段典型的岩体滑坡，根据不同水深，滑坡下滑角度等因素设计不同组合的长方体滑坡块体，很好的模拟了岩体滑坡涌浪过程。

试验总共81组，根据这些数据分析了岩体滑坡涌浪的首浪高度，运用线性回归方法得到了首浪高度的经验计算公式，并运用公式对各个工况初始涌浪进行验证，选出最合适公式。

参考文献：

[1]潘家铮.建筑物的抗滑稳定和滑坡分析[M].北京：水利出版社，1980.

[2]王育林，陈凤云，齐华林等.危岩体崩滑对航道影响及滑坡涌浪特性研究[J].中国地质灾害与防治学报，1994，5（3）：95-100.

[3]胡小卫.山区河道型水库滑坡涌浪特性研究[D].重庆交通大学，2010.

[4]任坤杰，韩继斌，陆虹.滑坡涌浪首浪高度研究[J].人民长江，2012，43（2）：43-47.

[5]汪洋，殷坤龙.水库库岸滑坡初始涌浪叠加的摄动方法[J].岩石力学与工程学报，2004，23（5）：717-720.

作者简介：贺仁品（1988——），男，汉族，湖北，河海学院水利系，硕士研究生，主要从事水利工程及港口与航道方面的研究工作。