库岸斜坡失稳及其涌浪灾害风险分析

2020-03-05罗冠枝高文伟王国卫蒋明光陈全明

中国地质灾害与防治学报 2020年1期

罗冠枝，高文伟，王国卫，蒋明光，陈全明

(1.湖南省地质环境监测总站，湖南长沙 410007；2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029)

0 引言

库岸斜坡失稳[1-2]及其引发涌浪问题是库岸斜坡灾害的一项重要研究内容，库岸斜坡失稳会导致岩土体快速入水激发涌浪，不仅危害水库及大坝，而且对库岸附近的建筑物及居民生命安全构成威胁。国内外已发生多起重大库岸斜坡失稳引发滑坡灾害的案例，造成了严重人员伤亡和财产损失，因此，开展库岸斜坡失稳及其涌浪灾害风险分析研究对指导库岸斜坡防灾减灾具有重要意义[3-7]。本文以湖南省麻阳县大水冲水库滑坡为例，探讨库岸斜坡失稳以及涌浪灾害风险分析预测，对于库岸斜坡失稳涌浪的预测、库岸边坡治理工程的实施、水库运营、下游居民的选址等提供参考依据，具有非常重要的现实意义。

1 大水冲水库滑坡概况

1.1 基本情况

滑坡位于湖南省麻阳县文昌阁乡罗家冲村3组大水冲水库旁(图1)，地理坐标为：东经109°35′24″(N)，北纬27°37′30″(E)。2011年2月，因连降大雨，斜坡发生明显变形，坡顶至前缘范围内出现大量鼓胀裂缝，滑坡损毁房屋1栋，直接经济损失15万余元。至2013年4月，裂缝又进一步加宽加深趋势。目前，中部和前缘居民已搬迁，只剩下后缘西晃山林场办公楼和宿舍。

图1 大水冲水库滑坡全貌Fig.1 Landslide panorama of Dashuichong reservoir

1.2 基本特征

图2 大水冲水库滑坡地质纵剖面示意图Fig.2 Schematic diagram geological profile of landslide on dashuichong reservoir

滑坡区属侵蚀剥蚀丘陵地貌，滑坡后缘高程406.6～409.7 m，前缘高程351.0～350.5 m，相对高差53.5～56.2 m。滑坡平面形态呈舌状，纵向剖面形态为前缘陡、中部稍缓、后缘陡，横向剖面形态为“V”形，地形坡度为25°～40°，局部坡度达55°(图2)。滑坡斜长约150 m，宽约130 m，滑坡体厚8.8～15.7 m，平均厚12.3 m，面积约1.95×104m2，体积约2.3985×105m3，规模等级为中型。滑坡主滑方向85°。

滑坡物质组成是第四系(Qel+dl)黄褐色残坡积碎石土，滑体表层为6.90～9.00 m土石混合体层，其中碎石含量占45%～70%，粒径一般为10～50 mm，最大为125 mm，充填约30%的黏性土，碎石呈棱角状，成分为板岩，该层分布于整个坡面(图3)。基岩为青白口系五强溪组(Qb2w)灰褐色强风化板岩(图4)，其下为强风化板岩，主要矿物成分已强烈风化，节理裂隙极发育。根据勘察实验，各地层岩土参数见表1。

表1 岩土的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

图3 土石混合体Fig.3 Soil-rock mixture

图4 灰褐色强风化板岩Fig.4 Grey-brown strong weathered slate

根据调查资料，2011年2月，因连续突降暴雨，该斜坡发生明显变形破坏，前缘水库边竹林内出现大量鼓胀，中部居民房屋出现大量变形破坏，后缘坡顶西晃山林场院内出现明显拉张裂缝，后缘裂缝最初宽10～30 mm，可见深度0.1～0.3 m，最长达70余米，滑坡变形见图5～图10。

图5 前缘竹林歪斜Fig.5 The bamboo forest is skewed

图6 前缘出现大量鼓胀变形Fig.6 A lot of bulging deformation appeared at front

图7 中部房屋墙体出现开裂Fig.7 Cracks in the wall of building at the middle part

图9 院内出现裂缝Fig.9 Cracks appeared in the yard

图10 办公楼墙体变形破坏Fig.10 Deformation and destruction of office building wall

2 滑坡危险性分析

根据坡体的结构特征，含碎石土的饱和渗透系数建议采用6.9×10-6m/s，饱和度为84.3%，采用Van Genuchten模型评价不同基质吸力下含碎块石土的渗透系数(图11)。由于基岩透水性弱，这里假设滑床为均一性的不透水材料。在此基础上，采用Geostudio软件进行10年和50年一遇5日累积降雨的滑坡稳定性模拟分析，图12～图15为不同工况滑坡稳定性状态分布情况。

图11 滑体水土特征曲线(体积含水量随孔隙水压力的变化、渗透系数随孔隙水压力的变化)Fig.11 Soil and water characteristic curve of sliding body (volume water content changes with pore water pressure, permeability coefficient changes with pore water pressure)

图12 工况Ⅰ(自重+水库349 m)滑坡稳定性Fig.12 Condition I (self-weight & 349 m of reservoir) slope stability

图13 工况Ⅱ(自重+水库353 m)滑坡稳定性Fig.13 Condition II (self-weight & reservoir 353 m) slope stability

图14 工况Ⅲ(自重+水库353 m+10年一遇暴雨)滑坡稳定性Fig.14 Condition Ⅲ (self-weight & 353 m of the reservoir+a rainstorm in 10 years) slope stability

图15 工况Ⅳ(自重+水库353 m+50年一遇暴雨)滑坡稳定性Fig.15 Condition Ⅳ (self-weight & 353 m of reservoir+once rainstorm in 50 years) slope stability

在滑坡渗流场分析的基础上，利用Slope模块对不同工况下滑坡的稳定系数和破坏概率进行计算，结果见表2。当滑坡处于低水位天然状态下时，稳定系数最高为1.703；在库水位升高时，稳定性随之降低为1.540，但也处于稳定状态，在降雨工况下，稳定系数随着降雨量的不断增大而降低。滑坡在10年一遇暴雨工况下，滑坡的稳定系数降低为1.048，而在50年一遇暴雨工况下，滑坡稳定性系数为0.976，处于不稳定状态。

表2 不同工况下的稳定性系数Table 2 Stability coefficient under different working conditions

3 灾害影响范围内承灾体易损性分析

根据现场调查，大水冲水库滑坡范围内承灾体主要考虑为：经济承灾体(建筑、大坝和土地)和室内人员。主要威胁坡体上西晃山林场建筑及员工，对滑坡影响范围内的使用建筑物进行编号，按照办公室及住宅分布计算，共影响65人，详细调查结果见表3。将滑坡影响范围内的经济体进行估算，主要涉及办公楼、室内财产以及滑坡影响范围内的土地价值，本次调查以调查人口及办公场所为主，房屋建筑面积根据勘察资料给出。通过对房屋居住的调查显示，在其中一间房子中每天呆18的小时，人员的时空概率为P(S∶T)=0.75。滑坡体上的建筑物由于滑坡的整体破坏易于整体倒塌破坏，故易损性取1。室内人员的易损性随建筑物的易损性增加而增加，在滑坡体上由于滑坡的整体下滑，人员的易损性最高，即人员的易损性也取1。

表3 滑坡影响范围内承灾体调查表Table 3 Investigation of disaster-bearing bodies within the scope of landslide influence

4 滑坡风险分析

4.1 经济风险计算

地质灾害的定量风险评价涉及地质灾害的频率分析及承灾体的易损性计算[8]。对于财产风险，可用下列计算公式计算：

R(prop)=P(H)×P(S∶H)×P(S∶T)×V(props)×E

(1)

式中：R(prop)——财产风险；

P(H)——滑坡失稳概率；

P(S∶H)——滑坡到达承灾体的概率；

P(S∶T)——承灾体时空分布概率；

V(props)——承灾体针对某一滑动事件的易损值；

E——承灾体价值。

4.2 人口风险计算

对于人的生命损失，单人风险可采用下式计算：

R(LOL)=P(H)×P(S∶H)×P(S∶T)×V(D∶T)

(2)

式中：R(LOL)——个体的风险值；

P(H)——滑坡失稳概率；

P(S∶H)——滑坡到达承灾体的概率；

P(S∶T)——承灾体时空分布概率；

V(D∶T)——人员的易损性，在一定的灾害事件下人员的易损程度。

4.3 经济和人口风险各概率值计算说明

根据张茂省等[9]，唐亚明等[10]提出的概率值分析方法来进行分析计算。

滑坡的失稳概率P(H)：即滑坡发生的概率，滑坡发生概率是一个比较复杂的问题，一般可以用以下三种情况进行表述：①是指在研究区内具备一定特征的滑坡在一年之内的发生数量；②在给定期限内(一般为一年)特定的边坡发生滑动的概率；③下滑力超过抗滑力的概率或可能性。本文通过下滑力超过抗滑力的概率或可能性的方式，利用Slope/w模块计算滑坡破坏概率作为滑坡的失稳概率(表2)。

滑坡到达承灾体的概率P(S∶H)：其取决于滑坡体与承灾体的相对位置及滑坡可能的运动路径。它是一个取值在0～1的条件概率。本文对位于滑坡体上的建筑物和人员来说取P(S∶H)=1。

承灾体时空分布概率P(S∶T)：也是一个条件概率，这个概率值也在0～1。建筑物位于在滑坡体上其时空概率P(S∶T)为1；人员的时空概率为0.75。

承灾体的易损性(V)和承灾体价值(E)：对财产来说，用0(没有破坏)到1(完全破坏)来表示其易损性；对人员来说，也用0(没有伤害)到1(死亡)来表示其易损性。承灾体价值可根据当地的市场价格予以估算，利用建筑物的概算价格确定不同楼体的经济价值。

4.4 室内人员风险

该滑坡影响范围内共有西晃山林场职工65人，根据以上公式可分别计算出不同工况下室内人口风险值，详细计算情况见表4。

表中给出了四种工况下所有房屋室内人员风险值，水库水位升高及降雨都导致了室内人员风险值的增大，在工况自重+水库353 m+50年一遇暴雨工况下室内人员的风险值最大，达到27.8。

表4 不同工况滑坡室内人员风险值计算表Table 4 Calculation of risk value of indoor personnel under different working conditions

4.5 滑坡经济风险

按照承灾体经济价值调查结果，结合财产计算公式可计算滑坡不同区域、不同工况下的财产损失，详细计算结果见表5。

结果表明，水库水位升高及暴雨都会导致滑坡经济风险值增大，水位升至353 m+50年一遇暴雨工况下经济风险达到249.3万元，其中土地风险值为0.6万元，房屋及其室内财产风险值为236.9万元，水库风险值为11.8万元。

表5 四种工况滑坡经济风险值计算表(万元)Table 5 Calculation table of economic risk value of landslide under four working conditions (ten thousand yuan)

为了使得滑坡风险值直观展现且便于决策部门做出最优决策方案，将滑坡体本身影响范围内的建筑物及室内人员风险值展示见图16和图17。

图16 不同工况下建筑物风险变化图Fig.16 Risk variation charts of buildings under different working conditions

图17 不同工况下室内人员风险变化图Fig.17 Risk variation diagram of indoor personnel under different working conditions

4.6 滑坡涌浪风险分析

4.6.1滑坡涌浪计算方法

(1)美国土木工程协会推荐的滑坡速度计算方法(修正)：

(3)

根据对水阻力的计算，将美国土木工程协会推荐公式进行修正，设滑坡的初始速度为零，则滑坡入水时的速度为：

a=g(sinα-cosαtanφ)-CL/m-Cwρfv2S

(4)

(5)

其中：W——滑体单宽重量；

C，φ——滑面岩土体的内聚力(kPa)和内摩擦角/(°)；

α——滑面平均倾角/(°)；

CW——粘滞阻力系数，取0.15～0.18；

v——水下运动速度/(m·s-1)；

S——迎水面积/m2；

H——入水部分滑体重心距离水面的高度/m；

m——滑体质量/kg；

L——滑面长/m。

(2)滑坡入江体积计算

库岸斜坡失稳引发滑坡后，滑坡进江条块运动过程中受到水体阻力与条块速度的平方成正比，使得滑坡各条块入水时速度总体趋势呈现先增大后减小。在已取得滑坡各条块运动速度的基础上，取滑坡静止时入水条块的总体积为滑坡入江体积。

不同金属离子对壳聚糖酶酶活性的影响，Mg2+，Ca2+，Zn2 +，Mn2+，K+，Na+和Cu2+等离子是该酶的激活剂，Fe2+，Hg2+，Co2+和Ag+等离子对该酶有强烈的抑制作用。例如Wang等在研究Serratia marcescens TKU011菌株中得出Mn2+，Cu2 +也可作为该酶的抑制剂。

(3)涌浪计算

为了探讨滑坡初始涌浪高度，潘家铮[11]提出初始浪高的计算方法，按库岸斜坡变形分为水平运动和垂直运动两种，当库岸斜坡发生水平运动时，引发的初始浪高可表示为：

(6)

当库岸斜坡发生垂直运动时，引发的初始浪高可用下列函数表示：

(7)

式中：ξ0——引发的初始涌浪高度/m；

H——水库平均水深/m；

v——库岸斜坡水平运动速度/(m·s-1)；

v′——库岸斜坡垂直运动速度/(m·s-1)；

(4)滑坡涌浪在爬坡高度计算

在计算涌浪爬坡高度时考虑斜坡坡角及爬坡方位角两方面[12-13]。对于斜坡坡度的影响而言，斜坡坡度越大，涌浪爬坡高度越小，其关系可表示为

(8)

式中：Δh——爬坡高度(该高度从静止水面算起，已包括涌浪高度)；

hc——库岸边的涌浪高度；

α——斜坡坡脚(rad)。

对于爬坡方位角的影响而言，爬坡方位角越大，涌浪爬坡高度越小，其关系可表示为

(9)

式中：Δh1——爬坡高度(该高度从涌浪表面算起，不包括涌浪高度)；

β——爬坡方位角。

根据式(8)和式(9)，可以得到涌浪爬坡高度综合估算式：

(10)

4.6.2滑坡涌浪计算结果

根据稳定性计算结果，该滑坡仅在自重+地下水+水库353 m+50年一遇暴雨工况下发生滑动，为最不利工况，按照美国土木工程协会推荐的速度计算公式对滑坡入江速度进行了计算，按运动方程分条块的公式计算了滑坡入江体积，按潘家铮中垂直运动时的公式计算了初始涌浪。计算参数见表6，结果见表7。

表6 涌浪计算表Table 6 Calculation table of surge

根据勘察资料，主坝校核洪水位353.75 m，设计洪水位350.5 m，水库坝体迎水面的坡度为22.5°(rad=0.392 7)，根据从水库坝体与滑坡方向的关系，取β以最不利计算，取值为0度，根据上述公式可计算得到，在工况Ⅲ、Ⅳ下涌浪水库处爬坡高度分别为10.2 m和15.0 m，因此，涌浪会产生翻坝，涌浪的影响范围包括坝体下游沟谷及沟口处的建筑。

表7 滑坡入江速度、入江体积与初始涌浪计算表Table 7 Calculation table of landslide entry velocity, volume and initial surge

4.6.3滑坡涌浪风险初步分析

根据涌浪危险性和承灾体易损性，可计算滑坡产生涌浪的风险情况[14-15]。涌浪风险计算公式一般表述为：R=HV(R为风险值；H为危险性值；V为承灾体易损性值)。

选择斜坡失稳时产生涌浪最大影响范围作为承灾体的调查依据，承灾体对象主要为沟口居民和坝体。根据计算可知滑坡在工况Ⅳ条件下产生的涌浪影响范围最大，具体影响范围见图18，并且涌浪会产生翻坝，由德尔菲法取危险性值为0.6，会对沟口居民产生影响，但根据现场调查，沟口居民距离水库较远，房屋均为砖混结构，沟口居民处溢洪道修建完整且合理，涌浪翻坝产生洪水的能够及时且安全排泄(图19)，取易损性值为0.1，因此，风险值R=0.06，对沟口居民安全造成威胁小。