一种滑坡模拟控制系统技术和应用

2021-02-01黄智敏钟勇明陈卓英

广东水利水电 2021年1期

黄智敏，付波，钟勇明，陈卓英

(1.广东省水利水电科学研究院，广东广州 510635；2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广东广州 510635)

1 概述

水库库岸岩体若存在着断层、裂隙、风化以及软弱夹层等恶劣地形和地质条件下，工程建设后水库蓄水位变化及出现降雨、地震等情况时，不稳定的岩体极易崩塌、下滑进入库区内，在库区内激起巨大的涌浪，给库区两岸坡、下游挡水大坝产生巨大的水浪和动水压力，危及库区岸坡和大坝的安全；同时，涌浪会翻越挡水大坝，给大坝下游建筑物及城镇居民造成严重的危害。

据有关文献介绍，国内外部分水库库区曾发生过严重的滑坡事件，造成较大的灾害。我国的柘溪水电站、三峡库区等曾发生滑坡崩塌事件，造成了不同程度的事故和灾害。我国的部分水电站(如乌江渡水电站、三峡水电站等)库区的库岸存在着不稳定的岩体，有可能形成滑坡崩塌，因此，在工程建设的前期，开展了相关的滑坡涌浪模型试验研究，并对不稳定的岩体进行处理[1]。

因此，根据具体工程存在的滑坡体情况，开展相关库区库岸滑坡涌浪影响水力模型试验研究是十分必要的。本文在对国内现有的滑坡体滑坡模拟试验方法总结的基础上，介绍一种“滑坡模拟控制系统”的技术及其应用，供类似工程滑坡体滑坡涌浪水力模型试验研究参考。

2 国内滑坡模拟试验方法简介

据有关文献的介绍，国内已开展的有关工程库区或河道岸坡滑坡体滑坡涌浪模拟试验主要有：

1)碧口水电站青崖岭滑坡体滑坡模型试验[1]，其滑坡体的滑动面采用水泥砂浆制作，将装载滑坡体材料(砂卵石)的滑车从滑动面下滑；在滑坡面上安设电接触点、示波仪等，测量和记录滑坡体的下滑速度。

2)黄河小浪底水库的一、二号坝址滑坡体模拟：在滑坡面上铺设由白铁皮镶嵌玻璃球的活动板(玻璃球直径d=2.5 cm、间距5 cm)模拟滑动面；同时，在该活动板上铺设1块白铁皮为滑坡体的底面，其上放置滑坡体的模拟材料。大、小西沟滑坡体模拟：在滑动面上铺设钢轨，钢轨上安放滚珠轴承小车，小车上放置滑坡体材料，来模拟滑坡体下滑情况。滑坡体滑速测量采用光电管讯号装置，以示波器记录讯号，再换算出沿程滑速[2]。

3)河海大学水利水电科学研究所的滑坡体滑坡模型试验[3]。将滑坡体设计为两个半箱组合体，同时将滑坡面设计为可在π/6～π/2调整的活动板，以模拟不同的滑速；并在滑坡面的滑道上装有行程开关，以量测滑坡体的下滑速度。

经分析，上述的滑坡体滑坡模拟方法是将滑坡体放置在库水位以上一定的高度，通过滑坡体自重下滑加速，进入库水面以下水体内，从而产生滑坡涌浪。这些方法模拟水库水面之上的滑坡体下滑，其试验成果精度较高；而模拟水库水面之下的滑坡体下滑，则会产生一定的偏差。

3 “滑坡模拟控制系统”技术简介

3.1 “滑坡模拟控制系统”的构成

1)本文研制的一种滑坡体滑坡模拟控制系统见图1所示，主要由计算机测控系统、空气压缩机、机械推动装置等组成。

图1 “滑坡模拟控制系统”示意

该控制系统各部分的主要构成和作用为：

① 计算机测控系统包括控制单元、测量单元和计算机等。该系统由计算机设定滑坡体滑坡的工作参数，并经控制单元控制空气压缩机的加压压力值；该压力值经测量单元反馈到计算机内之后，再由计算机通过控制单元开启机械推动装置的换向控制阀对空气压缩机的压缩气体进行导向，使气缸的推杆启动，推动滑坡体下滑运动。

② 空气压缩机是整个系统的动力来源，是将电动机的机械能转换为空气压力能的装置，空气压缩机上设置有压力传感器和加压控制等。

③ 机械推动装置包括有气缸、推杆(以及与推杆连接的推板)、倾斜度调整装置、推杆支撑装置和底座等。机械推动装置的换向控制阀通过气管连接空气压缩机，换向控制阀对压缩气体进行导向，决定气缸中推杆的启动、停止和运行方向；机械推动装置推杆行程的两端各安装一个接近开关，作为控制推杆行程的行程开关，同时兼作推杆启动和停止的信号输出开关，以计算推杆完成整个行程所需的时间及推杆运行的速度；两接近开关的信号输出端均用信号电缆连接至测量单元。

2)“滑坡模拟控制系统”的工作原理为：在给定的库区或河道岸坡滑坡体的方量、滑动面坡度、滑动面摩擦系数、下滑速度等参数条件下，经率定之后，将满足上述滑动过程的参数输入计算机内，由控制单元将计算机工作参数转为信号输入到空气压缩机的加压控制端，确定空气压缩机加压的压力；空气压缩机的压力传感器将压力信号传送到测量单元，进一步反馈到计算机，若空气压缩机加压压力与计算机设定的压力值一致，则计算机通过控制单元开启换向控制阀对空气压缩机的压缩气体进行导向，使气缸中推杆启动，推动滑坡体下滑。

因此，本模拟控制系统操作方便和简单，既能产生较大的推力和较高的滑动速度，同时成本又相对低廉。

3.2 “滑坡模拟控制系统”的工作参数

本“滑坡模拟控制系统” 的工作参数为：

① 推杆的最大推动力P=24.5 kN；

② 滑坡体的滑动速度根据试验需要可调，最大滑动速度u=2 m/s；

③ 可根据滑坡的坡度调整推动的角度，系统的角度调整范围为0～35°；

④ 推动的行程根据试验需要可调，推杆最大行程为1.6 m；

⑤ 模拟试验结果数据(如滑坡体重量、速度、行程、坡度等)，由计算机实时记录并显示。

4 滑坡体滑坡试验及分析

为了分析对比“滑坡模拟控制系统”和传统滑车的两种不同滑坡体下滑模拟方法的试验效果，本文采用这两种滑坡模拟方法，对广东省乐昌峡水电站库区松山子滑坡体的滑坡涌浪影响试验成果进行分析。

4.1 松山子滑坡体特点

乐昌峡水电站库区位于峡谷河段，库区水面狭窄，坝址至松山子滑坡体区域河床高程约92.0～100.0 m，正常蓄水位(154.5 m)的库区水面宽约为120～400 m。库区两岸山体坡度约为40°～60°，山顶高程为300.0～900.0 m；两岸坡沟谷较发育，岩体破碎、劈理发育，普遍分布着变形边坡和崩塌体，稳定性较差。

松山子滑坡体位于坝址上游右岸约2.6 km处，分布高程为100.0～245.0 m，总方量约为95.3×104m3。滑坡体平面近似为长条锥形，其投影总长约为 250 m、平均宽约为120 m，滑移面坡角约为20°，主要由全风化绢云母石英砂岩、板岩等组成，厚度约为30～40 m(见图2～3)。

图2 乐昌峡库区松山子滑坡体位置示意

图3 松山子滑坡体剖面示意

4.2 水力模型试验简介

松山子滑坡涌浪水力模型为几何比尺1：150的正态模型。模型范围为坝址上游6 km的库区。模型试验的滑坡量根据实际的滑坡量，由模型比尺换算进行模拟；模拟材料采用边长为5 cm和10 cm的砼正方体[4]。

4.3 “滑坡模拟控制系统”试验成果

松山子滑坡体底部高程约98.0 m，在水库正常蓄水位154.5 m条件下，滑坡体下部淹没在库水位之下。本文采用“滑坡模拟控制系统”来模拟松山子滑坡体下滑速度和过程，不同下滑速度u产生的库区涌浪、滑坡区域对岸山坡涌浪爬高、挡水大坝上游坝面承受的涌浪动水压强等试验成果可见文献[4]～[5]。

试验表明[4-5]，滑坡体以不同下滑速度u滑动时，塌落的山体在入水库区激起巨大的涌浪，冲击对岸山坡，并向库区上、下游河道快速传播，其特点为：

1)滑坡入水库区激起的涌浪为库区涌浪峰值，涌浪迅速冲击对岸山坡，山坡面产生明显的涌浪爬高，其涌浪爬高为库区岸坡涌浪爬高的最大值。

2)滑坡入水库区的涌浪快速地向库区上、下游河道传播；涌浪传播过程中呈衰减状，约在历时8 min之内，库区涌浪的水位壅高值ΔZ<1.5 m(ΔZ为库区测点涌浪水位与滑坡前库水位的差值)。

3)库区涌浪传播受下游挡水大坝阻挡之后，大坝上游坝面水位窜升壅高，产生附加的涌浪动水压强。

在库水位154.5 m、滑坡速度7.0 m/s下滑时，测试的滑坡区域对岸山坡涌浪爬高高程Z0为159.5 m、涌浪相对爬高高度ζ0为5 m，其下游挡水大坝上游坝面涌浪高程Zb为157.1 m、涌浪相对爬高高度ζb为2.6 m(见表1)[4]。

表1 不同模拟方法的滑坡区域对岸山坡和上游坝面涌浪爬高比较 m

4.4 滑车滑动模拟方法试验成果

4.4.1试验方法

参考国内现有的滑坡体滑坡模拟方法，滑坡体的滑动面用水泥砂浆抹成，将滑坡体材料(砼块)放在滑车上，由光电测速仪量测滑坡体通过给定滑距的时间，计算出相应的下滑速度u。

4.4.2试验成果

在库水位154.5 m、滑坡速度7.0 m/s下滑时，滑车入水瞬间溅起的水花比“滑坡模拟控制系统”模拟滑坡体下滑入水的水花要大一些；滑车进入库区水体后，滑车上的滑坡体相对较不易松散。

测试的滑坡区域对岸山坡涌浪爬高高程Z0为160.2 m、涌浪相对爬高高度ζ0为5.7 m，其下游挡水大坝上游坝面涌浪高程Zb为157.5 m、涌浪相对爬高高度ζb为3.0 m(见表1)。库区和挡水大坝上游坝面的涌浪爬高高程、涌浪相对爬高高度比“滑坡模拟控制系统”的试验值略大一些，相对差值在允许的范围内。