某水電站庫區變形體滑坡涌浪初步分析

谷 健

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 前 言

理論界對于滑坡涌浪的理論預測方法研究主要基于兩個方面:一種是從流體力學出發，通過物理力學定律導出數學模型;一種是通過常數與函數的量綱分析和經驗歸納得出合適的理論公式。主要方法有潘家錚算法、北京水電科研院算法、諾達(Noda．E)方法、凱姆夫斯和包爾榮(Kamphis，J．W and Bowering，R．J方法 1972)、R．L．Slingerland and B．volght方法(1972)、瑞士方法(1982)、模型試驗法等［1］。本文采用較常用的潘家錚法對某水電站庫區變形體滑坡涌浪進行分析計算。

2 庫區變形體概況

該水電站系四川省境內雅礱江干流上的一個梯級電站。水庫正常蓄水位1 330m，死水位1 328m，總庫容7.6億m3，回水長約58km，為日調節水庫。電站樞紐主要由攔河碾壓混凝土重力壩、泄洪消能建筑物、引水發電建筑物等組成，最大壩高168m。工程于2011年11月初開始下閘蓄水，2012年2月15日發現距壩址河道距離約17km的庫岸邊坡發生變形。

初步查勘表明，該岸坡一帶為古變形體，主要為玄武巖碎石土組成，前緣沿河長約1.9km，后緣最高高程約為2 070m，平面面積約1.6km2。河床枯水期水位1 235m，最大撥河高差約835m，距正常蓄水位的最大高差約740m，正常蓄水位水深約93m。2月15日，大壩蓄水至1 282m，變形體前緣出現變形復活現象。

3 涌浪分析計算

3.1 潘家錚算法

潘家錚利用單向流分析成果，再根據一些近似假定，提出了涌浪高程的近似估算法，來分析較為復雜的水庫涌浪問題。近似估算法假定［2］:

(1)涌浪首先在滑坡入水處發生，產生初始波，然后向周圍傳播。在傳播過程中，不斷變形，但忽略能量損耗，或假定損耗為已知。

(2)忽略邊界條件的非線性影響，假定全部涌浪過程可以視為在一系列源點處產生的小波影響的線性迭加。所以對于水深較淺的水庫，計算誤差可能較大。

(3)每個小波成分都是孤立波，以涌浪形式在水面上傳播。波速c為常數。

(4)假定涌浪到達庫岸后發生全反射，或其反射系數k為已知值。

變形體失穩破壞時假定為一次同時滑下，為垂直變形的情況。具體公式如下:

(1)滑坡體水庫對岸最高涌浪按下式計算:

歷時T及涌浪從本岸傳播到對岸需時Δt=B/c。如果L/B不太大，級數中采用的項數如下所示:

波速c可按下式計算:

(2)水庫大壩處最高涌浪按下式計算:

可以這樣計算:設河道寬為B，滑坡區中心到大壩的水平距離為x，則:

3.2 邊界條件

變形體后緣位于高程1 537m，前緣剪出口位于岸邊高程1 258m附近，變形體范圍厚度為0～190m。選用正常蓄水位1 330m時變形體失穩破壞后形成的涌浪進行計算分析。

3.3 參數選取

水電站庫區變形體處水庫庫面寬340m，水深93m。現無法確定變形體下滑時的范圍和厚度，故選取了兩種下滑可能進行計算分析:當Ⅲ區整體下滑時，滑坡體長210m，滑坡體平均厚度20m，估計方量100萬m3左右;當Ⅳ區整體下滑時，滑坡體長480m，滑坡體平均厚度95m，估計方量1 000萬m3左右，若平均厚度取50m，估計方量500萬m3左右。滑動速度分別取 5m/s、10m/s、15m/s 和 20m/s，該變形體距大壩17km，選取距大壩不同距離進行分析計算。

3.4 計算成果

(1)當Ⅲ區整體下滑時。利用前述的潘家錚法計算出了在不同滑動速度、不同滑動歷時下的初始涌浪高度和對岸最高涌浪高度?；瑒託v時分別選取了10s、15s、20s和25s四種工況。計算結果見表1和圖1。

在不同滑速下，不同距離的涌浪高度不同，計算結果見表2和圖2。

(2)當Ⅳ區整體下滑時。當滑坡體平均厚度為95m，估計方量為1 000萬m3左右時，同樣可以得到變形體在不同滑速和不同滑動歷時下對岸最高涌浪高度，見表3、圖3。

表1 變形體在不同滑速和不同滑動歷時下對岸最高涌浪高度

圖1 不同滑速下初始涌浪高度與對岸最高涌浪高度的對比關系

表2 不同距離時在不同滑速下的涌浪高度(滑動歷時T=10s時) m

圖2 不同滑速下涌浪高度與距變形體距離的關系

表3 變形體在不同滑動速度、不同滑動歷時下的初始涌浪高度和對岸最高涌浪高度

圖3 不同滑速下初始涌浪高度與對岸最高涌浪高度的對比關系

另外，距變形體失穩破壞后形成涌浪的距離遠近，在不同的滑速下，涌浪高度差異很大，計算結果見表4和圖4。

當滑坡體平均厚度為50m，估計方量500萬m3左右時，計算結果見表5、圖5。

另外，距變形體失穩破壞后形成涌浪的距離遠近，在不同的滑速下，涌浪高度差異很大，計算結果見表6。可以用圖6清晰的展現出來。

3.5 成果分析

(1)涌浪高度在不同的滑動速度和不同變形體規模下是不同的。涌浪高度隨滑動速度的增大和變形體規模的增大而增大。

(2)在變形體規模大小即方量不同時，對岸最高涌浪高度有所不同。當III區下滑(100萬m3左右)時，滑動速度20m/s時對應的對岸最高涌浪高度在4.8m左右;當Ⅳ區下滑(500萬m3左右)時，滑動速度20m/s時對應的對岸最高涌浪高度在24.1m左右;當Ⅳ區下滑(1 000萬m3左右)時，滑動速度20m/s時對應的對岸最高涌浪高度在41.5m左右。根據潘家錚法分析計算理論，涌浪在有阻擋的情況下，其高度將有所增加。因而涌浪對對岸的影響較大。

表4 不同距離時在不同滑速下的涌浪高度(滑動歷時T=10s時) m

圖4 不同滑速下涌浪高度與距變形體距離的關系

表5 變形體在不同滑動速度、不同滑動歷時下的初始涌浪高度和對岸最高涌浪高度

圖5 不同滑速下初始涌浪高度與對岸最高涌浪高度的對比關系

表6 不同距離時在不同滑速下的涌浪高度(滑動歷時T=10s時)m

圖6 不同滑速下涌浪高度與距變形體距離的關系

(3)從圖2、3、4中可以清楚發現，當III區下滑時，1km處涌浪高度在0.98m以下;當Ⅳ區(500萬m3左右)下滑時，1km處涌浪高度在5.2m以下;當Ⅳ區(1 000萬m3左右)下滑時，1km處涌浪高度在9.9m以下。對于水庫變形體失穩破壞形成的涌浪高度，在距變形體最近的1km范圍內衰減得最快，1～4km范圍衰減較快，4km以外涌浪已趨于平緩。

(4)在不考慮庫區河谷彎道對涌浪削減作用的情況下，滑動速度20m/s時，當Ⅳ區(500萬m3左右)下滑時，涌浪在距離17km遠的大壩處衰減到了1.0m以下;當Ⅳ區(1 000萬m3左右)下滑時，涌浪在距離17km遠的大壩處衰減到了2.0m以下;僅III區下滑時已衰減到了0.2m左右。可見變形體失穩形成的涌浪對大壩安全的工程影響是有限的。

4 結 語

(1)變形體失穩破壞下滑對變形體對岸涌浪高度影響較大，這和滑動速度和下滑的變形體范圍有關。因而需對涌浪對對岸的破壞引起高度重視。

(2)涌浪在距變形體1km范圍內衰減較快，建議在1km范圍內對涌浪的破壞作用須特別加強防范。這為防范變形體失穩破壞形成的涌浪造成工程損失指明了方向。

(3)涌浪對大壩安全影響有限，大壩處涌浪高度在2m以下。在考慮大壩的阻擋作用后，涌浪高度將增加，即產生涌浪爬高。故在做大壩安全防范時需有所考慮。

［1］彭土標.水力發電工程地質手冊［M］.北京:中國水利水電出版社，2011.

［2］潘家錚.建筑物的抗滑穩定和滑坡分析［M］.北京:水利出版社，1980.