某水電站邊坡失穩涌浪計算分析

趙 明，陳勻序，朱 艷

(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

某水電站邊坡在高程2 155m平臺以上從2010年4月開始出現變形，2011年3月蓄水變形速率加快，且監測成果顯示，深度35～40m范圍內出現較為明顯的變形；高程2 155m平臺以下邊坡從2011年3月蓄水開始出現變形，但內觀監測資料顯示，內部變形不大、尚未形成滑面，變形主要是淺表風化卸荷巖體的局部變形、破壞；變形體整體邊坡在蓄水后表現為表部強風化、卸荷巖體的局部破壞，整體的滑動趨勢不明顯。

根據穩定計算分析，高程2 155m平臺以上開挖邊坡在各種工況下的抗滑穩定安全系數均滿足規范要求，失穩的可能性不大；高程2 155m平臺以下邊坡存在局部失穩的可能，但其規模較小、且大部分在正常蓄水位以下，即使失穩滑動也不會產生危及大壩的涌浪；整體邊坡穩定性較差，在各種工況下的抗滑穩定安全系數均不能滿足規范要求，存在局部甚至整體失穩下滑的可能。

根據邊坡地質穩定性評價、變形監測資料及邊坡穩定計算成果綜合判斷，邊坡可能存在以下三種失穩模式：

第一種失穩模式： 高程2 155m以下邊坡淺表層在庫水位作用下首先失穩、繼而逐漸向內側剝落式塌滑直到高程2 155m平臺以下全部失穩，最后高程2 155m以上邊坡失穩下滑。

第二種失穩模式：高程2 155m平臺首先全部失穩，繼而高程2 155m以上邊坡失穩下滑。

第三種失穩模式：高程2 155m平臺以上、以下邊坡整體一次性失穩下滑。

從邊坡現狀穩定分析結果可知，高程2 155m以下邊坡淺層、整體邊坡存在局部或整體失穩可能性。需要分析邊坡失穩產生的涌浪對大壩的影響。

2 計算方法

2.1 滑坡速度

潘家錚法采用條分法來計算滑坡的速度，計算采用改進的條分方法，選取了沿滑面方向和垂直滑面方向來建立平衡方程，然后用基本運動學原理求解塊體的運動速度。

假定條塊發生位移時按剛體運動，根據牛頓第二定律：

對于每一條塊，設初速為Vi1，末速為Vi2，滑動距離為Li，滑動時間為Ti，進一步可得：

這樣就可求出條塊滑入水庫時的速度及滑塊運動的時間。

2.2 涌浪高度

計算采用潘家錚法對涌浪進行預測分析。潘家錚法是利用庫水“單向流”分析成果，并采取一些假定來分析較為復雜的水庫涌浪問題：

(1) 涌浪首先在滑坡入水處產生，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一系列源點處產生的小波影響的線性疊加。

(3) 每個小波成分都是孤立波，以涌浪形式在水面上傳播，波速為常數。

(4) 假定涌浪達到對岸后發生全反射，或其反射系數為已知值。

(5) 假定水庫庫岸為兩條平行陡壁，寬度為B，滑坡范圍L內的庫岸斷面一致，岸坡變形率為常數，且發生在時段0

2.2.1 滑坡涌浪初始最大浪高

當岸坡發生水平運動時，激起的初始浪高可表示為：

式中ξ0——激起的初始涌浪高度，m；

h——水庫平均深度，m；

v——為岸坡水平運動速度，m/s；

g——重力加速度，m/s2。

當岸坡發生垂直運動時，激起的初始浪高可用下面的函數表示為：

兩種模式下的變化曲線見圖1：

2.2.2 對岸及下游壩址點涌浪高度

潘家錚法計算滑坡對岸涌浪浪高公式如下：

圖1 兩種模式下的初始涌浪高度求解曲線注：1-岸坡水平運動模式；2-岸坡垂直運動模式

潘家錚法計算下游壩址點涌浪浪高公式如下：

式中ξ——對岸涌浪高度；

ξx——對岸下游壩址處產生的涌浪高度；

ξ0——初始浪高；

k——波的反射系數，一般值為0.85～0.95，求對岸浪高時，可取為1.0；

∑——級數之和，其項數取決于滑坡歷時T及涌浪從本岸傳播到對岸的時間△t=B/c；波速c按下式計算：

θn——傳播到計算點的第n次入射角與岸坡法線的交角，按下式計算：

x——計算點至滑坡中心點的距離；

x0——計算點至滑坡上游邊界的距離；

L——滑坡體沿庫岸的寬度，其半長用l表示；

3 計算成果

3.1 滑坡速度計算

計算邊界條件根據地質資料確定、在不同水庫水位下，邊坡失穩時的滑動速度計算成果見表1～3。

3.2 涌浪高度計算

邊坡在不同水庫水位、不同滑動模式下在壩址處產生的涌浪高度(邊坡分階段失穩下滑存在時間差，因此不考慮不同階段失穩下滑所引起的涌浪疊加)計算成果見表4～6。

表1 滑坡速度計算成果(第一種失穩模式)

表2 滑坡速度計算成果(第二種失穩模式)

表3 滑坡速度計算成果(第三種失穩模式)

表4 邊坡失穩產生的涌浪高度計算成果(第一種失穩模式)

表5 邊坡失穩產生的涌浪高度計算成果(第二種失穩模式)

表6 邊坡失穩產生的涌浪高度計算成果(第三種失穩模式)

4 計算結果分析

從表4～6中可以看出，無論是在死水位2 063m還是正常蓄水位2 133m，當邊坡以第一種、第二種破壞模式失穩下滑、或者在死水位運行期間邊坡以第三種破壞整體下滑時，其產生的涌浪均不會超過壩頂高程；但當水庫水位在正常蓄水位2 133m時，如邊坡以第三種破壞模式失穩且滑速大于5m/s時，其產生的涌浪將極有可能漫壩。為保證大壩運行安全，需要對邊坡進行治理，防止邊坡整體下滑或延緩其下滑速率。

5 結束語

潘家錚法將滑坡體垂直分條塊后，假設各條塊為剛體，其運動軌跡能較好地模擬實際滑面情況，但是以下幾個問題值得探討：

(1)運動過程是連續的，沒有考慮滑坡體各塊體在運動過程中相互碰撞及滑體與外部物體相互碰撞所引起的能量損失，因而其計算結果偏于保守。

(2)在滑動過程中，未考慮水的阻力，實際滑動過程中滑速越大，水體對滑坡體的阻力也越大，因而其計算結果偏于安全。

(3)滑面摩擦系數對滑速影響很大，而動摩擦系數目前尚難以準確確定，僅憑借工程經驗取值，在以后的工程實踐中值得進一步探討。

[1] 潘家錚.建筑物的抗滑穩定和滑坡分析[M].北京：水利出版社，1980：92-95.

[2] 哈秋黔，胡維德.水庫滑坡涌浪計算[J].人民黃河，1980(2)：407-411.

[3] 汪洋.水庫庫岸滑坡速度及其涌浪災害研究[R].武漢：中國地質大學(武漢).2005：51-55.