譚家灣滑坡滑速計算及涌浪災害研究

薛 欣，劉藝梁，高晨曦，盧書強

(1. 三峽大學三峽庫區地質災害教育部重點實驗室，湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學防災減災湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002；3. 三峽大學湖北長江三峽滑坡國家野外科學觀測研究站，湖北 宜昌 443002)

1 概述

滑坡在我國地質災害中分布廣、影響大。當滑坡發生在河流或者庫區時，滑體入水后擠壓水體會產生涌浪，激起的水體攜帶著巨大的能量將極具破壞性，會毀壞河面上的船只、附近結構物和威脅居民的生命安全。如：1985年發生的湖北新灘滑坡[1]，約有340萬m3滑入江中，激起巨大的涌浪，最大高度54m，造成極大的損失。隨著2003年三峽水庫開始蓄水，在庫水位周期漲落和降雨的反復作用下，三峽庫區產生了很多新生的滑坡，也同時誘發了古、老滑坡的復活。2003年，由集中降雨和水位上升誘發的湖北千將坪滑坡[2]，滑入青干河中激起涌浪高達30m。2015年，重慶巫山突發的紅巖子滑坡[3]引發巨大涌浪。這些滑坡涌浪都帶來較大的損失，因此，對滑坡可能失穩情況下產生的涌浪災害研究極其重要。

滑坡涌浪災害研究是個復雜的過程，包括從滑坡失穩入水、生成涌浪、涌浪傳播和爬坡，到對大壩、碼頭船只、房屋等結構物的沖擊。對此，有較多專家學者對涌浪災害做了大量研究工作。有計算公式方面的研究，有能量法、潘家錚方法、美國土木工程學會推薦公式、水利水電科學院公式法、汪洋等[4]提出的改進條分法、殷坤龍等[5]提出的涌浪計算公式法、黃波林等[6]提出的高傾角入水計算公式法等。還有涌浪傳播方面的研究，有黃波林等[7]、王芳等[8]對庫區涌浪災害風險評估的研究；Wang B等[9]研究高速滑坡的涌浪高度和衰減特性；余文鵬等[10]研究塌岸對初始浪高和爬高的影響；韓林峰等[11]研究了碎裂巖體滑坡在淺水中的涌浪傳播規律；Peng M等[12]研究涌浪傳播對大壩的穩定性影響；霍志濤等[13]利用FAST軟件模擬涌浪分析并劃分出預警區，等等。

本文以譚家灣滑坡為例，分析該滑坡的變形特征，在庫水位下降或強降雨條件下可能失穩；然后基于考慮滑體入水的粘滯阻力的情況的改進條分法計算出滑坡運動速度和入水體積；最后通過殷坤龍等提出涌浪計算公式計算出涌浪傳播高度，從而根據涌浪傳播高度進行危險區等級劃分，用來指導長江航運和沿江居民搬遷避讓，減少損失，達到防災減災目的。

2 譚家灣滑坡基本特征

2.1 譚家灣滑坡概況

譚家灣滑坡位于湖北省巴東縣，地形呈臺階狀，坡度20°～50°，上陡下緩。滑坡后緣高程462m，呈圈椅狀地貌；滑坡兩側緣為季節性沖溝；滑坡前緣地形呈折線形，臨江段為陡坎，前緣剪出口高程約70m。滑坡平面形態呈舌形，如圖1所示，總體坡度28°。滑坡縱長約740m、寬度約120～220m，滑體平均厚度30m，面積12.6×104m2，體積377×104m3。

圖1 譚家灣滑坡工程地質平面圖

譚家灣滑坡是土質滑坡，結構類型是逆向坡，如圖2所示。滑體主要為堆積碎塊石土，結構松散，厚度一般為25～50 m，土石比6∶4，碎塊石成分主要為灰巖、泥灰巖、泥質粉砂巖和粉砂質泥巖。滑床由三疊系巴東組的灰巖、泥灰巖、粉砂質泥巖組成。滑帶厚度為0.3～0.5m，呈紫紅色，物質成分以粘土為主，土體稍濕，結構較為密實。滑帶土的粘聚力c是28.7kPa，內摩擦角φ是21.5°。

圖2 譚家灣滑坡縱剖面圖

2.2 譚家灣滑坡變形特征

譚家灣滑坡所在斜坡后緩前陡，前緣臨空涉水，后緣為匯水地形；斜坡物質結構松散，斜坡物質滲透性良好，下覆基巖滲透性差，二者滲透性差異大，巖土接觸面為天然弱面。這些為滑坡形成發育奠定了內因條件。

從2007年3月監測至今，位于滑坡體東側的BDT- 23和BDT- 24兩監測點水平累積位移量分別為1056.54mm和1119.29mm，其余各點累積位移為18.9～115.2mm，滑坡變形具有緩慢等速增大趨勢。圖3為各監測點的監測位移與降雨量、庫水位時間關系圖,通過圖3可以反映出滑坡變形具有后緣大、中部次之、前緣最小的特點，據此推測滑坡具有推移式滑坡特征。再根據滑坡位移與庫水位、降雨關系，滑坡位移在庫水位降落時明顯增大，故推測滑坡具有動水壓力型滑坡特征。但是滑坡變形降雨和庫水位上升時也有一定發展，所以該滑坡也具有降雨型和浮托減重型滑坡的特質。由劉藝梁等[14]對譚家灣滑坡穩定性研究可知，影響譚家灣滑坡穩定性的主要誘發因素是庫水位下降，并且隨著庫水位下降速率越大，滑坡穩定性系數越小。因此該滑坡是以動水壓力型為主、兼有降雨型和浮托減重型。

圖3 譚家灣滑坡GPS監測點累積位移與降雨量、庫水位時間關系圖

綜合分析認為：譚家灣滑坡在庫水位大幅下降或強降雨條件下，該滑坡可能產生蠕滑變形，威脅滑坡區居民的生命財產安全以及長江航運安全。

3 譚家灣滑坡運動速度

根據譚家灣滑坡的變形分析可知，在庫水位下降或強降雨條件下可能失穩，尤其是降雨發生在庫水位驟降過程中容易導致滑坡體失穩[15]。結合監測曲線(圖3)可知，庫水位下降階段在每年的2—6月，其中5—6月下降速率較大，而降雨主要集中在5—9月。在降雨量比較集中且庫水位下降速率較大時，滑坡易發生失穩，此時庫水位是145m。因此，本文選取145m庫水位進行滑坡運動速度計算。

譚家灣滑坡是土質滑坡，滑體主要為斜坡堆積碎塊石土，結構松散，當滑體發生滑動時，很難整體下滑，而且滑動面不是直線，滑動面的傾角用平均傾角來代替誤差較大，故把滑體劃分為若干個條塊，而且滑體入水速度一般較大，水的粘滯阻力不能忽略。因此，本文基于考慮滑體入水粘滯阻力的改進條分法進行滑坡運動速度計算。

根據譚家灣滑坡的地層巖性、地形地貌和水文地質條件(庫水位)，在主滑剖面(Ⅰ-Ⅰ′)上把滑坡劃分為18個條塊，條塊劃分示意圖如圖4所示。

圖4 譚家灣滑坡條塊劃分示意圖

譚家灣滑坡前緣涉水，涉水部分應考慮水的阻力，假定條塊作剛體運動，條塊的受力圖如圖5所示。

圖5 條塊i受力示意圖

(1)

其中：Pbi=γh

式中，Wi—i條塊的重量，N;Mi—i條塊的質量，kg；Fi—i條塊前后作用力的合力，N；αi—i條塊滑面傾角，(°)；Pi、Pi+1—i條塊兩側的水壓力，Pa；Pbi—靜水壓力，Pa；ci—i條塊滑帶的內聚力，Pa；tanφ′—i條塊的動摩擦系數，tanφ—i條塊的靜摩擦系數，η—動摩擦系數，動摩擦抗剪強度參數取飽和強度參數值的0.8～0.95倍，本文取0.9，即tanφ′=0.9tanφ；Ri—i條塊水下的運動阻力，N；γ′—i條塊的有效重度，kN/m3；vi—i條塊的運動速度，m/s；Si—i條塊水下的迎水面面積，m2；fi—i條塊在水中的粘滯阻力，N；μ—動力粘度，Pa·s；Ai—i條塊頂部的面積,m2。

(2)

對譚家灣滑坡進行滑速計算時，滑體運動的初始速度為零，先根據條塊坐標計算出C1、C2的值；然后通過公式1—2求出滑坡體運動的速度和加速度，計算結果如圖6—7所示；最后由各條塊的運動距離計算出滑坡入水體積。

圖6 譚家灣滑坡加速度變化曲線圖

由計算結果可知，滑坡體的運動分為加速階段和減速階段。加速階段是由于江水對運動滑坡體的阻力較小，滑體重量大(下滑力大)，抗滑力相對于下滑力較小。隨著滑體入水體積的不斷增加，江水對巖土體的阻力也越來越大，以及下滑力不斷減小，從而加速度不斷減小，從正至0再至負，滑體速度不斷減小直到停止運動。由條塊的運動距離可知條塊11滑動了393.06m，可知滑坡體入江條塊數11塊，根據幾何參數算出滑坡入江體積為264.9×104m3。故譚家灣滑坡最大運動速度為25.49m/s，入江體積為264.9×104m3，入水的速度和規模較大，將造成較大的損失。

4 譚家灣滑坡涌浪災害危險評價

4.1 滑坡涌浪傳播高度

譚家灣滑坡是土質滑坡，總體坡度約28°，適用于殷坤龍等提出的涌浪計算公式。通過該公式進行涌浪計算，得到譚家灣滑坡的最大首浪高度29.61m和最大爬坡高度87.99m。

通過滑坡沿程傳播涌浪高度計算公式計算出涌浪傳播高度，結果如圖8所示。

圖8 沿河道傳播涌浪高度變化曲線圖

4.2 譚家灣滑坡涌浪災害危險區等級劃分

根據國家海洋局2012年發布的《風暴潮、海浪、海嘯和海冰災害應急預案》[16]中條文3.3海嘯災害應急響應標準對滑坡涌浪災害劃分危險區等級，依次為極高危險區、高度危險區、中度危險區和低度危險區，見表1。

表1 滑坡涌浪災害危險區等級劃分表

由圖7可知，大于200cm的范圍全長28km；介于150～200cm之間的范圍，上游6km，下游6km，共12km；介于100～150cm之間的范圍，上游10km，下游10km，共20km；介于50～100cm之間的范圍，上游15km，下游15km，共30km。根據計算結果，按照滑坡涌浪災害危險區等級劃分表，得到譚家灣滑坡涌浪災害危險區等級圖，如圖9所示。

圖7 譚家灣滑坡運動速度變化曲線圖

圖9 譚家灣滑坡涌浪災害危險區等級圖

由圖8得出，可根據譚家灣滑坡產生的涌浪災害危險區等級，合理指導長江航運，其中危險區等級最大的范圍(紅色區域)是上游的巴東縣漆樹坪至下游秭歸縣坊家山村。

爬坡浪高度30m以上的范圍主要在滑坡點1.4km范圍內，最大爬坡高度87.99m，主要影響對岸的茶棚子村莊、距滑坡點1.4km的無源洞景區、石頭碼頭以及可能影響的部分省道S334；還有同岸橫坪的梯田和雞翅膀的一些房屋，如圖10所示。其他區域爬坡浪高不會產生影響，因為145～175m之間有30m高差的消落帶。

圖10 譚家灣滑坡涌浪爬坡浪高危險圖

5 結論

(1)綜合分析影響譚家灣滑坡變形的內因和外因，該滑坡在庫水位大幅下降或強降雨條件下，可能發生蠕滑變形，尤其是降雨發生在庫水位驟降取過程中容易導致滑坡體失穩。

(2)基于考慮滑體入水的粘滯阻力的改進條分法對譚家灣滑坡進行運動速度計算，得出在145m水位下，譚家灣滑坡的入水體積是264.9×104m3，最大運動速度是25.49m/s，入水規模和速度較大，將產生比較大的災害。

(3)根據滑坡涌浪傳播高度對譚家灣滑坡產生的涌浪災害劃分了紅色極高危險區、橙色高度危險區、黃色中度危險區和藍色低度危險區4個等級。而且標示出滑坡失穩產生的爬坡浪高的影響區域。這樣可以及時發出預警信息，指導長江航運和居民搬遷避讓，減少損失。

(4)本文計算的是涌浪在長江干流上的傳播，沒有考慮支流入江口對涌浪傳播的影響，以后將對此進行研究。