狹窄庫區滑坡涌浪特征分析及工程影響模型試驗研究

李鵬峰,荊海曉,賀翠玲,呂慶超,諸 亮,李國棟

(1. 西安理工大學 西北旱區生態水利國家重點實驗室,陜西 西安 710048; 2. 陜西省水生態環境工程技術研究中心,陜西 西安 710065; 3. 國家能源水電工程技術研發中心高邊坡與地質災害研究治理分中心,陜西 西安 710065;4. 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065)

0 引言

滑坡產生的涌浪(也稱海嘯)頻繁出現在水庫、湖泊、沿海地區和海洋中,對附近居民的生命和財產構成威脅[1-2]。如1963年發生在意大利的瓦伊昂水庫滑坡,大量巖石產生巨浪,漫過大壩,沖擊下游村莊,造成2000多人傷亡[3]。1958年阿拉斯加利圖亞灣發生滑坡,引發150 m高的海浪,滑坡在海灣另一側上升524 m[4]。在國內的一些重點水利工程中,如三峽、小灣、洪家渡、瀑布溝、拉西瓦及紫坪鋪等,近壩庫區內均存在著嚴峻的邊坡穩定和滑坡涌浪問題[5-6]。因此,研究實際工程中滑坡涌浪過程及涌浪帶來的次生災害,對實際工程預防和制定涌浪避險措施有重要意義。

雖然庫區滑坡涌浪事故頻發,但因滑坡失穩的高速性和突發性等,往往未能獲取到實際工程中滑坡涌浪關鍵數據[7-8]。因此,物理模型試驗是研究滑坡涌浪生成、傳播過程及工程影響分析的常用手段[9]。如曹婷等[10]利用物理模型試驗,研究了滑坡體形狀對涌浪爬高的影響。李榮輝等[6]基于模型試驗,研究了庫區近壩滑坡體因素與涌浪高度的關系,得出涌浪高度與滑坡體下滑高度、排水體積成正比,與水深成反比。岳書波等[11]建立水槽模型,研究了滑坡涌浪生成過程,并將生成涌浪分為常規涌浪、推移涌浪和躍沖涌浪。肖莉麗等[12]針對三峽庫區滑坡涌浪問題,建立1∶200的物理模型,研究了近源區多因素對首浪高度的影響。丁軍浩等[13]建立了瀾滄江某電站物理模型,研究了滑坡體的形狀及滑速、水面形態及水深等因素對最大首浪高度和涌浪衰減特性。黃錦林等[14]建立了1∶150的樂昌峽水庫物理模型,研究了滑坡體滑速對涌浪特性的影響,并將試驗結果與多個經驗公式進行了對比?，F有研究主要針對寬廣水域或無壩河段的滑坡涌浪問題,對于狹窄型河道水庫而言,其影響涌浪生成和傳播的因素更加復雜,因此,寬廣水域滑坡涌浪規律未必能反映出近壩庫區狹窄河道滑坡涌浪規律[6,15-16]。

本研究針對黃河上游羊曲水電站狹窄庫區段內H1滑坡體和1#變形體失穩產生的涌浪問題,通過建立1∶200的物理模型試驗,研究不同滑坡發生位置、不同失穩體積對涌浪波特性和工程的影響。并將試驗結果和經驗公式結果相互對比,以期更好地為大壩安全評價提供技術支撐。

1 試驗設計

羊曲水電站位于青海省海南州興?？h與貴南縣交界處,屬黃河上游水系。工程規模為一等大(1)型工程,壩頂高程為2721 m,防浪墻高度為1.2 m,水庫正常蓄水位為2715 m,生態限制水位為2710 m。通過庫區地質特性可將失穩物質分為H1滑坡體和1#變形體,H1滑坡體位于距離壩址約1.2～2 km壩前左岸,前緣寬約390 m,頂部最寬約550 m,平均厚度為25 m,體積約555×104m3,它具有明顯的滑坡堆積層和滑移拉裂層。1#變形體下邊界距離壩址約750 m,前緣寬710 m,后部較窄部位約100 m,變形體平均厚度為25 m,體積約500×104m3,它具有明顯的強傾倒層和滑移拉裂層。H1滑坡體和1#變形體前緣剪出高程均為2630 m,失穩物質分區如圖1所示。

試驗在中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司工程實驗監測院進行,模型按重力相似準則設計,幾何比尺為Lr=200,模擬范圍包括大壩至其上游3.2 km。將兩岸沿河地形模擬至2760 m高程,考慮滑坡體下滑造成水體向對岸壅水與爬行,對岸地形模擬至2790 m高程。壩前建筑物包括左岸溢洪道和右岸發電廠房等,物理模型全長約20 m。物理模型范圍如圖 2所示。

圖2 羊曲水庫滑坡涌浪物理模型模擬試驗范圍Fig.2 Physical model experimental range of landslide generated waves in the Yangqu Reservoir

滑床按原型滑弧用鋼筋混凝土制作,按照滑動方向及滑弧滑出角度進行安裝,表面光滑?；囉啥喙濄q式鋼板制成,由起吊、擒縱裝置控制起吊及下放滑車。滑坡體采用3種尺寸,分別為:20 cm×10 cm×5 cm、10 cm×10 cm×5 cm和10 cm×5 cm×5 cm,滑車和滑塊組成的綜合滑坡密度約為2.7 g/cm3。涌浪時程變化數據記錄采用CBG03智能浪高儀,采集頻率為50 Hz,精度為0.1%,總共布置16個。滑坡體下滑速度、滑坡區域涌浪爬高及建筑物前涌浪爬高采用高速攝像機采集,拍攝幀率為200 fps。漫壩水量使用量筒測量,物理模型實物圖如圖 3所示。

工況設置考慮滑坡體的不同失穩位置、方量以及水庫運行水位,共設計12種工況,工況設置參數如表1所示。為了保證試驗結果的可重復性,每組試驗至少進行3次。分析數據時,剔除最離散的組數,試驗結果取剩下組數的平均值。

圖3 H1滑坡體、1#變形體物理模型Fig.3 H1 and 1# landslide experimental model

表1 物理試驗參數Table 1 Physical experimental parameters

2 結果分析與討論

本研究利用量綱分析得出了無量綱控制參數,進而評價涌浪波特性[17-19],參數分別有:滑坡體弗勞德數F=vs/(gh)0.5,滑坡體相對厚度S=s/h,滑坡體相對質量M=ms/(ρwbh2),滑坡體特征數T=S1/3Mcos(6/7α),相對波高H/h,相對波長L/h,波陡H/L。其中vs為滑坡體速度,g為重力加速度,h為靜水深(SWL),s為滑坡體厚度,ms為滑坡體質量,ρw為流體密度,本研究取值為1000 kg/m2,b為滑坡體寬度,α為滑坡面傾角,H為波高,取值為波峰振幅ac和波谷振幅at的總高度,L為波長,取值為波峰速度c和周期T。參數具體含義如圖 4所示。

圖4 滑坡體及涌浪波參數示意圖Fig.4 Diagram of landslide and wave parameters

2.1 涌浪波類型分析

根據滑坡體特征數T和滑坡體弗勞德數F定義的波形分類圖,如圖5所示,分類標準依據HELLER等[18]在文獻中的定義:當T<4/5F-7/5時,滑坡體生成的首浪波形為斯托克斯波;當4/5F-7/511F-5/2時,首浪為耗散涌波。由圖 5可知,本試驗滑坡體數據中T<4/5F-7/5,主要集中在斯托克斯波區域,該數據集主要特征為滑坡體具有較小的滑動特征,但具有較大的體型參數。羊曲水電站庫區H1滑坡體和1#變形體,原位下滑時滑速均較小(6.0～10.5 m/s),但其具有較大的方量(完整體體積約500萬m3),因此該滑坡體特征符合該區域波形數據規律。但本次試驗數據的F值整體小于HELLER試驗值,該范圍的波浪類型是否和HELLER試驗值劃分規律一致,尚需進一步分析。

圖5 基于滑坡體特性的涌浪波波形分類[18]Fig.5 Classification of surge wave types based on landslide characteristics[18]

試驗結果中涌浪波首波的相對波高和相對波長關系圖,如圖6所示,圖中實線為不同波浪理論應用界線,虛線為按照波浪傳播水域水深分類波類型界線。由圖 6可知,H1滑坡體和1#變形體產生的涌浪,其水域水深和波長的比值滿足0.0538后,該區域涌浪波受到邊界反射波的影響,在0

圖6 基于涌浪波首波相對波高與相對波長的波形分類[18,20]Fig.6 Wave types based on the relative wave height and relative wave length of the leading wave[18,20]

圖7 1#變形體生成區域無量綱化首浪浪高時程線Fig.7 Dimensionless leading wave height time series in 1# landslide generation area

2.2 首浪高度分析

浪高ac既是初始涌浪最重要的波動參數,又是評價初始涌浪對工程影響與否的首要參數。本文以模型試驗結果為基準,采用潘家錚方法[21]和水科院經驗公式方法[14]分別計算了H1滑坡體和1#變形體失穩后的首浪浪高值,各方法及不同工況首浪高度統計如圖8所示。

潘家錚方法計算初始浪高時,認為首浪浪高由于滑坡在水平方向和垂直方向運動產生,計算公式分別為

(1)

水科院經驗公式方法認為涌浪浪高主要受滑坡下滑速度和方量影響,因此該方法計算首浪的公式為

(2)

式中:vh為滑坡水平滑速(m/s);vv為滑坡垂向滑速(m/s);潘家錚法浪高求解曲線和步驟參考文獻[21]。k為綜合系數,本研究取值0.12;V為滑坡體方量(萬m3)?；?、方量和水深如表1所示,各參數含義圖示如圖4所示。

從方量上分析可知,H1滑坡體(圖中代號1～6)和1#變形體(圖中代號7～12)失穩后,首浪高度隨著方量的增加而變大。因為滑坡體的體積增加,其和水體的接觸面積更廣,能量和動量轉換速率增加,致使首浪高度變大,但在同一方量下,首浪高度和水深成反比。定義無量綱參數相對首浪高度ac/h,通過回歸分析相對首浪高度ac/h和滑坡體特征數T關系可知,ac/h=0.04T,相關系數R2=0.989,回歸曲線如圖9所示。在圖 9中,有一些點的離散性較強,這些點位于圖 5中的涌波區域和孤立波區域,該區域點的滑坡體特征數T和滑坡體弗勞德數F都比較大,也就是滑坡體厚度和滑速都較大,此時造波過程的主導性指標有T和F;擬合性較強的點對應圖 5中斯托克斯波區域,該區域點T的主導性優于F,在擬合曲線中,ac/h和T的相關性就強。該現象可以反映出:當滑坡體速度大于生成的涌浪波波速時(波形應為涌波或者孤立波),滑坡體的運動過程和體型等對涌浪波特性有較大影響,而當滑坡體最大速度小于波速時(斯托克斯波),滑坡體運動過程對涌浪波特性的影響較小,此時首浪浪高計算可忽略滑速的影響,簡化成和滑坡體體積的關系。

從滑坡位置上分析,圖 8中上半部分代表1#變形體,下半部分代表H1滑坡體,對比可見在同等坐標軸長度下,下半部分的柱狀圖占比大,表明H1滑坡體失穩產生的首浪高度大于1#變形體產生的首浪高度。分析原因可知,H1滑坡體在地形上位于凹岸區,形似“盆狀”,該區域河底相對寬廣一些,滑坡下滑充分,這使得大方量滑坡下滑時停留在水面以上的體積少,就體積替換分析,產生的涌浪浪高也會更高;此外,該區域水域面積也相對寬闊,受到對岸和庫區其他地方反射波干擾的概率較小,滑坡產生的涌浪就會發展得較為充分。1#變形體位于地形區域凸岸,河谷和水域面都狹窄,這使得滑坡下滑體積變少,產生的涌浪受到庫區反射波的干擾概率大。

各方法計算的首浪高度對比如圖10所示,由圖可知,各方法得到的首浪浪高差距較大。如果以試驗值為基準,潘家錚方法及水科院經驗公式方法在實際工程應用時精度較低,接近一半工況的誤差值大于±50%。主要原因可能是H1滑坡體和1#變形體無論是平面形狀還是立面厚度都非常的不規則,斷面和條分帶無法還原失穩物質的復雜形狀,導致經驗公式利用斷面或者條分帶計算時誤差變大。但物理模型試驗利用3種尺寸的小塊體組成的整體滑坡,在形狀和厚度上能夠和原型有一定的相似比。

圖10 試驗值首浪浪高和不同計算 方法首浪浪高結果對比Fig.10 Experimental value of the leading wave height and results of different calculation methods of the leading wave height

2.3 工程影響分析

黃河特大橋位于羊曲水電站庫區上游,屬于國道線G572,庫區內的橋底高程為2720～2724 m,距離H1滑坡體約1.8 km。羊曲壩址位于H1滑坡體和1#變形體下游,距離1#變形體750 m,距離H1滑坡體1.2 km,庫區內水面大的波動,都有可能影響橋面和大壩安全?，F分析H1滑坡體或1#變形體失穩以后對黃河特大橋和壩體的影響。

2.3.1 對黃河特大橋影響分析

方量200萬m3和500萬m3的H1滑坡體或1#變形體在尕瑪羊曲黃河特大橋橋墩處測點的浪高值如圖11所示。由圖可知,庫水位2715 m時,500萬 m3滑坡在該處的浪高值基本上為2 m左右,水面高程約為2717 m,H1滑坡體200萬 m3體積在該處的浪高值約為1 m,水面高程約為2716 m,1#變形體200萬m3體積在該處的浪高值約為0.6 m,水面高程約為2715.6 m,最不利工況的波面高程均小于橋底高程。主要原因是羊曲水電站地形比較特殊,H1滑坡體上游為開闊區域,有利于涌浪的消散。因此,H1滑坡體或者1#變形體失穩產生的涌浪對尕瑪羊曲黃河特大橋無影響。

圖11 庫水位2715 m不同方量和位置 滑坡在橋底測點的浪高Fig.11 Wave height at bridge bottom of landslides with different volumes and locations at water level 2715 m

2.3.2 對大壩安全影響分析

H1滑坡體和1#變形體失穩以后各工況在建筑物前產生的涌浪要素值如表2所示。由圖可知,隨著方量的增加,溢洪道進口、壩中及電站進水口處的首浪浪高值均正比例增加,將建筑物前首浪浪高無量綱化后進行回歸分析,擬合函數關系如圖 12所示。由圖12可知,溢洪道處首浪浪高的擬合關系為:ac/h=0.21T+0.04,擬合精度為0.992;同理,壩中和電站進水口擬合關系分別為:ac/h=0.17T+0.04,ac/h=0.14T+0.04,擬合精度均為0.981。

表2 建筑物前涌浪特性及漫壩水體統計表Table 2 Statistics of wave height and overtopping water volume at the dam site

在水庫正常運行水位2715 m時,200萬m3的H1滑坡體或1#變形體失穩后在建筑物前的涌浪時程線,如圖13所示。結合表 2統計的建筑物前浪高分析可知,滑坡位置的不同,在建筑物前產生的浪高、爬高及漫壩水量均有所差異。H1滑坡體在建筑物前產生的首浪浪高和次生波均大于1#變形體,當失穩物質體積小于等于200萬m3時,這2處位置在建筑物前首浪浪高差距較小,在0.5 m以內。當失穩物質體積超過200萬m3時,2處位置在建筑前首浪浪高差距變大,最大差距2.06 m。其原因同2.2節分析,主要是H1滑坡體處于凹岸,水域寬闊;1#變形體處于凸岸,水域較窄。因此,失穩物質不一定距離遠就對工程影響小,距離近就對工程影響大。失穩物質所處的水域環境,對其滑坡涌浪過程影響顯著。

圖12 建筑物前相對首浪高度ac/h和滑坡體特征數T關系 Fig.12 Correlation between ac/h and T at dam site圖13 庫水位2715 m時200萬m3失穩物質在建筑物前涌浪時程線Fig.13 Wave time history of 2 million m3 landslide at dam site at 2 715 m water level

體積為500萬m3滑坡誘發涌浪在建筑物前漫壩位置及范圍,如圖14所示,結合表 2統計的建筑物前漫壩水量分析可知,首先,涌浪漫壩的位置靠近左岸側的溢洪道,位置上壩左漫壩范圍廣于壩右,H1滑坡體漫壩范圍廣于1#變形體。其次,隨著失穩物質體積的增加,壩前過程有:不漫壩—漫壩—大范圍漫壩。其中,H1滑坡體體積增加到200萬 m3時,建筑物前開始漫壩;1#變形體體積增加到500萬 m3時,建筑物前開始漫壩。最后,H1滑坡體的漫壩水量明顯大于1#變形體。以體積500萬 m3為例,左岸溢洪道處H1滑坡體漫壩量是1#變形體的1.6倍,壩中位置H1滑坡體漫壩量是1#變形體的1.9倍,右岸電站進水口位置H1滑坡體漫壩量是1#變形體的1.3倍。

注:圖中紅色虛線圈為涌浪漫壩位置,左圖為H1滑坡體,右圖為1#變形體。

建筑物前漫壩過程的能量來源一方面取決于重力勢力(波面高程),另一方面取決于動能(波速)。波面高程通過上述分析可知,H1滑坡體大于1#變形體。各工況涌浪波首波波速如圖15所示,圖中黑線為線性波波速理論值,本次試驗值基本貼合在理論值附近,基本屬于線性波。從數值上判斷,H1滑坡體的相對波速值大于1#變形體。勢能和動能兩方面原因使得H1滑坡體對工程的危害更大。

3 結論

本研究以羊曲水電站1∶200物理模型為例,研究了庫區不同位置(H1滑坡體和1#變形體)、不同體積(100萬、200萬、500萬m3)的失穩物質原位下滑時產生涌浪波的特性以及涌浪波對工程的影響,具體結論如下:

1)根據T-F分類法,本次試驗數據有T<4/5F-7/5,主要集中在斯托克斯波區域。但是H1滑坡體和1#變形體原位下滑時的滑速僅為6.0～10.5 m/s,導致本次試驗數據和T-F圖中現有數據的重疊性較差。因此,研究再次利用H-L圖對研究得到的波形進行了分類,結果表明個別工況0.05

2)H1滑坡體和1#變形體失穩后,從體積上分析,首浪高度隨著失穩物質體積的增加而變大,相對首浪高度ac/h和滑坡體特征數T關系為ac/h=0.04T。從位置上分析,凹岸區的H1滑坡體產生的首浪高度大于凸岸區1#變形體產生的首浪高度。

3)本研究將經驗公式方法得到的涌浪結果與試驗值對比發現,以試驗值為基準,潘家錚方法及水科院經驗公式方法在實際工程應用時精度較低,接近一半工況的誤差值大于±50%。

4)庫區滑坡涌浪傳播到上游的大橋時,500萬m3滑坡在該處最高波面高程約為2717 m,200萬m3的H1滑坡體在該處的波面高程約為2716 m,200萬m3的1#變形體在該處的波面高程約為2715.6 m,最不利工況的波面高程均小于橋底高程。因此,H1滑坡體或者1#變形體失穩產生的涌浪對尕瑪羊曲黃河特大橋無影響。

5)庫區滑坡涌浪傳播到建筑物前時,隨著失穩物質體積的增加,溢洪道進口、壩中及電站進水口處的首浪浪高值均正比例增加。H1滑坡體體積增加到200萬m3或者1#變形體體積增加到500萬m3時,建筑物前開始漫壩,并且H1滑坡體的漫壩水量明顯大于1#變形體。

綜上所述,庫區滑坡產生的涌浪波,其浪高隨著失穩物質體積增加呈正比例增大,對工程的影響也隨著失穩物質體積的增加而產生的危害變大。在失穩物質所處地理位置上,凹岸區域的H1滑坡體,其水域面積、河道容納體積均大于凸岸區域的1#變形體,浪高、波速等對工程的危害H1滑坡體比1#變形體更加突出。換言之,失穩物質對工程的危害,不一定距離遠就對工程影響小,距離近就對工程影響大,失穩物質所處的水域環境對其滑坡涌浪過程影響顯著。