梨园库区某滑坡评价与涌浪预测计算

梨园库区某滑坡评价与涌浪预测计算

主要研究地质灾害预测与防治。

马旭，缪信

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都610059)

摘要：针对库区滑坡失稳及滑体高速入水引起的涌浪可能对库岸安全及水库运行造成的危害，以金沙江梨园电站库区草可都滑坡为例，应用有限元分析软件计算出该滑坡在库水位升降条件下的稳定性，运用能量法及潘家铮涌浪计算理论对其滑速、初始涌浪及沿程涌浪高度进行了计算。计算结果表明，草可都滑坡整体失稳时引起的涌浪会威胁到对岸各基河电站的安全，但对下游坝址的影响很小；局部失稳时，涌浪对对岸电站厂房及坝址的影响都很小。

关键词：草可都滑坡；涌浪；稳定性分析；灾害预测

0引言

近年来，随着我国水利水电事业的快速发展，水利工程尤其是大型水库的修建越来越多，库岸边坡的稳定性问题越来越受到重视，而库区边坡一旦失稳，形成的涌浪是一种严重的次生灾害，不但会威胁水库中航行船只及沿岸居民的生命、财产安全，更有可能冲毁水工建筑物、堵塞河道，甚至造成坝顶漫水、水库报废等严重后果[1-2]。因此，正确地分析评价库区滑坡涌浪具有重要意义。

本文主要采用了能量法及潘家铮涌浪计算理论对梨园水电站库区草可都滑坡在整体及局部失稳条件下的涌浪进行了计算及预测。

1滑坡工程地质特征

草可都滑坡位于金沙江右岸，距下游梨园水电站坝址约28 km。滑坡呈圈椅状地貌，滑坡体表面形态整体上呈一台地地貌，滑坡体两侧发育小冲沟，前缘临空面地形坡度约50°～65°，前部地形平缓、坡度5°～10°，中后部地形坡度中等、坡度20°～30°。滑坡前后缘分布高程1 550～1 800 m，顺江方向长度约360 m，横河方向长约640 m，堆积体面积约0.14 km2，滑坡体厚50～70 m，体积5.77×106m3，为大型堆积体滑坡。如图1～2。

图1　草可都滑坡全景

根据现场钻探资料及滑坡区地表调查，滑坡体物质主要为冰碛物、坡积物、崩积物，滑坡体内、底界面无明显的滑面，组成物质为含碎石粉土、含碎石黏土及碎块石土，结构较松散，地下水位埋深32～42 m。滑坡前缘有泉水点出露。

调查显示滑坡临空面附近有明显的滑塌现象(如图3)，前缘有鼓胀裂缝、宽约0.6 m、深1.5 m，后缘可见下错变形台坎、位移约2 m。前缘上游侧局部基岩出露，下伏基岩为二迭系东坝组(P2d)玄武岩，呈弱风化状，流层面产状为N30°～45°W，NE∠35°～45°。

从滑坡堆积体成因机制、物质组成及变形迹象上分析可知：该滑坡为推移式滑坡，且在水库蓄水条件下，由于库水浸泡软化作用和水位升降产生的浮托减重效应和动水压力效应会使滑坡具有局部和整体失稳的可能。滑坡一旦失稳，滑体进入水库产生的涌浪将对对岸的各基河电站厂房造成严重的威胁，因此，有必要对该滑坡进行稳定性分析及涌浪预测研究。

图2　草可都滑坡工程地质平面图

图3　草可都滑坡前缘局部滑塌现象

2计算参数的选取及稳定性计算结果

为分析滑坡在蓄水后的稳定性，应用加拿大GEO-SLOPE公司开发的GeoStudio系列软件中的SEEP/W和SLOPE/W模块计算边坡的渗流场及稳定性。根据梨园电站可行性研究报告中提供的岩土物理力学参数，并结合滑坡现状反演分析，草可都滑坡的岩土参数取值见表1及图4～5所示。计算结果表明，在库水位升降速率为2 m/d时，滑坡前缘极限平衡自动搜索滑面和指定滑带得出的滑坡局部和整体稳定安全系数分别为1.003和1.105(如图6～7)，前缘局部不稳定—欠稳定，草可都滑坡整体欠稳定—基本稳定。这说明在库水位升降的影响下，滑坡有可能局部或整体失稳，有必要对其整体或局部失稳时引起的涌浪进行分析。

表1　草可都滑坡参数取值表

3滑坡滑速及涌浪计算方法

3.1滑速计算

涌浪计算的前题是滑速计算，滑坡失稳后的滑速计算方法很多，目前具代表性的有能量法、谢德格尔法和改进条分法等。其中，能量法是根据能量守恒定理提出的一种计算方法，又称为整体运动方程法，它从研究滑坡体系内能量转化关系出发，避免了滑坡运动过程的复杂性，具有概念明确、简单易懂等优点[3]。本次计算即选用能量法。

根据该方法，滑坡入水时的速度为

(1)

式中：H为入江滑坡体重心距离水面的高度(m)；m为滑体质量(kg)；C、φ为滑面岩土体的内聚力(kPa)和内摩擦角(°)；L为滑面长(m)；α为滑面平均倾角(°)。

图4　堆积体水土特征曲线

图5　堆积体渗透系数

图6　滑坡整体稳定性分析结果

图7　滑坡前缘局部失稳时稳定性分析结果

3.2涌浪计算

对于滑坡涌浪计算，目前国内外常使用的经验方法主要有E.Node法、潘家铮法、水科院经验公式法以及基于运动学的分析方法等[4]。在这些方法中，考虑的影响滑坡涌浪高度的主要因素是基本相同的。目前使用较多的是潘家铮法和E.Node法，本次即采用潘家铮法计算。

潘家铮于1980年提出初始涌浪高度的计算方法，其假定涌浪首先在滑坡入水处发生，产生初始波，并向周围传播，他认为滑坡体侵入水库的断面积随时间的变化率是确定初始涌浪高度的主要因素，其计算模式按岸坡变形方向分为水平运动和垂直运动2种[5]。

图8　潘家铮法涌浪计算模型平面图

如图8所示，当岸坡上有一块厚度为d的滑坡体，且岸坡以速度v做水平变形进入水库中时，激起的初始浪高可表示为

当岸坡发生垂直运动时，激起的初始浪高可用下面的函数表示：

式中：ζ0为激起的初始涌浪高度；v为岸坡在水平方向或竖直方向的运动速度；d为滑体的厚度；h为水库平均深度；g为重力加速度。

4草可都滑坡涌浪预测

4.1整体失稳涌浪计算

首先应用整体运动方程法计算滑坡滑速，草可都滑坡体体积5.77×106m3，堆积体平均厚度45m，滑坡体质心距离水面的高度约为20m，滑体总质量为1.15×1 010kg，滑面岩土体的内聚力取值15kPa，内摩擦角取值20°；滑面长700m，滑面平均倾角24°。代入式(1)得v=8.120m/s。

图9　初始涌浪高度求解曲线图

由前面可知滑坡呈缓到中倾角，滑坡主要表现为水平滑动，岸坡表现为水平变形，计算涌浪高度时可把低缓倾斜的岸坡运动近似看作水平运动处理以达到简化计算的目的，库水深度可取水库蓄水后水位维持在1 618m时的平均深度，h=80m。

根据潘家铮给出的求对岸点A的最高涌浪公式[5]：

式中：ζ0为初始浪高；B为水面宽度，取B=380m；k为波的反射系数，通过一些实例计算分析，在求对岸最高涌浪时，k可近似地置为1；l为滑坡前缘顺江方向长度的一半，取为180m。

n取1，代入，化简可得到对岸涌浪高度：

涌浪传播至对岸后受岸坡的阻挡，涌浪的机械能转化和转移，李玉成在考虑斜坡堤前波浪发射而不破碎的前提下，提出了波浪的爬高计算[6]。其考虑了涌浪爬坡方位角的影响，得出了涌浪爬高的经验估算公式

式中：ζ′为涌浪爬坡后高度；ζ为库岸边的涌浪高度；α为斜坡坡角(弧度)；β为爬坡方位角。

到达对岸涌浪爬高

由于对岸各基河电站高程在1 630m左右，只比蓄水位1 618m高出12m，可见草可都滑坡整体失稳下滑产生的涌浪会对电站厂房安全构成严重威胁，有必要做出相应的应对措施来确保电厂及工作人员的安全。

到达下游坝址处涌浪高度的计算：根据潘家铮给出的结论，对岸A′点最高涌浪公式为[5]

式中：ζ0为初始浪高；B为水面宽度；k为波的反射系数，一般值为0.85～0.95，本次取0.95；L为滑坡体沿库岸的宽度，取L=360m，l为其半长；θn为传到A′点的第n次入射角与岸坡法线的交角；x0为滑坡区中心到A′点的距离，取28km。

代入，可得：到达坝址处涌浪高度：ζ″=0.445m。滑坡至坝址之间不同库段的涌浪高度如图10所示。

图10　草可都滑坡整体失稳时涌浪沿程高度

4.2局部失稳涌浪计算

滑坡局部失稳时，欠稳定堆积体体积约2.86×105m3，平均厚度12 m，滑体重心距离水面的高度约为3 m，滑体总质量为5.72×108kg，滑面岩土体的内聚力为15 kPa，内摩擦角为20°；滑面长119 m，滑面平均倾角37°。据此算出局部失稳时滑速v=5.413 m/s。

由于滑面较陡，岸坡主要表现为垂直变形，根据潘家铮涌浪计算理论可将滑坡运动近似看作垂直运动处理，方法如前所述，这里不再赘述，结果见表2。

表2　草可都滑坡局部失稳时涌浪计算结果

滑坡至坝址之间不同库段的涌浪高度如图11所示：

图11　草可都滑坡前缘局部失稳时涌浪沿程高度

5结语

1)草可都滑坡为一大型堆积体滑坡，经计算，在库水位升降速率为2 m/d时，滑坡有可能局部或整体失稳，一旦失稳，滑坡入水引起的涌浪有可能对对岸电站安全构成威胁，有必要对其进行涌浪分析。

2)运用能量法及潘家铮涌浪算法对草可都滑坡整体及局部失稳时的滑速、初始涌浪及沿程涌浪高度进行了计算，结果显示：滑坡整体失稳时涌浪将会威胁到对岸各基河电站安全；由于涌浪高度沿程呈指数衰减，到达坝址的浪高不到0.5 m，对下游大坝的影响很小。滑坡局部失稳时涌浪对其对岸各基河电站有一定影响，但威胁不大，对下游大坝几乎无影响。

参考文献

[1] 廖建，许模.西南地区某水库滑坡涌浪预测[J].甘肃水利水电技术，2013，49(2)：27-29.

[2] 王家成，陈星.基于潘家铮滑速和涌浪算法的某滑坡涌浪灾害研究[J].灾害与防治工程，2010，68(1)：16-22.

[3] 张丙先，张登旺.王家湾滑坡滑速涌浪计算[J].四川水利，2007(6)：45-47.

[4] 罗翔，李怡，周世良.库区滑坡涌浪理论研究进展[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2013，32(3)：480-483.

[5] 潘家铮.建筑物的抗滑稳定和滑坡分析[M].北京：水利出版社，1980：133-150.

[6] 李玉成，滕斌.波浪对海上建筑物的作用[M].北京：海洋出版社，2002：234-238.

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.02.023

收稿日期：2015-04022

作者简介：马旭(1989-)，男(汉)，江苏沛县，硕士

中图分类号：P642.22

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2015)02-0085-05

The calculation to surge prediction and evaluation to one landslide in Liyuan reservoir

MA Xu，et al.

(StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection，

ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059，China)

Abstract：Aiming at the hazards of reservoir bank safety and reservoir operation leaded by slide loosing stability and slide bodies entering the water at a high speed，taking the Caokedu landslide in Liyuan reservoir as an example，using finite element analysis software，this paper calculates the stability of the slope with changing water lever，and calculates the sliding speed，the initial surge height，and the along height of the surge by using energy method and Pan Jiazheng surge calculation method.The result shows that the surge appeared by the loosing stability of whole Caokedu landslide will threaten the safety of each power station on the opposite band of the base river，but the impact is little to the downstream dam site.During the partly loosing stability，the influence of surge to each power station plant on the opposite band and the dam site is very little.

Key words：Caokedu landslide；surge；stability analysis；hazard prediction