水库蓄水后不稳定体塌落产生的涌浪计算与分析

王 倩

(新疆水利水电勘测设计研究院 地质勘察研究所，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

水利水电工程常修建于高山峡谷中，受工程投资的限制，工程中往往仅对坝址区及建筑物基础进行开挖加固处理。水库蓄水后，淹没范围大、回水区长，岸坡不稳定体在回水的影响下会造成岸坡失稳、向库内滑塌，对库容、波浪爬高等产生一系列的工程问题[1-2]。本文以新疆努尔加水库为例，计算分析不稳定体滑塌后对波浪的影响，进而确定坝顶高程。

1 项目简介

努尔加水库工程位于新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州昌吉市境内三屯河出山口中低山区，位于已建三屯河水库下游约17 km，已建三屯河渠首上游约7.3 km。

2 库区工程地质条件

1)洪积、泥石流：在坝线上游200～500 m河右岸发育4条大小不等的洪沟，沟长约400～800 m，沟口底宽1～2 m，冲沟两侧岸坡50°～65°，基岩多裸露，分布有少许崩坡积物。据观察，随着洪沟规模增大，由沟里向沟口坡积物渐增多，附着于坡面上，局部岸边陡立，形成柱状、墙状岩体群。上述各洪沟口均分布大小不等的洪积扇，扇体由碎石土、砂土、含土砂砾石组成。

在坝址上游约1 km处河右岸发育一条较大规模的洪沟，沟长约2～3 km，沟口形成洪积扇体，扇缘长达250 m。据观察，每年都有新的洪积堆积物形成，特别是近两年降雨频繁，暴雨季节带入主河道洪积物增加，并伴有泥石流(砂、碎石)，其物质来源于强烈降雨使洪沟内少许崩坡积物集中冲刷、携带、搬运堆积形成。从洪沟口量测泥流厚0.2～0.3 m，分布于洪积扇中部及冲刷切割沟内，面积约占洪积扇1/3，泥流物质规模不大，与上述洪积物共同构成水库淤积物。

2)不稳定岩体：坝址区河谷左右岸基岩经过雨水冲刷和岸边卸荷形成孤立的柱状或墙状岩体，相对高度30～50 m，局部构成不稳定岩体，分布于岸边或山边。不稳定岩体特征见表1。

3)不稳定岸坡：在坝轴线上下游左右岸基座阶地和基岩形成陡立岸边，平行岸边发育卸荷裂隙带，卸荷裂隙带宽2～4 m，张开0.2～1.0 m，切割深度20～30 m。由PD2、PD4、PD5、PD6、PD7平硐可知，硐口0～3 m发育卸荷裂隙带，裂隙间距10～50 cm，张开0.5～2 cm，面粗糙，延伸长5～8 m。坝轴线左右两岸的Ⅲ级和Ⅴ级阶地，Ⅲ级阶地相对高度20～25 m，Ⅴ级阶地相对高度75～80 m，均为基座阶地。由于河道侧蚀形成连续的陡立岸坡，坡度70°～80°，局部近直立，在距岸坡边2～4 m可见平行岸坡连续分布的裂缝(图1、图2)，裂缝宽2～15 cm，延伸长5～10 m，切割深15～20 m。

综上所述，坝轴线两岸的岸坡强卸荷带宽2～4 m，强卸荷带当降雨量较大或春季融雪时常有塌岸发生,局部构成不稳定岩体，对坝体影响不大，对坝址附属建筑物进、出口边坡稳定有影响。

4)风化层厚度: 根据平硐及钻孔资料并结合地震波速确定，强风化层厚3～6 m，弱风化层厚5～6 m。

表1 坝址不稳定岩体特征表

图1 左岸阶地面上的拉裂缝

图2 右岸阶地面上的拉裂缝

3 不稳定体涌浪计算与分析

不稳定体位于坝线上游右岸300 m，分布高程为870～950 m(高80 m)，南北宽46～53 m(平均50 m)，厚约15 m左右，方量6.0×104m3。重心按910 m计(正常高水位878 m时取32 m、设计洪水位879.77 m时取30.23 m、校核洪水位881.89 m时取28.11 m)。滑坡体的平均厚度按5 m计。正常高水位878 m时库水面宽度为422 m，设计洪水位879.77 m时库水面宽度为446 m，校核洪水位881.89 m库水面宽度为452 m。

3.1 滑坡体滑速计算

滑坡体滑速计算公式[3]如下：

式中：g为重力加速度，取9.8 m/s2；H为滑坡水上部分重心至水面的高度；θ为滑坡倾角90°(不稳定体为柱状、墙状)，ctg90°=0；W为滑坡体总体积6.0×104m3；f为滑面摩擦系数，取残余强度值f=0.55。

=25.04 m/s

3.2 滑坡历时计算

设下滑过程为匀加速直线运动过程，计算公式[4]如下：

式中：T为滑坡持续时间；S为滑坡体下滑位移量，取滑坡体底部870～950 m长度80.0 m；a为滑动面上加速度，m/s2；a=gsinθ=9.8×sin90°=9.8 m/s2，sin90°=1。

该水库在正常蓄水位878.0 m时，库水面宽度B=422 m，滑坡体上下游的宽度按平均宽度L=50 m,半长l=25 m，X0=300+50=350 m(X0为坝轴线到滑坡体上游边缘的水平距离)，水深d=(878-822)=56 m，滑坡体平均厚度λ=15 m，估算滑坡速度v=25.04 m/s。滑动历时T估算为3.5 s。岸坡变形基本上属于水平滑移变形类型(图3)。

图3 涌浪计算图

3.3 涌浪高计算

试分析正常蓄水位878.0 m最高涌浪如下：

1) 计算一些常数[5]，见图4。

图4 垂直滑坡初始浪高曲线

由图4中曲线可知：

Δt=B/C=422/27.47=15.36 s

T/Δt=4.04/15.36=0.26

2) 计算坝址(A’)浪高。公式如下：

式中：k为波的反射系数，为0.9～1，取0.9；B为库水面宽度，取422 m；x0为滑坡体与计算点间距离，取350 m(滑坡体下游距坝距离300+滑坡体宽50)；L为滑坡体顺河向平均长度，取50 m；Σ为级数之和。

图5 滑坡涌浪传播曲线

同理，可计算出设计洪水位和校核洪水位时的涌浪高度，计算结果见表2。

表2 坝址涌浪汇总表

4 结 论

不稳定体出现最不利的整体高速下滑状况，对坝前库水产生的涌浪高度为0.65～0.73 m。而水库坝顶高程883 m，正常蓄水位878.0 m时产生的涌浪为0.73 m，涌浪爬高达不到坝顶高程，更不会翻过防浪墙，因此对工程运行不会产生影响。