白鹤滩库区王家山滑坡蓄水涌浪风险评价

李大龙， 尉海江， 易小宇， 顿佳伟

(1.浙江华东建设工程有限公司， 杭州 310014； 2.成都理工大学环境与土木工程学院， 成都 610059； 3.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)， 成都 610059)

水库蓄水通常是诱发库岸滑坡的关键因素，在水库蓄水初期，库区可能会频繁发生滑坡和崩塌，从而引发涌浪[1]。1960年2月，意大利Vajont水库开始蓄水；1963年10月9日，大坝左岸附近的山坡发生巨大滑坡，导致超过20.5×106m3的水漫过大坝，摧毁了下游的几个村镇，造成1 925人死亡[2]。2003年6月三峡水库开始蓄水，2003年7月14日，湖北省秭归县千将坪发生山体滑坡，产生涌浪，造成12人死亡[3]。这些世界各地水库区发生的滑坡灾害都表明，水库滑坡涌浪的研究对库区安全具有重要意义。在水库的前期运行阶段，就应该对潜在滑坡产生的涌浪进行研究[4-6]。

目前，中外对于滑坡涌浪研究的方法主要有经验公式法、模型试验法和数值模拟等方法。经验公式直接显示了滑坡涌浪特征参数与主要影响因素之间的关系，是滑坡涌浪风险分析中最为常用的方法[7]。模型试验法是水库滑坡涌浪特征研究的重要手段，经验公式建立大都与室内试验有关，中外都重视滑坡涌浪的实验研究。黄波林等[8]采用物理模型对三峡库区龚家方崩滑体的涌浪进行了物理原型试验研究，并与基于水波动力学的模拟结果进行了对比分析。数值模拟方法能够展现滑坡入手全过程，可以获取任意点的波高、波长、波动周期等特征，在滑坡涌浪的计算和预测中应用广泛[9]。在数值模拟中，通常将水库滑坡涌浪模型与有限单元法、光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics，SPH)、流体体积法(volume of fluid，VOF)法等数值方法结合进行滑坡涌浪分析[10-12]。

白鹤滩水电站是金沙江梯级电站的重要一环。白鹤滩水电站计划2013年主体工程正式开工，2022年工程完工。电站建成后，将仅次于三峡水电站成为中国第二大水电站。2021年，白鹤滩水电站将进行试验性蓄水，水位逐渐上升至正常蓄水位825 m，其后在死水位765 m与正常蓄水位825 m之间变动。

王家山滑坡位于白鹤滩库区小江河右岸王家山段，距离象鼻岭移民安置区直线距离约1.3 km，现今处于蠕滑变形状态。白鹤滩水电站水库蓄水后，王家山滑坡四分之一滑体将淹没在库水中，其稳定性备受关注，失稳破坏是否影响临近移民安置区需要进一步评价。基于此，现以王家山滑坡为研究对象，对其稳定性进行和失稳涌浪风险进行分析评价，以期为王家山滑坡的风险管理提供科学依据，为其他山区水库滑坡涌浪风险研究提供参考。

1 滑坡基本特征

1.1 形态边界特征

如图1和图2所示，王家山滑坡位于金沙江支流小江右岸，滑坡体整体坡度25°～35°；在高程870～950 m，发育平顶小山包及滑坡凹地，地形坡度15°～20°；高程约870 m至前缘小江右岸730 m高程，地形坡度35°～40°，局部45°～50°。滑坡左侧两侧以冲沟为界，流向分别为S62°W和N75°W，在滑坡后缘处交汇，具典型的“双沟同源”和“圈椅状”地形特征。滑坡前、后缘高差约450 m，滑坡顺坡长800 m，宽90～500 m，面积约23.5×104m2。根据钻孔资料，滑坡堆积体厚14.0～87.6 m，滑坡中部较厚，后缘和前缘较薄，平均厚度约26 m，总体积约611×104m3，为一大型土质滑坡。

1.2 物质组成及结构特征

该段岸坡地层岩性复杂，基岩主要有古生界奥陶系下统红石崖组(O1h)，中统巧家组(O2q)、大箐组(O2d)；泥盆系中统缩头山组(D2st)；石炭系下统万寿山组(C1ws)，中统威宁组(C2w)，上统马宁组(C3m)；二叠系下统梁山组(P1l)、栖霞-茅口组(P1q+m)。覆盖层主要为新生界第四系滑坡堆积物(Qdel)和冲洪积物(Qapl)。

图1 王家山滑坡区域位置图Fig.1 Location of Wangjiashan landslide

图2 王家山滑坡工程地质平面图Fig.2 Engineering geological graph of Wangjiashan landslide

图3 王家山滑坡工程地质剖面图Fig.3 Engineering geological profile of the Wangjiashan landslide

滑坡堆积物(Qdel)上部为碎石混合土，灰、灰黄色，其中块石粒径0.2～1.0 m，含量10%～15%，碎石粒径6～20 cm，含量20%～30%，砾石粒径一般0.5～6 cm，含量30%～40%，其余为粉土，块、碎石呈棱角状，成分为灰岩、白云岩、砂岩等，结构松散-稍密，局部有架空现象，厚14.00～49.90 m。下部为粉土质砾，灰黄、深灰、灰黑色，其中碎石粒径6～8 cm，含量约5%，砾石粒径0.2～6 cm，含量50%～60%，局部含量较高，其余为粉土，碎、砾石呈棱角状，成分为白云岩、灰岩及少量砂岩、粉砂质泥岩等，结构中密-密实，厚3.04～13.30 m。

冲洪积物(Qapl)位于滑坡前缘，主要为含粉土砾，灰黄、灰褐色，其中砾石粒径0.2～6 cm，含量60%～80%，其余为砂及少量粉土，卵、砾石呈次棱角-次圆状，成分为千枚岩、白云岩等，结构中密-密实，厚3.04～13.30 m。

滑带土为含砾黏土，灰黑、灰褐色，稍湿，硬塑，其中砾石粒径一般0.2～6 cm，含量20%～30%，局部砾石含量较高，砂粒含量约20%，其余为黏土，砾石呈次棱角状，表面见挤压光面，成分为白云岩，呈夹层状分布于滑坡下部粉土质砾内，埋深35.64～61.24 m，厚0.61～2.26 m。

1.3 滑坡变形特征

SBAS-InSAR技术近年被大量应用于滑坡的形变分析[13]。利用2017年2月19日至2020年8月26日Sentinel-1A卫星降轨SAR数据对王家山滑坡的历史形变回溯分析，得到其整体形变如图4所示。图4表明，王家山滑坡整体处于蠕变状态，视向形变速率达-43～-12 mm/a，其中红色的强形变区位于滑坡的中部，形变速率达-43～-37 mm/a。

实地调查发现，滑坡体中部变形迹象最为明显，自2016年S303省道扩建完成至今，滑坡体中部沿S303省道陆续发现12处拉张裂缝(图2)，2处路面鼓胀变形和1处路面下沉。裂缝张开度20～30 cm，路面下沉量40～50 cm。滑坡后缘可见明显的下错台坎，下错垂直距离可达2 m，坡体上有大量碎石堆积；滑坡前缘局部出现滑塌、崩落等变形破坏，特别是在雨季期间，前缘滑塌破坏尤为明显。

沿图4所示剖面方向在强变形区选取A、B和C三个特征点，提取相关历史形变信息，并与巧家县气象局获取的同期历史月降雨量数据对比分析。如图5所示，受降雨影响，雨季(5—8月)滑坡形变速率显著增加。这表明，降雨是引起王家山滑坡变形主要诱发因素之一。随着后期库水及降雨共同作用于该滑坡，可能导致滑坡稳定性下降，出现加速变形迹象，有发生整体滑动破坏的可能。

图4 王家山滑坡形变速率图Fig.4 Deformation rate graph of Wangjiashan landslide

图5 InSAR时序变形与降雨响应Fig.5 InSAR time-series deformation and rainfall response

2 滑坡稳定性数值分析

2.1 数值模型建立

根据王家山滑坡地形地貌和结构特征，采用简化原型的方式建立数值分析模型，蓄水前地下水位和最高蓄水位时地下水位分别采用钻孔实测水位和推测地下水位(图6)。滑坡稳定性分析采用加拿大Rocscience公司开发的Slide软件[14]。

图6 滑坡稳定性计算模型Fig.6 Landslide stability calculation model

2.2 计算工况和参数选取

根据库区实际环境条件，计算主要考虑持久工况、短暂工况和偶遇工况三种工况。持久工况的工况组合主要为天然工况和天然+不同蓄水位(780、785、790、800、825 m)工况；短暂工况的工况组合主要为暴雨工况和暴雨+不同蓄水位(780、785、790、800、825 m)工况；偶遇工况的工况组合主要为地震工况和地震+蓄水(825 m)工况。参考室内试验和工程地质手册结合滑坡简化模型进行参数取值，具体取值如表1所示。

2.3 滑坡稳定性分析

计算分析表明，王家山滑坡在天然工况下整体稳定系数为1.066，处于基本稳定状态；暴雨工况下整体稳定系数为0.965，处于欠稳定状态，多处出现拉裂缝、鼓胀等变形迹象。白鹤滩库区蓄水后，在库水长期作用下，土体物理力学参数将有所降低，滑坡稳定性下降。天然+蓄水工况下稳定性系数0.942～1.060，滑坡体随着库水位上升稳定性降低，在最高蓄水位时有沿底滑面发生整体滑动破坏的可能。蓄水期间若遭遇暴雨，其稳定性系数将低于1.00，可能发生整体滑动破坏。在地震工况或者蓄水期发生地震，其亦会发生滑动破坏。鉴于王家山滑坡的稳定性情况，其失稳破坏的涌浪风险应做出进一步的评价，以保证象鼻岭移民安置点的安全。

表1 岩土体物理力学参数Table 1 Value of physical and mechanism paramenter of rock and soil mass

表2 不同工况条件下滑坡稳定性状态Table 2 Landslide stability states under different conditions

3 滑坡涌浪风险评价

3.1 最大滑速估算

涌浪的波及范围和致灾程度与滑体失稳入水的速度有关，确定滑体速度是分析涌浪灾害的前提。目前，常用的滑速计算方法有潘家铮法[15]、美国土木工程师协会推荐方法[16]和谢得格尔法[17]。

根据潘家铮法，将滑坡垂直平分成36个条块，每个条块宽度ΔL=20 m(图7)。假定孔隙水压力Ui=0，计算得出暴雨+蓄水825 m工况下，滑坡整体失稳破坏的最大速度为7.44 m/s。

图7 王家山滑坡滑速计算示意图Fig.7 Calculation diagram of sliding speed of Wangjiashan landslide

根据美国土木工程师协会推荐公式，从图7量取滑面平均倾角、滑面长度及滑体重心距水面高度。滑体单宽重量采用潘家铮法计算得出的单宽重量，将所有数据代入美国土木工程师协会推荐公式，计算得出暴雨+蓄水825 m工况下，滑坡整体失稳的最大速度15.17 m/s。根据图7，量取滑坡水平滑动距离L=181 m，带入谢德格尔法计算公式，计算得出暴雨+蓄水825 m工况下，滑坡整体失稳的最大速度为16.81 m/s。

3.2 涌浪高度估算

滑坡失稳入水速度是涌浪高度最重要的影响因素，此外水深、入水体积、水面宽度和水面面积也影响涌浪高度。涌浪产生后，波的传播问题非常复杂，目前还没有统一的计算方法。选取广泛使用的潘家铮法和水科院经验公式对滑坡失稳条件下涌浪的高度估算。

根据文献[15]，采用潘家铮法计算得出王家山滑坡整体失稳时最大入水速度7.44 m/s，在象鼻岭移民安置区的涌浪高度为3.23 m。根据文献[17]，采用中国水科院经验公式，引用前文潘家铮法、美国土木工程师协会推荐公式和谢德格尔法计算得出的滑速，计算王家山滑坡发生整体失稳破坏时象鼻岭移民安置点涌浪高度分别为2.09、4.67、6.54 m。

3.3 涌浪风险评价

前述分析表明，王家山滑坡在暴雨+蓄水工况下发生整体滑动破坏的最大入水速度，潘家铮法计算为7.44 m/s，美国土木工程师协会推荐公式计算为13.22 m/s，谢德格尔法计算为16.81 m/s；象鼻岭移民安置区的涌浪高度，潘家铮法计算为3.52 m，水科院经验公式法分别为2.09 m(潘家铮法速度)、5.67 m(美国土木工程师协会推荐公式速度)、6.54 m(谢德格尔法速度)。

从滑速计算成果来看，潘家铮法、美国土木工程师协会推荐公式和谢哥德尔法各有其适应的条件，美国土木工程师协会推荐公式只能计算滑面倾角大于滑带土内摩擦角，且滑面相对平直的滑坡；谢德格尔法考虑了滑坡的体积效应，但也只能计算滑面倾角较大的滑坡。谢德格尔法根据经验确定计算参数，因此计算结果可信度相对较低。潘家铮法考虑的因素较多，不仅能计算滑面相对平直的滑坡，也能计算滑面为曲面的滑坡，相对更符合实际。因此总体上来说，潘家铮法适用范围更广，计算结果更可信。

从涌浪计算结果来看，潘家铮法和水科院经验公式法计算得出了涌浪高度相差较大，水科院经验公式计算出的涌浪高度明显较小。由于水科院经验公式考虑了体积效应的影响，而该处不稳定体体积较小，故计算结果偏小；而潘家铮法考虑因素较多，计算结果相对合理。可采用潘家铮法计算的最大入水速度和涌浪高度成果。

象鼻岭移民安置点场平高程为827 m，仅高出正常蓄水位2 m。当水库蓄水至785 m滑坡发生整体失稳破坏时，由于象鼻岭移民安置点高于水位约40 m，滑坡整体失稳破坏产生涌浪对安置点基本无影响。在蓄水825 m+暴雨工况下，王家山滑坡整体滑动破坏在象鼻岭移民安置点产生的涌浪高为3.52 m；地震工况下，涌浪高度还会更高，移民安置点遭受涌浪危害影响问题是存在的。从安全角度出发，建议按潘家铮法的相应计算结果，对象鼻岭移民安置点采取相应的防浪措施，或对王家山滑坡进行工程治理，以消除涌浪风险，保证移民安置点安全。

4 结论

(1)王家山滑坡地形边界特征明显，滑坡堆积体厚14.0～87.6 m，体积约610×104m3，属厚层大型覆盖层滑坡。

(2)王家山滑坡前缘有滑塌现象，滑坡体内及右侧边界挡墙处可见鼓胀、倾倒变形现象，路面见拉裂、下沉等变形现象。王家山滑坡天然工况处于基本稳定状态，暴雨工况处于欠稳定状态，蓄水825 m或地震工况以及暴雨+蓄水工况下滑坡体不稳定，有发生整体滑动破坏的可能。

(3)当水库蓄水至785 m时，王家山滑坡可能会发生整体失稳破坏；在此水位条件下，由于象鼻岭移民安置点高于水位约40 m，滑坡整体失稳破坏产生涌浪对移民安置点基本无影响。在暴雨+蓄水825 m工况下失稳破坏，最大入水速度约7.44 m/s，象鼻岭移民安置点处的涌浪高度约3.52 m；蓄水+地震工况下，移民安置点的涌浪高度还会更大。

(4)当王家山滑坡在825 m水位发生整体失稳破坏时，象鼻岭移民安置点遭受涌浪危害影响问题是存在的，对象鼻岭移民安置点采取相应的防浪措施，或对王家山滑坡进行工程治理，以消除涌浪风险源，保证安置点安全。