水库滑坡涌浪动压力特征试验研究

郑 莉，杜 娟*，刘庆丽，汪 洋，刘继芝娴，刘 洋

(1.中国地质大学(武汉)教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，湖北 武汉 430074；2.重庆市万州区地质环境监测站，重庆 万州 404199;3.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

滑坡涌浪是海洋、水库及河道中重要的次生灾害类型，涌浪造成的危害甚至远远超过滑坡灾害本身[1]。滑坡涌浪的破坏作用主要来源于波浪运动和波浪荷载两个方面，其中波浪荷载是造成建筑物和人员损伤的重要原因[2]。特别是在半封闭的峡谷型水库中，由于河道横断面尺寸相对较小，滑坡涌浪传播到对岸岸坡时，波高及波浪能量无法得到充分的衰减，涌浪越过岸堤将淹没沿岸的房屋、农田，高速运动水流携带的巨大冲击力会击毁岸坡水工建筑物及河道中的船只等。例如：1961年，湖南柘溪水库塘岩光滑坡入水形成巨大涌浪，到达对岸的涌浪高达21 m，直径25 cm的大树被连根拔起，同时由于涌浪的冲击作用，滑坡对岸坡体被反复掏蚀冲刷，相继产生多处覆盖层坍塌[3]；1985年，新滩滑坡滑入长江产生的涌浪高达54 m，涌浪向对岸及上下游传播，击毁机动船10余艘、大小木船60余只，造成9人死亡[4]。

目前，针对波压力的研究多集中在海岸工程领域，在物理模型试验方面，研究者多倾向于采用规则波，研究不同入射形态的波浪对防波堤等水工构筑物的作用特点、作用力的分布特征及其影响因素等[5-8]。模型试验是研究滑坡涌浪荷载的主要手段，黄锦林[9]通过物理模型试验测试了坝前涌浪压力，并提出了库岸滑坡涌浪压力的计算模型；白薇等[10]研究了滑坡涌浪对桩柱的冲击力，并给出了桩柱处动水压力极值的计算公式；田野等[11]研究了滑坡涌浪冲击压力在本岸及对岸桥墩上的作用特点和压力大小，并给出了桥墩最大冲击压力的计算公式。目前专门针对岸坡滑坡涌浪压力的研究相对较少，且多停留在定性研究阶段，Tan等[2]分析了作用于岸坡上的滑坡涌浪波压力特征，认为作用在岸坡上的滑坡涌浪动压力可分为射流冲击压力和涌浪脉冲压力两种类型，并研究了涌浪脉冲压力在岸坡上的分布特征；de Carvalho等[12]基于二维物理模型试验，研究了滑坡涌浪的产生、传播及对下游岸坡的动压力特征。

前人对实体涌浪脉冲作用力已有部分研究，但三峡库区等山区河道一些滑坡涌浪的视频显示出，在滑坡入水后首先会产生“水舌”这样的非完整涌浪，并快速到达对岸，形成水舌冲击压力，然而对于水舌冲击压力的强度及灾害后果却鲜有报道。一般水舌高度远大于实体涌浪的高度[13-14]，其对岸坡的冲击力是否大于实体涌浪脉冲作用力？由水舌冲击压力到脉冲作用力的完整的衰减过程如何？针对这些问题，本文基于三维物理模型试验获得了滑体入水断面上滑坡涌浪的形态及运动特征，研究了作用于岸坡上的滑坡涌浪动压力类型、不同类型动压力的作用特点及其分布规律。

1 物理模型试验概况

1.1 试验设计

在三峡库区河道几何形态分析的基础上，按照1∶400的比例建立三峡库区典型中等宽缓库段的概化河道模型，这类岸坡是库区社会经济活动最频繁的地带，滑坡涌浪灾害风险极高。试验河底宽度为0.75 m，岸坡坡角为20°，河底及岸坡表面相对光滑。在选定库段滑坡灾害点规模统计的基础上，用水泥和细沙按照一定的配比制成4组不同尺寸的方形块体，保持块体密度基本一致，约为2.3 g/cm3。采用控制变量法，设计包含不同滑体规模(宽×长×厚)、滑体入水速度和水深的试验方案，并选取试验记录最完整、最具代表性的36组试验(见表1)进行分析。为了减小试验的随机误差，每组试验进行3次，剔除最离散的一组，试验结果取剩下两组的平均值。

表1 试验工况设计Table 1 Design of physical model test

1.2 试验控制及量测系统

本试验采用轨道-滑车系统控制块体入水，试验中滑块由滚轮式滑车沿着固定的轨道运载入水，并在滑体入水口附近两侧布置两组红外激光测速仪，用于监测滑体的瞬时入水速度，实际入水速度与设计速度的误差均控制在0.01 m/s内。

考虑到滑坡滑动主方向上的涌浪高度、传播速度和能量大[15-17]，将滑体入水断面作为此次滑坡涌浪波压力测试的主要断面。测量仪器主要包括摄像机、波高仪、网格背景板和数字压力传感器，具体布设位置如图1所示。其中，在滑体入水点正对岸岸坡上贴有分辨率为1 cm的网格纸，并放置一支与坡面平行的波高仪，用于爬坡浪高度的测量；对岸岸坡上滑坡涌浪压力的测量采用CY200数字压力传感器，采集频率为200 Hz，精度为1‰(见图1)。每次试验之前，对波高仪进行静水位测量，并对压力传感器进行零点采集，去除零点偏移，以提高测量的精度。

注:CWG表示波高仪；CH表示数字压力传感器；C表示摄影机。图1 试验河道平-断面图和测量仪器布设位置Fig.1 Plane and section diagrams of physical model test and arrangement of measuring instruments

2 试验结果与分析

2.1 滑坡涌浪特征分析

在滑体冲击入水的过程中，由于体积侵占效应及能量传递效应，滑体前缘出现明显的水体分离现象(见图2)，形成不同类型的涌浪，其中：表层水体最先形成向对岸运动的抛射状水舌[见图2(a)]；同时滑体前缘下部水体在滑体的推挤作用下，形成第一列径向波，即首浪[见图2(b)]；首浪以半椭圆形沿水面传播，到达对岸岸坡后，形成第一列爬坡浪；滑体完全入水后，由于体积侵占作用，滑体尾部形成的凹腔规模达到最大，近场区周围水体在内外压强差及重力作用下向滑体运动方向汇入进一步吸收滑体冲击能，形成向远处传播的第二列实体涌浪(次浪)[见图2(c)]；第二列实体涌浪到达坡前并与首浪爬高的峰值或谷值相互叠加，形成第二列爬坡浪；后续波列由涌浪在河道中反射叠加形成，随着波浪能量的不断衰减，传播浪及爬坡浪的高度逐渐降低。

图2 水库滑坡涌浪的产生过程Fig.2 Generation process of reservoir landslide- induced surge

水库滑坡涌浪波幅是影响岸坡涌浪爬升高度和涌浪动压力的主要指标，记录0.2×0.2×0.1×2.0[宽(m)×长(m)×厚(m)×速度(m/s)]工况下主断面上滑坡涌浪波幅的时程变化，见图3。根据不同波列的产生机制，初始涌浪波峰振幅(ac1)由首浪产生，第二个涌浪波峰振幅(ac2)由次浪产生，初始波谷振幅(at1)由滑体尾部凹腔塌陷产生。

图3 水库滑坡涌浪波幅的时程变化曲线Fig.3 Time-history curves of wave height of reservoir landslide-induced surge

通过对比主断面上不同测点的滑坡涌浪波幅数据(见图3)发现：最大涌浪波峰振幅往往出现在前两列波中，在滑体入水口附近，最大涌浪波幅往往出现在第一列波，而随着横向传播距离的增加，会出现次浪波峰振幅大于首浪波峰振幅的情况，最大波谷振幅则全部出现在初始波谷中；对于同一测点，随着传播时间的增加，波浪之间反射叠加作用明显，滑坡涌浪波幅逐渐减小，波长及波浪周期呈现逐渐增大的趋势；滑坡涌浪传播到对岸时，受地形变化的影响发生浅水变形，波高增大[15]。因此，爬坡浪(ar)的高度(由CWG3波高仪测量)要远远大于传播浪的高度。

2.2 滑坡涌浪动压力类型及作用特点

2.2.1 滑坡涌浪动压力类型

根据Tan等[2]的试验观测结果，滑坡涌浪形成后，以水舌和实体涌浪两种水体形态作用于岸坡上，分别产生瞬时水舌冲击压力和涌浪脉冲压力。在本次试验过程中观察到，水舌以射流的形式冲击岸坡，在岸坡上溅落破碎的瞬间出现与坡面平行的破碎波，产生瞬时水舌冲击压力极值，整个过程历时十分短暂，但形成的冲击波压力往往较大；实体涌浪对岸坡的瞬时冲击作用不明显，主要是实体水波在岸坡上反复爬升、回落，从而产生多个脉冲压力值。

水舌溅落范围内的岸坡遭受瞬时水舌冲击压力作用。肖莉丽等[14]通过物理模型试验发现，水舌形成后以近抛物线形的轨迹向对岸运动，且其运动轨迹与水舌高度(水舌形成后运动至最高点的高度)和水舌长度(最高点距“舌根”的距离)两个因素有关。通过分析本次试验数据发现，水舌高度、水舌长度和水舌水平运动距离与滑体入水速度和滑体入水迎水面积(即滑体规模)呈正相关关系，见图4。

图4 滑体入速度和水迎水面积对水舌运动参数的影响Fig.4 Influence of headwater area and velocity of sliding body on motion parameters of water tongue

此外，水舌水平运动距离与水舌长度的比值大于2，并不服从二次抛物线的对称性，这是因为水舌越过最高点一定距离后发生破碎，从而改变了运动状态。根据本次试验数据(见图5和图6)，两组试验中水舌均到达对岸岸坡，水舌溅落范围内的压力测点采集到明显的水舌冲击压力值[见图5(d)中1-1]；水舌溅落范围外的压力测点传感器仅记录到水舌对岸坡的冲击振动而产生的微小压力波动[见图6(d)中2-1]。

水舌冲击岸坡后，实体涌浪在岸坡上爬高并产生一系列脉冲压力值，结合涌浪爬高特征[见图5(b)、(c)和图6(b)、(c)]认为，第一个脉冲压力峰值为首浪爬高产生，第二个脉冲压力峰值由次浪爬高产生，涌浪爬升到一定高度后，开始回落并产生负的脉冲压力值。这是由于滑坡涌浪在坡体表面自下而上爬坡，因此下部测点往往最先产生脉冲压力峰值极值，而较高位置测点首浪脉冲压力峰值和次浪脉冲压力峰值的出现均存在一定的滞后性(见图5中1-2、1-3，图6中2-2、2-3)。

注：1-1表示水舌冲击压力产生；1-2表示首浪脉冲压力峰值产生；1-3表示次浪脉冲压力峰值产生。图5 水舌冲击压力作用于岸坡时的滑坡涌浪动压力监测Fig.5 Monitoring data of surge dynamic pressure with water tongue impacting on bank slope

注：2-1表示岸坡震动产生微小压力波动；2-2表示首浪脉冲压力峰值产生；2-3表示次浪脉冲压力峰值产生。图6 岸坡无水舌冲击压力作用时的滑坡涌浪动压力监测Fig.6 Monitoring data of surge dynamic pressure without water tongue impacting on bank slope

2.2.2 滑坡涌浪动压力变化规律

根据滑坡涌浪动压力过程曲线[见图5(d)]可以看出，水舌与实体涌浪对岸坡的作用都是以脉冲压力的形式体现，但由于力的作用方式不同，两种作用力的特点存在差异。其中，水舌的瞬时冲击特征明显，瞬间压力极值产生后由于水体振荡，会产生一系列较低的冲击压力值；涌浪脉冲压力在涌浪反复爬高及回落的过程中产生，是一种反复作用的过程力，岸线工程的破坏往往由脉冲压力的反复冲击作用产生。

由图5(d)和图6(d)可见：滑坡涌浪脉冲压力以前3个压力峰值最为明显，之后压力波动趋势减缓。本次选取0.29 m水深工况下的试验数据，读取不同高度水平压力测点的前三个波列脉冲压力值，并统计最大脉冲压力在前三个波列中出现的次数(见图7)，结果发现：低水平测点(高度水平1)，涌浪最大脉冲压力基本出现在前两个压力峰值中，说明水面以下测点受初始涌浪的影响较大；随着测点水平的升高，特别是静水位附近测点(高度水平4)，涌浪最大脉冲压力出现在第三个压力峰值，这是因为第三个压力峰值出现时，波浪之间的反射叠加作用明显，静水面附近水质点运动状态急剧改变，出现紊流，导致涌浪压力值增大；水面以上测点，涌浪脉冲压力值主要受涌浪爬高的影响，涌浪最大脉冲压力基本都出现在第二个压力峰值。

图7 不同高度水平滑坡涌浪最大脉冲压力极值在前三 个波列中出现频次统计 (h=0.29 m)Fig.7 Frequency statistics of extreme impulse pressure of landslide-induced surge at different height levels appearing in the first three wave train (h=0.29 m)

2.2.3 水舌冲击压力与涌浪脉冲压力的量值关系

为了探究两种类型滑坡涌浪动压力的量值关系，考虑不同水深工况，统计每一高度水平水舌最大冲击压力值和涌浪最大脉冲压力值，并绘制水舌最大冲击压力(Pim)与涌浪最大脉冲压力(Ppu)的散点图，见图8。

图8 不同水深工况下各高度水平处水舌冲击压力与涌浪脉冲压力的关系曲线Fig.8 Curves of relationship between impact pressure and impulse pressure at different levels with different water depths

由图8可见，不同高度水平的压力测点位置水舌冲击压力与涌浪脉冲压力比值各有差异，下部压力测点两者比值相对较小，甚至出现比值小于1的情况；而静水位以上压力测点，水舌冲击压力往往大于涌浪脉冲压力，水舌最大冲击压力可达到脉冲压力值的30倍。分析其原因认为：一方面，水面以下压力测点在受水舌冲击时，由于水垫层的缓冲作用抵消了一部分冲击能量，从而降低了水舌冲击力；另一方面，对于同一列实体涌浪，随着涌浪爬高的增加，其携带的能量不断降低，从而造成涌浪脉冲压力减小。因此，水面以上的岸坡更易受水舌冲击破坏作用，而水面以下岸坡的稳定性及完整性主要受控于岸坡的脉冲压力响应特性。

2.3 滑坡涌浪脉冲压力分布特征

不同水深工况下滑坡涌浪最大脉冲压力分布图，见图9。

图9 不同水深工况下滑坡涌浪最大脉冲压力分布(滑体入水速度v=2.0 m/s)Fig.9 Distribution of maximum impulse pressure of landslide surge under different water depths (water entry velocity of sliding body v=2.0 m/s)

由图9可以看出：涌浪脉冲压力与水深和滑体规模的关系呈现如下规律：

(1) 在低水位(h=0.23 m)工况下，滑坡涌浪最大脉冲压力分布近似呈倒“V”形，涌浪最大脉冲压力在静水位以上，当滑体规模较小时，涌浪最大脉冲压力出现在距静水面最近的CH2和CH8压力测点，随着滑体规模增加，滑坡涌浪最大波幅增大，涌浪最大脉冲压力出现的位置向上移动；同时，对同一压力测点，大规模滑体产生的涌浪最大脉冲压力大于小规模滑体；相同方量的两个滑体，增大滑体入水迎水面积，涌浪最大脉冲压力值也随之增大。

(2) 中水位(h=0.25 m、h=0.27 m)工况下，滑坡涌浪最大脉冲压力整体分布仍然呈倒“V”形，此时涌浪最大脉冲压力作用点基本均位于静水面以下距离静水面最近的压力测点。

(3) 高水位(h=0.29 m)工况下，静水位以上，滑坡涌浪最大脉冲压力呈倒“V”形分布，但在静水位以下，涌浪最大脉冲压力近似呈垂直分布，涌浪最大脉冲压力位于静水位以上的CH5和CH11压力测点。

由图9可见，从最低位置压力测点向上，滑坡涌浪最大脉冲压力呈现先增大后减小的趋势，且涌浪最大脉冲压力作用点位置几乎都分布在静水位附近，这一结论与Tan等[2]的研究成果一致。这是因为滑坡涌浪到达对岸受阻后，运动状态发生改变，其中以静水面上下一定范围内水体的运动最为剧烈，速度最大，因此水面附近的涌浪脉冲压力最大。此外，随着涌浪爬坡高度的增加，能量逐渐衰减，导致滑坡涌浪脉冲压力减小。以h=0.23 m和h=0.27 m两种水深工况为例，将滑坡涌浪脉冲压力极值出现位置作为起始水平，计算起始水平之上各高度水平处滑坡涌浪脉冲压力极值累计衰减率，见图10。

图10 滑坡涌浪脉冲压力极值衰减过程(滑体入水速度v=2.0 m/s)Fig.10 Attenuation process of maximum impulse pressure of landslide surge (water entry velocity of sliding body v=2.0 m/s)

由图10可见，随着涌浪爬坡高度的增加，滑坡涌浪脉冲压力极值衰减速率往往呈现出先增大、后减小的特征，据此将滑坡涌浪脉冲压力分为快速衰减区和缓慢衰减区两部分，其中快速衰减区一般在涌浪最大脉冲压力测点之上两个高度水平内。另外，在滑坡涌浪脉冲压力快速衰减阶段，滑坡涌浪脉冲压力极值累计衰减率基本已超过60%。

3 结论与建议

水库滑坡涌浪动压力可分为水舌冲击压力和涌浪脉冲压力。其中，水舌冲击压力作用时间极短，但瞬时压力极值较大；涌浪脉冲压力极大值往往出现在前三个压力峰值中，之后逐渐衰减。当水舌冲击压力和涌浪脉冲压力同时作用于岸坡上时，水面以上压力测点水舌冲击压力大于涌浪脉冲压力；水面以下压力测点出现水舌冲击压力小于涌浪脉冲压力的情况。

对岸岸坡处滑坡涌浪脉冲压力极大值出现在静水位附近；自坡底向上，滑坡涌浪脉冲压力呈现先增大后减小的变化趋势；滑坡涌浪脉冲压力的衰减过程包括快速衰减和缓慢衰减两个部分，在快速衰减阶段滑坡涌浪脉冲压力极值的累计衰减率往往超过60%。

本次试验主要分析了作用于岸坡上的滑坡涌浪动压力类型、作用规律及其分布特征，后续研究将考虑河道特征及岸坡条件的变化，完善试验条件，进一步分析滑坡涌浪动压力的影响因素，并构建其量化计算公式。