狭窄库区滑坡涌浪特征分析及工程影响模型试验研究

李鹏峰,荆海晓,贺翠玲,吕庆超,诸 亮,李国栋

(1. 西安理工大学 西北旱区生态水利国家重点实验室,陕西 西安 710048; 2. 陕西省水生态环境工程技术研究中心,陕西 西安 710065; 3. 国家能源水电工程技术研发中心高边坡与地质灾害研究治理分中心,陕西 西安 710065;4. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065)

0 引言

滑坡产生的涌浪(也称海啸)频繁出现在水库、湖泊、沿海地区和海洋中,对附近居民的生命和财产构成威胁[1-2]。如1963年发生在意大利的瓦伊昂水库滑坡,大量岩石产生巨浪,漫过大坝,冲击下游村庄,造成2000多人伤亡[3]。1958年阿拉斯加利图亚湾发生滑坡,引发150 m高的海浪,滑坡在海湾另一侧上升524 m[4]。在国内的一些重点水利工程中,如三峡、小湾、洪家渡、瀑布沟、拉西瓦及紫坪铺等,近坝库区内均存在着严峻的边坡稳定和滑坡涌浪问题[5-6]。因此,研究实际工程中滑坡涌浪过程及涌浪带来的次生灾害,对实际工程预防和制定涌浪避险措施有重要意义。

虽然库区滑坡涌浪事故频发,但因滑坡失稳的高速性和突发性等,往往未能获取到实际工程中滑坡涌浪关键数据[7-8]。因此,物理模型试验是研究滑坡涌浪生成、传播过程及工程影响分析的常用手段[9]。如曹婷等[10]利用物理模型试验,研究了滑坡体形状对涌浪爬高的影响。李荣辉等[6]基于模型试验,研究了库区近坝滑坡体因素与涌浪高度的关系,得出涌浪高度与滑坡体下滑高度、排水体积成正比,与水深成反比。岳书波等[11]建立水槽模型,研究了滑坡涌浪生成过程,并将生成涌浪分为常规涌浪、推移涌浪和跃冲涌浪。肖莉丽等[12]针对三峡库区滑坡涌浪问题,建立1∶200的物理模型,研究了近源区多因素对首浪高度的影响。丁军浩等[13]建立了澜沧江某电站物理模型,研究了滑坡体的形状及滑速、水面形态及水深等因素对最大首浪高度和涌浪衰减特性。黄锦林等[14]建立了1∶150的乐昌峡水库物理模型,研究了滑坡体滑速对涌浪特性的影响,并将试验结果与多个经验公式进行了对比。现有研究主要针对宽广水域或无坝河段的滑坡涌浪问题,对于狭窄型河道水库而言,其影响涌浪生成和传播的因素更加复杂,因此,宽广水域滑坡涌浪规律未必能反映出近坝库区狭窄河道滑坡涌浪规律[6,15-16]。

本研究针对黄河上游羊曲水电站狭窄库区段内H1滑坡体和1#变形体失稳产生的涌浪问题,通过建立1∶200的物理模型试验,研究不同滑坡发生位置、不同失稳体积对涌浪波特性和工程的影响。并将试验结果和经验公式结果相互对比,以期更好地为大坝安全评价提供技术支撑。

1 试验设计

羊曲水电站位于青海省海南州兴海县与贵南县交界处,属黄河上游水系。工程规模为一等大(1)型工程,坝顶高程为2721 m,防浪墙高度为1.2 m,水库正常蓄水位为2715 m,生态限制水位为2710 m。通过库区地质特性可将失稳物质分为H1滑坡体和1#变形体,H1滑坡体位于距离坝址约1.2～2 km坝前左岸,前缘宽约390 m,顶部最宽约550 m,平均厚度为25 m,体积约555×104m3,它具有明显的滑坡堆积层和滑移拉裂层。1#变形体下边界距离坝址约750 m,前缘宽710 m,后部较窄部位约100 m,变形体平均厚度为25 m,体积约500×104m3,它具有明显的强倾倒层和滑移拉裂层。H1滑坡体和1#变形体前缘剪出高程均为2630 m,失稳物质分区如图1所示。

试验在中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司工程实验监测院进行,模型按重力相似准则设计,几何比尺为Lr=200,模拟范围包括大坝至其上游3.2 km。将两岸沿河地形模拟至2760 m高程,考虑滑坡体下滑造成水体向对岸壅水与爬行,对岸地形模拟至2790 m高程。坝前建筑物包括左岸溢洪道和右岸发电厂房等,物理模型全长约20 m。物理模型范围如图 2所示。

图2 羊曲水库滑坡涌浪物理模型模拟试验范围Fig.2 Physical model experimental range of landslide generated waves in the Yangqu Reservoir

滑床按原型滑弧用钢筋混凝土制作,按照滑动方向及滑弧滑出角度进行安装,表面光滑。滑车由多节铰式钢板制成,由起吊、擒纵装置控制起吊及下放滑车。滑坡体采用3种尺寸,分别为:20 cm×10 cm×5 cm、10 cm×10 cm×5 cm和10 cm×5 cm×5 cm,滑车和滑块组成的综合滑坡密度约为2.7 g/cm3。涌浪时程变化数据记录采用CBG03智能浪高仪,采集频率为50 Hz,精度为0.1%,总共布置16个。滑坡体下滑速度、滑坡区域涌浪爬高及建筑物前涌浪爬高采用高速摄像机采集,拍摄帧率为200 fps。漫坝水量使用量筒测量,物理模型实物图如图 3所示。

工况设置考虑滑坡体的不同失稳位置、方量以及水库运行水位,共设计12种工况,工况设置参数如表1所示。为了保证试验结果的可重复性,每组试验至少进行3次。分析数据时,剔除最离散的组数,试验结果取剩下组数的平均值。

图3 H1滑坡体、1#变形体物理模型Fig.3 H1 and 1# landslide experimental model

表1 物理试验参数Table 1 Physical experimental parameters

2 结果分析与讨论

本研究利用量纲分析得出了无量纲控制参数,进而评价涌浪波特性[17-19],参数分别有:滑坡体弗劳德数F=vs/(gh)0.5,滑坡体相对厚度S=s/h,滑坡体相对质量M=ms/(ρwbh2),滑坡体特征数T=S1/3Mcos(6/7α),相对波高H/h,相对波长L/h,波陡H/L。其中vs为滑坡体速度,g为重力加速度,h为静水深(SWL),s为滑坡体厚度,ms为滑坡体质量,ρw为流体密度,本研究取值为1000 kg/m2,b为滑坡体宽度,α为滑坡面倾角,H为波高,取值为波峰振幅ac和波谷振幅at的总高度,L为波长,取值为波峰速度c和周期T。参数具体含义如图 4所示。

图4 滑坡体及涌浪波参数示意图Fig.4 Diagram of landslide and wave parameters

2.1 涌浪波类型分析

根据滑坡体特征数T和滑坡体弗劳德数F定义的波形分类图,如图5所示,分类标准依据HELLER等[18]在文献中的定义:当T<4/5F-7/5时,滑坡体生成的首浪波形为斯托克斯波;当4/5F-7/511F-5/2时,首浪为耗散涌波。由图 5可知,本试验滑坡体数据中T<4/5F-7/5,主要集中在斯托克斯波区域,该数据集主要特征为滑坡体具有较小的滑动特征,但具有较大的体型参数。羊曲水电站库区H1滑坡体和1#变形体,原位下滑时滑速均较小(6.0～10.5 m/s),但其具有较大的方量(完整体体积约500万m3),因此该滑坡体特征符合该区域波形数据规律。但本次试验数据的F值整体小于HELLER试验值,该范围的波浪类型是否和HELLER试验值划分规律一致,尚需进一步分析。

图5 基于滑坡体特性的涌浪波波形分类[18]Fig.5 Classification of surge wave types based on landslide characteristics[18]

试验结果中涌浪波首波的相对波高和相对波长关系图,如图6所示,图中实线为不同波浪理论应用界线,虚线为按照波浪传播水域水深分类波类型界线。由图 6可知,H1滑坡体和1#变形体产生的涌浪,其水域水深和波长的比值满足0.0538后,该区域涌浪波受到边界反射波的影响,在0

图6 基于涌浪波首波相对波高与相对波长的波形分类[18,20]Fig.6 Wave types based on the relative wave height and relative wave length of the leading wave[18,20]

图7 1#变形体生成区域无量纲化首浪浪高时程线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动参数,又是评价初始涌浪对工程影响与否的首要参数。本文以模型试验结果为基准,采用潘家铮方法[21]和水科院经验公式方法[14]分别计算了H1滑坡体和1#变形体失稳后的首浪浪高值,各方法及不同工况首浪高度统计如图8所示。

潘家铮方法计算初始浪高时,认为首浪浪高由于滑坡在水平方向和垂直方向运动产生,计算公式分别为

(1)

水科院经验公式方法认为涌浪浪高主要受滑坡下滑速度和方量影响,因此该方法计算首浪的公式为

(2)

式中:vh为滑坡水平滑速(m/s);vv为滑坡垂向滑速(m/s);潘家铮法浪高求解曲线和步骤参考文献[21]。k为综合系数,本研究取值0.12;V为滑坡体方量(万m3)。滑速、方量和水深如表1所示,各参数含义图示如图4所示。

从方量上分析可知,H1滑坡体(图中代号1～6)和1#变形体(图中代号7～12)失稳后,首浪高度随着方量的增加而变大。因为滑坡体的体积增加,其和水体的接触面积更广,能量和动量转换速率增加,致使首浪高度变大,但在同一方量下,首浪高度和水深成反比。定义无量纲参数相对首浪高度ac/h,通过回归分析相对首浪高度ac/h和滑坡体特征数T关系可知,ac/h=0.04T,相关系数R2=0.989,回归曲线如图9所示。在图 9中,有一些点的离散性较强,这些点位于图 5中的涌波区域和孤立波区域,该区域点的滑坡体特征数T和滑坡体弗劳德数F都比较大,也就是滑坡体厚度和滑速都较大,此时造波过程的主导性指标有T和F;拟合性较强的点对应图 5中斯托克斯波区域,该区域点T的主导性优于F,在拟合曲线中,ac/h和T的相关性就强。该现象可以反映出:当滑坡体速度大于生成的涌浪波波速时(波形应为涌波或者孤立波),滑坡体的运动过程和体型等对涌浪波特性有较大影响,而当滑坡体最大速度小于波速时(斯托克斯波),滑坡体运动过程对涌浪波特性的影响较小,此时首浪浪高计算可忽略滑速的影响,简化成和滑坡体体积的关系。

从滑坡位置上分析,图 8中上半部分代表1#变形体,下半部分代表H1滑坡体,对比可见在同等坐标轴长度下,下半部分的柱状图占比大,表明H1滑坡体失稳产生的首浪高度大于1#变形体产生的首浪高度。分析原因可知,H1滑坡体在地形上位于凹岸区,形似“盆状”,该区域河底相对宽广一些,滑坡下滑充分,这使得大方量滑坡下滑时停留在水面以上的体积少,就体积替换分析,产生的涌浪浪高也会更高;此外,该区域水域面积也相对宽阔,受到对岸和库区其他地方反射波干扰的概率较小,滑坡产生的涌浪就会发展得较为充分。1#变形体位于地形区域凸岸,河谷和水域面都狭窄,这使得滑坡下滑体积变少,产生的涌浪受到库区反射波的干扰概率大。

各方法计算的首浪高度对比如图10所示,由图可知,各方法得到的首浪浪高差距较大。如果以试验值为基准,潘家铮方法及水科院经验公式方法在实际工程应用时精度较低,接近一半工况的误差值大于±50%。主要原因可能是H1滑坡体和1#变形体无论是平面形状还是立面厚度都非常的不规则,断面和条分带无法还原失稳物质的复杂形状,导致经验公式利用断面或者条分带计算时误差变大。但物理模型试验利用3种尺寸的小块体组成的整体滑坡,在形状和厚度上能够和原型有一定的相似比。

图10 试验值首浪浪高和不同计算 方法首浪浪高结果对比Fig.10 Experimental value of the leading wave height and results of different calculation methods of the leading wave height

2.3 工程影响分析

黄河特大桥位于羊曲水电站库区上游,属于国道线G572,库区内的桥底高程为2720～2724 m,距离H1滑坡体约1.8 km。羊曲坝址位于H1滑坡体和1#变形体下游,距离1#变形体750 m,距离H1滑坡体1.2 km,库区内水面大的波动,都有可能影响桥面和大坝安全。现分析H1滑坡体或1#变形体失稳以后对黄河特大桥和坝体的影响。

2.3.1 对黄河特大桥影响分析

方量200万m3和500万m3的H1滑坡体或1#变形体在尕玛羊曲黄河特大桥桥墩处测点的浪高值如图11所示。由图可知,库水位2715 m时,500万 m3滑坡在该处的浪高值基本上为2 m左右,水面高程约为2717 m,H1滑坡体200万 m3体积在该处的浪高值约为1 m,水面高程约为2716 m,1#变形体200万m3体积在该处的浪高值约为0.6 m,水面高程约为2715.6 m,最不利工况的波面高程均小于桥底高程。主要原因是羊曲水电站地形比较特殊,H1滑坡体上游为开阔区域,有利于涌浪的消散。因此,H1滑坡体或者1#变形体失稳产生的涌浪对尕玛羊曲黄河特大桥无影响。

图11 库水位2715 m不同方量和位置 滑坡在桥底测点的浪高Fig.11 Wave height at bridge bottom of landslides with different volumes and locations at water level 2715 m

2.3.2 对大坝安全影响分析

H1滑坡体和1#变形体失稳以后各工况在建筑物前产生的涌浪要素值如表2所示。由图可知,随着方量的增加,溢洪道进口、坝中及电站进水口处的首浪浪高值均正比例增加,将建筑物前首浪浪高无量纲化后进行回归分析,拟合函数关系如图 12所示。由图12可知,溢洪道处首浪浪高的拟合关系为:ac/h=0.21T+0.04,拟合精度为0.992;同理,坝中和电站进水口拟合关系分别为:ac/h=0.17T+0.04,ac/h=0.14T+0.04,拟合精度均为0.981。

表2 建筑物前涌浪特性及漫坝水体统计表Table 2 Statistics of wave height and overtopping water volume at the dam site

在水库正常运行水位2715 m时,200万m3的H1滑坡体或1#变形体失稳后在建筑物前的涌浪时程线,如图13所示。结合表 2统计的建筑物前浪高分析可知,滑坡位置的不同,在建筑物前产生的浪高、爬高及漫坝水量均有所差异。H1滑坡体在建筑物前产生的首浪浪高和次生波均大于1#变形体,当失稳物质体积小于等于200万m3时,这2处位置在建筑物前首浪浪高差距较小,在0.5 m以内。当失稳物质体积超过200万m3时,2处位置在建筑前首浪浪高差距变大,最大差距2.06 m。其原因同2.2节分析,主要是H1滑坡体处于凹岸,水域宽阔;1#变形体处于凸岸,水域较窄。因此,失稳物质不一定距离远就对工程影响小,距离近就对工程影响大。失稳物质所处的水域环境,对其滑坡涌浪过程影响显著。

图12 建筑物前相对首浪高度ac/h和滑坡体特征数T关系 Fig.12 Correlation between ac/h and T at dam site图13 库水位2715 m时200万m3失稳物质在建筑物前涌浪时程线Fig.13 Wave time history of 2 million m3 landslide at dam site at 2 715 m water level

体积为500万m3滑坡诱发涌浪在建筑物前漫坝位置及范围,如图14所示,结合表 2统计的建筑物前漫坝水量分析可知,首先,涌浪漫坝的位置靠近左岸侧的溢洪道,位置上坝左漫坝范围广于坝右,H1滑坡体漫坝范围广于1#变形体。其次,随着失稳物质体积的增加,坝前过程有:不漫坝—漫坝—大范围漫坝。其中,H1滑坡体体积增加到200万 m3时,建筑物前开始漫坝;1#变形体体积增加到500万 m3时,建筑物前开始漫坝。最后,H1滑坡体的漫坝水量明显大于1#变形体。以体积500万 m3为例,左岸溢洪道处H1滑坡体漫坝量是1#变形体的1.6倍,坝中位置H1滑坡体漫坝量是1#变形体的1.9倍,右岸电站进水口位置H1滑坡体漫坝量是1#变形体的1.3倍。

注:图中红色虚线圈为涌浪漫坝位置,左图为H1滑坡体,右图为1#变形体。

建筑物前漫坝过程的能量来源一方面取决于重力势力(波面高程),另一方面取决于动能(波速)。波面高程通过上述分析可知,H1滑坡体大于1#变形体。各工况涌浪波首波波速如图15所示,图中黑线为线性波波速理论值,本次试验值基本贴合在理论值附近,基本属于线性波。从数值上判断,H1滑坡体的相对波速值大于1#变形体。势能和动能两方面原因使得H1滑坡体对工程的危害更大。

3 结论

本研究以羊曲水电站1∶200物理模型为例,研究了库区不同位置(H1滑坡体和1#变形体)、不同体积(100万、200万、500万m3)的失稳物质原位下滑时产生涌浪波的特性以及涌浪波对工程的影响,具体结论如下:

1)根据T-F分类法,本次试验数据有T<4/5F-7/5,主要集中在斯托克斯波区域。但是H1滑坡体和1#变形体原位下滑时的滑速仅为6.0～10.5 m/s,导致本次试验数据和T-F图中现有数据的重叠性较差。因此,研究再次利用H-L图对研究得到的波形进行了分类,结果表明个别工况0.05

2)H1滑坡体和1#变形体失稳后,从体积上分析,首浪高度随着失稳物质体积的增加而变大,相对首浪高度ac/h和滑坡体特征数T关系为ac/h=0.04T。从位置上分析,凹岸区的H1滑坡体产生的首浪高度大于凸岸区1#变形体产生的首浪高度。

3)本研究将经验公式方法得到的涌浪结果与试验值对比发现,以试验值为基准,潘家铮方法及水科院经验公式方法在实际工程应用时精度较低,接近一半工况的误差值大于±50%。

4)库区滑坡涌浪传播到上游的大桥时,500万m3滑坡在该处最高波面高程约为2717 m,200万m3的H1滑坡体在该处的波面高程约为2716 m,200万m3的1#变形体在该处的波面高程约为2715.6 m,最不利工况的波面高程均小于桥底高程。因此,H1滑坡体或者1#变形体失稳产生的涌浪对尕玛羊曲黄河特大桥无影响。

5)库区滑坡涌浪传播到建筑物前时,随着失稳物质体积的增加,溢洪道进口、坝中及电站进水口处的首浪浪高值均正比例增加。H1滑坡体体积增加到200万m3或者1#变形体体积增加到500万m3时,建筑物前开始漫坝,并且H1滑坡体的漫坝水量明显大于1#变形体。

综上所述,库区滑坡产生的涌浪波,其浪高随着失稳物质体积增加呈正比例增大,对工程的影响也随着失稳物质体积的增加而产生的危害变大。在失稳物质所处地理位置上,凹岸区域的H1滑坡体,其水域面积、河道容纳体积均大于凸岸区域的1#变形体,浪高、波速等对工程的危害H1滑坡体比1#变形体更加突出。换言之,失稳物质对工程的危害,不一定距离远就对工程影响小,距离近就对工程影响大,失稳物质所处的水域环境对其滑坡涌浪过程影响显著。