西南地区堆积体岸坡滑坡涌浪分析

7.4.3.1　计算方法

对于滑坡涌浪计算，目前国内外除了数值模拟方法是针对具体情况外，使用公式或经验方法大都是通过解析方法和试验方法得到，在这些方法中，对于影响滑坡涌浪高度的主要因素的考虑基本相同。目前国内外常使用的经验方法主要有E.Node法、潘家铮法、J.W.Kamphis和R.J.Bowering法、瑞士法以及基于运动学的分析方法等。

E.Node涌浪计算方法显示了滑坡引起的最大涌浪高度的主要影响因素是滑坡速度，两者呈线性关系，数据的处理方式采用的是涌浪的相对高度和滑坡运动的相对速度。潘家铮涌浪计算方法与E.Node涌浪计算方法原理一致，主要影响因素也是滑坡速度，岸坡发生水平运动时两者呈线性关系，岸坡发生垂直运动时两者呈非线性关系(两端线性关系，中间非线性关系)，数据的处理方式也是采用涌浪的相对高度和滑坡运动的相对速度。水科院方法是基于涌浪资料和经验而提出的方法。运动学的方法分析认为滑坡涌浪初始最大浪高为体积涌浪高度与冲击涌浪高度的叠加。还有J.W.Kamphis和R.J.Bowering法，考虑的主要影响因素是滑坡体佛汝德数(相当于滑坡相对速度)及滑坡体的单宽体积，数据的处理方式是涌浪的相对高度、滑坡运动的相对速度及滑坡体的相对单宽体积。R.L.Slingerland和B.Volght法考虑的主要影响因素是滑坡体动能，即滑坡体密度、体积及速度的2次方三者的乘积，数据的处理方式采用的是涌浪的相对高度及滑坡体的无量纲动能。目前使用较多的是E.Node方法和潘家铮法。

7.4.3.2　工程实例分析

下面以金沙江梨园水电站库区存在失稳可能及滑坡涌浪威胁的草可都滑坡堆积体为例进行分析。

1.基本地质条件

草可都滑坡位于库区中游位置，距离梨园水电站坝址约23km。滑坡沿江方向宽约300m，长约650m，厚度15～70m，前缘高程1550.00m，后缘高程1790.00m，体积约577万m3，属厚层大型冰水堆积体活动滑坡。滑坡呈圈椅状地貌(图7.8)，滑动方向约300°。滑坡后缘以陡坎为界，大致呈弧形，坎高约3m，组成为第四系松散堆积的碎块石土，未见基岩；滑坡中线部位地形纵向总体上呈“上陡—中缓—下陡”的折线形态(图7.9)，滑坡前缘临江坡度40°～50°，局部已发生垮塌；中部地形较平缓，坡度10°～20°，局部多呈阶梯状地貌。滑坡后部为一山包，高约50m，坡度30°～40°。

图7.7　卡丘金塌岸预测图解

图7.8　草可都堆积体地下地貌形态及物质结构特征

图7.9　草可都滑坡工程地质测绘剖面图

根据钻孔资料，滑体组成(图7.9)：①砂砾石土夹碎块石，灰色、灰白色，干燥，结构松散，不可塑，碎石含量10%～50%，分布不均匀，粒径以2～10cm较多，有棱角，局部块石含量较多，块石粒径以30～50cm居多，岩性主要为灰岩、玄武岩，通过现场大重度试验获得滑体密度在1.7～2.0g/cm3之间；②碎块石土，灰白色，干燥，结构松散，碎块石含量大于50%，且以块石为主，碎石填充于块石的孔隙之间；③受人类活动影响，滑坡表层分布了一层厚度约20～50cm的耕植土，灰黑色，稍湿，以粉粒、黏粒为主，富含植物根系，结构松散，不可塑，夹少量砾石、碎石。由于滑坡后部地形较陡，在后部陡缓交界处可见大量堆积的碎块石或平台处散布的孤石。

草可都滑坡为第四系活动性滑坡，根据钻孔资料揭示，草可都滑坡不存在明显的滑带，推测滑面为基覆界面。通过勘察资料及现场调查，滑面在纵向上呈“中后部陡—前部缓”，近似勺型形态。在横向上呈“中部厚—两侧薄”的凹形形态。

通过室内颗粒分析试验、环剪试验及现场双环注水试验，获得了滑坡岩土体的物质组成、强度和渗透特性，主要成果如下：

(1)通过颗粒分析试验结果得出，草可都滑体主要物质组成为砂砾石土夹碎块石，且砾石含量大于砂粒含量，级配良好，Cu平均值为54.97，Cc平均值为1.55。局部土体碎块石含量较高，且由于缺少中间粒径，使得级配相对较差。

(2)堆积体力学参数：内摩擦角30°，黏聚力25k Pa，天然密度19k N/m3，饱和密度19.5k N/m3。含水率对滑体抗剪强度的影响主要表现在降低岩土体的黏聚力，从23.33kPa降至4kPa，降低了约82%。其变化规律表现为随着含水率增加，强度降低，且降低速率逐渐增加，越接近饱水时，强度降低越快。含水率变化对土体内摩擦角影响较小，从36.33°降至29.69°，降低了约16%。其变化规律表现为随着含水率的增加，土的内摩擦角呈线性减小。

(3)通过双环注水试验结果得出，滑体岩土体饱和渗透系数1～2m/d，渗透性较差。受岩土体饱和度影响，不同时间段内土体的渗透系数在发生改变，待土体完全饱和后，渗流趋于稳定，渗透系数不再变化。

现场调查和监测资料显示，滑坡在蓄水后产生了明显的变形。变形主要集中在滑坡前缘，并且变形与库水位升降具有一定相关性。库水位从初始水位升至1570.00m时，滑坡变形速率与库水位上升速率呈正相关关系；而从1570.00m继续上升时，库水位上升，滑坡前缘变形速率减小；库水位稳定后，前缘滑坡变形速率增加；当库水位下降时，滑坡变形速率增加。

2.滑坡涌浪计算

运用整体运动方程计算法计算滑坡滑速，计算公式如下

式中 H——入江滑坡体重心距离水面的高度，m；

m——滑体质量，kg；

c——滑面岩土体的内聚力，k Pa；

φ——内摩擦角，(°)；

L——滑面长，m；

α——滑面平均倾角，(°)。

草可都滑坡分布高程1550.00～1820.00m，顺江方向长度约355m，横河方向宽约620m，滑坡堆积体体积约570万m3，堆积体厚15～70m，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1.15×1010kg，滑面岩土体的内聚力取值15k Pa和内摩擦角取值20°；滑面长700m，滑面平均倾角24°。代入公式，计算得：v=8.12m/s。

整体失稳涌浪计算采用多种方法进行比较。

(1)潘家铮法

1)初始涌浪高度。潘家铮法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，见图7.10，当岸坡上有一块厚度为λ的滑坡体，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

图7.10　潘家铮法涌浪计算模型平面图

当岸坡以速度v做垂直变形时

式中 d——滑体的厚度；

v——岸坡在水平方向或竖直方向的运动速度；

H——水库平均深度，本次计算取水库蓄水后水位维持在1618.00m时的平均深度，H=80m；

g——重力加速度。

由前可知滑坡呈缓到中等倾角，主要表现为水平滑动，岸坡表现为水平变形，由图7.10可以看出岸坡水平变形产生的初始涌浪高度要大于垂直情况，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目的。

初始涌浪高度计算结果

2)到达对岸涌浪高度。根据潘家铮给出的求对岸点A的最高涌浪公式

式中 ζ0——初始浪高；

B——水面宽度，取B=380m；

k——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——滑坡前缘顺江方向长度的一半，取为180m；

n取1。

代入化简计算，得到达对岸涌浪高度为

3)到达对岸涌浪爬高。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，李玉成法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。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 Δh——涌浪爬坡后高度；

h——库岸边的涌浪高度；

α——斜坡坡角，rad；

β——爬坡方位角。

代入计算涌浪爬高

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4)到达坝址处涌浪高度。根据潘家铮给出的求对岸A′点最高涌浪公式为

式中 ζ0——初始浪高；

B——水面宽度；

k——波的反射系数，一般值为0.85～0.95，本次取0.95；

L——滑坡体沿库岸的宽度，取L=360m，l为其半长；

θn——传到A′点的第n次入射角与岸坡法线的交角；

x0——滑坡区中心到A′点的距离，取28km。

图7.11　草可都滑坡整体失稳涌浪沿程高度(潘家铮法)

代入计算可得到达坝址处涌浪高度：ξ=0.37m。

5)滑坡至坝址之间不同库段的涌浪高度(图7.11)。

(2)E.Noda法。根据Edward Node 1970年提出的涌浪最大值的表达式为

取v=8.120m/s，d=45m，g为重力加速度。代入上式可得：

1)初始涌浪高度

2)到达对岸涌浪高度

3)到达对岸涌浪爬高。根据涌浪爬高的经验估算公式

式中 Δh——涌浪爬坡后高度；

h——库对岸边的涌浪高度；

α——斜坡坡角，rad；

β——爬坡方位角。

代入计算，

4)到达坝址处涌浪高度

5)滑坡至坝址之间不同库段的涌浪高度见图7.12。

(3)水科院经验公式法。

1)初始涌浪高度。根据中国水利水电科学研究院提出了水科院经验公式法

式中 ηmax——最大浪高，m；

K——综合影响系数(K=0.1～0.15，取平均值0.12)；

u——滑速，m/s，取u=8.120m/s；

g——重力加速度，m/s2；

V——入库体积，取577万m3。代入得

距滑坡x点处的涌浪高度计算公式

图7.12　草可都滑坡整体失稳涌浪沿程高度(E.Noda法)

式中 K1——与距滑坡点距离有关的系数，距入滑坡水点下游约2km处，K1=0.08，距下游5km处，K1=0.05，距下游12km处，K1=0.02；

n——系数，n=1.3～1.5，取n为1.4；

η——涌浪高度；

其余参数意义同上。

代入数据计算，结果见表7.6。

表7.6　草可都滑坡整体失稳初始涌浪高度计算结果

2)计算滑坡至坝址之间沿程的涌浪高度见图7.13。

3.成果分析

(1)采用3种方法(潘家铮法、E.Node法及水科院经验公式法)对草可都滑坡整体失稳涌浪进行了初步分析计算(结果见表7.7)，初步分析结果显示：草可都滑坡整体失稳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1m，对下游大坝的影响很小。

(2)采用3种方法对草可都滑坡局部失稳涌浪进行了初步分析计算(结果见表7.8)，初步分析结果显示：草可都滑坡局部失稳涌浪对其对岸各基河电站有一定影响、但威胁不大；由于涌浪高度沿程呈指数衰减，对下游大坝无影响。

图7.13　草可都滑坡整体失稳涌浪沿程高度(水科院经验公式法)

表7.7　草可都滑坡整体失稳涌浪计算结果对比分析

表7.8　草可都滑坡局部失稳涌浪计算结果对比分析