狭窄库区滑坡涌浪特征分析及工程影响模型试验研究.pdf

第 卷 第 期 年 月自 然 灾 害 学 报 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()陕西省自然科学基础研究计划项目()西安市科技计划项目()作者简介:李鹏峰()男 博士 主要从事库区滑坡涌浪生成、爬坡机制及应用方面研究:.通讯作者:荆海晓()男 副教授 博士 主要从事水动力模型及水灾害管理、压力波传播机理及数值模拟等方面研究:.文章编号:()./.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(.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 .陕西省水生态环境工程技术研究中心陕西 西安 .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.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司陕西 西安)摘 要:为研究狭窄库区不同位置、体积滑坡涌浪对浪高及工程安全的影响特以羊曲水电站库区 滑坡体和 变形体为例建立 的水工物理模型研究失稳物质在体积 万、万及 万 时产生的库区涌浪特征进一步分析不同工况涌浪对特大桥及坝体稳定性的影响 结果表明:库区滑坡涌浪波类型为线性波滑坡发生地和建筑物前的首浪高度均和失稳物质体积成正比滑坡位置对工程的危害不一定和距离成反比还和滑坡所处的水域条件相关 滑坡体或者 变形体失稳产生的涌浪对特大桥无影响但 滑坡体体积大于 万 或 变形体体积大于 万 时会在溢洪道处漫坝 研究结果可为羊曲水电站库区滑坡涌浪灾害预防及应急调控措施制定提供参考关键词:狭窄库区滑坡涌浪滑坡体积滑坡位置波高物理模型试验中图分类号:.文献标识码:(.):.自 然 灾 害 学 报第 卷: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 如 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多人伤亡 年阿拉斯加利图亚湾发生滑坡引发 高的海浪滑坡在海湾另一侧上升 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 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 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 如曹婷等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 肖莉丽等针对三峡库区滑坡涌浪问题建立 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 黄锦林等建立了 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本研究针对黄河上游羊曲水电站狭窄库区段内 滑坡体和 变形体失稳产生的涌浪问题通过建立 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试验设计图 滑坡体、变形体位置示意图.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()型工程坝顶高程为 防浪墙高度为.水库正常蓄水位为 生态限制水位为 通过库区地质特性可将失稳物质分为 滑坡体和 变形体 滑坡体位于距离坝址约.坝前左岸前缘宽约 顶部最宽约 平均厚度为 体积约 它具有明显的滑坡堆积层和滑移拉裂层 变形体下边界距离坝址约 前缘宽 后部较窄部位约 变形体平均厚度为 体积约 它具有明显的强倾倒层和滑移拉裂层 滑坡体和 变形体前缘剪出高程均为 失稳物质分区如图 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模拟范围包括大坝至其上游.将两岸沿河地形模拟至 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 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 物理模型范围如图 所示第 期李鹏峰等:狭窄库区滑坡涌浪特征分析及工程影响模型试验研究图 羊曲水库滑坡涌浪物理模型模拟试验范围.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 种尺寸分别为:、和 滑车和滑块组成的综合滑坡密度约为./涌浪时程变化数据记录采用 智能浪高仪采集频率为 精度为.总共布置 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 漫坝水量使用量筒测量物理模型实物图如图 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 种工况工况设置参数如表 所示 为了保证试验结果的可重复性每组试验至少进行 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 滑坡体、变形体物理模型.表 物理试验参数 工况滑坡位置原型方量/万 水库水位/滑坡速度/(/)滑坡体局部 滑坡体局部 滑坡体变形体局部变形体局部变形体.自 然 灾 害 学 报第 卷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参数分别有:滑坡体弗劳德数/().滑坡体相对厚度/滑坡体相对质量/()滑坡体特征数/(/)相对波高/相对波长/波陡/其中 为滑坡体速度 为重力加速度 为静水深()为滑坡体厚度为滑坡体质量为流体密度本研究取值为 /为滑坡体宽度 为滑坡面倾角 为波高取值为波峰振幅和波谷振幅的总高度 为波长取值为波峰速度 和周期 参数具体含义如图 所示图 滑坡体及涌浪波参数示意图.涌浪波类型分析根据滑坡体特征数 和滑坡体弗劳德数 定义的波形分类图如图 所示分类标准依据 等在文献中的定义:当/时滑坡体生成的首浪波形为斯托克斯波当/时首浪为耗散涌波 由图 可知本试验滑坡体数据中/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 滑坡体和 变形体原位下滑时滑速均较小(./)但其具有较大的方量(完整体体积约 万)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 值整体小于 试验值该范围的波浪类型是否和 试验值划分规律一致尚需进一步分析图 基于滑坡体特性的涌浪波波形分类.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 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 可知 滑坡体和 变形体产生的涌浪其水域水深和波长的比值满足./.属于有限水深波区域 此外图 中/.附近有 个点这 个点代表 滑坡体和 变形体在体积为 万 时产生的涌浪波具有一定的非线性个别工况./后该区域涌浪波受到边界反射波的影响在(/).时该区域涌浪处于生成和发展阶段 该波形首波并非最大波高次生波拥有最大波高特征图 基于涌浪波首波相对波高与相对波长的波形分类.图 变形体生成区域无量纲化首浪浪高时程线.首浪高度分析浪高 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和水科院经验公式方法分别计算了 滑坡体和 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 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.水平方向 垂直方向()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.()自 然 灾 害 学 报第 卷式中:为滑坡水平滑速(/)为滑坡垂向滑速(/)潘家铮法浪高求解曲线和步骤参考文献 为综合系数本研究取值.为滑坡体方量(万)滑速、方量和水深如表 所示各参数含义图示如图 所示图 滑坡体和 变形体各工况首浪浪高值统计.图 滑坡发生地相对首浪高度/和 滑坡体特征数 关系./从方量上分析可知 滑坡体(图中代号)和 变形体(图中代号)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/通过回归分析相对首浪高度/和滑坡体特征数 关系可知/.相关系数 .回归曲线如图 所示 在图 中有一些点的离散性较强这些点位于图 中的涌波区域和孤立波区域该区域点的滑坡体特征数 和滑坡体弗劳德数 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 和 拟合性较强的点对应图 中斯托克斯波区域该区域点 的主导性优于 在拟合曲线中/和 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图 试验值首浪浪高和不同计算方法首浪浪高结果对比.从滑坡位置上分析图 中上半部分代表 变形体下半部分代表 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 滑坡体失稳产生的首浪高度大于 变形体产生的首浪高度 分析原因可知 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 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 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 主要原因可能是 滑坡体和 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第 期李鹏峰等:狭窄库区滑坡涌浪特征分析及工程影响模型试验研究者条分带计算时误差变大 但物理模型试验利用 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.工程影响分析图 库水位 不同方量和位置滑坡在桥底测点的浪高.黄河特大桥位于羊曲水电站库区上游属于国道线库区内的桥底高程为 距离 滑坡体约.羊曲坝址位于 滑坡体和 变形体下游距离 变形体 距离 滑坡体.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 滑坡体或 变形体失稳以后对黄河特大桥和坝体的影响.对黄河特大桥影响分析方量 万 和 万 的 滑坡体或 变形体在尕玛羊曲黄河特大桥桥墩处测点的浪高值如图 所示 由图可知库水位 时 万 滑坡在该处的浪高值基本上为 左右水面高程约为 滑坡体 万 体积在该处的浪高值约为 水面高程约为 变形体 万 体积在该处的浪高值约为.水面高程约为.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 滑坡体上游为开阔区域有利于涌浪的消散 因此 滑坡体或者 变形体失稳产生的涌浪对尕玛羊曲黄河特大桥无影响.对大坝安全影响分析 滑坡体和 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 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 所示 由图 可知溢洪道处首浪浪高的拟合关系为:/.拟合精度为.同理坝中和电站进水口拟合关系分别为:/./.拟合精度均为.表 建筑物前涌浪特性及漫坝水体统计表 工况溢洪道首浪浪高/坝中首浪浪高/电站进水口首浪浪高/溢洪道漫坝水量/坝中漫坝水量/电站进水口漫坝水量/.在水库正常运行水位 时 万 的 滑坡体或 变形体失稳后在建筑物前的涌浪时程线如图 所示 结合表 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 滑坡体在建筑物前产生的首浪浪高和次生波均大于 变形体当失稳物质体积小于等于 万 时这 处位置在建筑物前首浪浪高差距较小在.以内 当失稳物质体积超过 万 时 处位置在建筑前首浪浪高差距变大最大差距.其原因同.节分析主要是 滑坡自 然 灾 害 学 报第 卷体处于凹岸水域宽阔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 建筑物前相对首浪高度/和 滑坡体特征数 关系 ./图 库水位 时 万 失稳物质在建筑物前涌浪时程线.体积为 万 滑坡诱发涌浪在建筑物前漫坝位置及范围如图 所示结合表 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 滑坡体漫坝范围广于 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 滑坡体体积增加到 万 时建筑物前开始漫坝变形体体积增加到 万 时建筑物前开始漫坝 最后 滑坡体的漫坝水量明显大于 变形体 以体积 万 为例左岸溢洪道处 滑坡体漫坝量是变形体的.倍坝中位置 滑坡体漫坝量是变形体的.倍右岸电站进水口位置 滑坡体漫坝量是 变形体的.倍 注:图中红色虚线圈为涌浪漫坝位置左图为 滑坡体右图为 变形体图 体积 万 滑坡诱发涌浪在建筑物前漫坝位置及范围.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 滑坡体大于 变形体 各工况涌浪波首波波速如图 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 滑坡体的相对波速值大于 变形体 势能和动能两方面原因使得 滑坡体对工程的危害更大第 期李鹏峰等:狭窄库区滑坡涌浪特征分析及工程影响模型试验研究图 首波相对波速和相对波长关系.结论本研究以羊曲水电站 物理模型为例研究了库区不同位置(滑坡体和 变形体)、不同体积(万、万、万)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:)根据 分类法本次试验数据有/主要集中在斯托克斯波区域 但是 滑坡体和 变形体原位下滑时的滑速仅为./导致本次试验数据和 图中现有数据的重叠性较差 因此研究再次利用 图对研究得到的波形进行了分类结果表明个别工况./.其余工况/均小于.属于线性波范畴)滑坡体和 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/和滑坡体特征数 关系为/.从位置上分析凹岸区的 滑坡体产生的首浪高度大于凸岸区 变形体产生的首浪高度)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)库区滑坡涌浪传播到上游的大桥时 万 滑坡在该处最高波面高程约为 万 的 滑坡体在该处的波面高程约为 万 的 变形体在该处的波面高程约为.最不利工况的波面高程均小于桥底高程 因此 滑坡体或者 变形体失稳产生的涌浪对尕玛羊曲黄河特大桥无影响)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 滑坡体体积增加到 万 或者 变形体体积增加到 万 时建筑物前开始漫坝并且 滑坡体的漫坝水量明显大于 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 滑坡体其水域面积、河道容纳体积均大于凸岸区域的 变形体浪高、波速等对工程的危害 滑坡体比 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参考文献:冯自立 崔鹏 何思明.滑坡转化为泥石流机理研究综述.自然灾害学报 ():.():.()岳书波 刁明军.库岸滑坡涌浪首浪高度计算方法研究.人民长江 ():.():.()自 然 灾 害 学 报第 卷 钟立勋.意大利瓦依昂水库滑坡事件的启示.中国地质灾害与防治学报 ():.():.().:.():.徐则民 黄润秋 范柱国.滑坡灾害孕育激发过程中的水岩相互作用.自然灾害学报 ():.():.()李荣辉 蒋昌波 邓斌 等.近坝库区狭窄河道滑坡涌浪高度及其传播规律.交通科学与工程 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