某水電站邊坡失穩(wěn)涌浪計算分析

趙 明，陳勻序，朱 艷

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

某水電站邊坡在高程2 155m平臺以上從2010年4月開始出現(xiàn)變形，2011年3月蓄水變形速率加快，且監(jiān)測成果顯示，深度35～40m范圍內(nèi)出現(xiàn)較為明顯的變形；高程2 155m平臺以下邊坡從2011年3月蓄水開始出現(xiàn)變形，但內(nèi)觀監(jiān)測資料顯示，內(nèi)部變形不大、尚未形成滑面，變形主要是淺表風(fēng)化卸荷巖體的局部變形、破壞；變形體整體邊坡在蓄水后表現(xiàn)為表部強風(fēng)化、卸荷巖體的局部破壞，整體的滑動趨勢不明顯。

根據(jù)穩(wěn)定計算分析，高程2 155m平臺以上開挖邊坡在各種工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，失穩(wěn)的可能性不大；高程2 155m平臺以下邊坡存在局部失穩(wěn)的可能，但其規(guī)模較小、且大部分在正常蓄水位以下，即使失穩(wěn)滑動也不會產(chǎn)生危及大壩的涌浪；整體邊坡穩(wěn)定性較差，在各種工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均不能滿足規(guī)范要求，存在局部甚至整體失穩(wěn)下滑的可能。

根據(jù)邊坡地質(zhì)穩(wěn)定性評價、變形監(jiān)測資料及邊坡穩(wěn)定計算成果綜合判斷，邊坡可能存在以下三種失穩(wěn)模式：

第一種失穩(wěn)模式： 高程2 155m以下邊坡淺表層在庫水位作用下首先失穩(wěn)、繼而逐漸向內(nèi)側(cè)剝落式塌滑直到高程2 155m平臺以下全部失穩(wěn)，最后高程2 155m以上邊坡失穩(wěn)下滑。

第二種失穩(wěn)模式：高程2 155m平臺首先全部失穩(wěn)，繼而高程2 155m以上邊坡失穩(wěn)下滑。

第三種失穩(wěn)模式：高程2 155m平臺以上、以下邊坡整體一次性失穩(wěn)下滑。

從邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定分析結(jié)果可知，高程2 155m以下邊坡淺層、整體邊坡存在局部或整體失穩(wěn)可能性。需要分析邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生的涌浪對大壩的影響。

2 計算方法

2.1 滑坡速度

潘家錚法采用條分法來計算滑坡的速度，計算采用改進(jìn)的條分方法，選取了沿滑面方向和垂直滑面方向來建立平衡方程，然后用基本運動學(xué)原理求解塊體的運動速度。

假定條塊發(fā)生位移時按剛體運動，根據(jù)牛頓第二定律：

對于每一條塊，設(shè)初速為Vi1，末速為Vi2，滑動距離為Li，滑動時間為Ti，進(jìn)一步可得：

這樣就可求出條塊滑入水庫時的速度及滑塊運動的時間。

2.2 涌浪高度

計算采用潘家錚法對涌浪進(jìn)行預(yù)測分析。潘家錚法是利用庫水“單向流”分析成果，并采取一些假定來分析較為復(fù)雜的水庫涌浪問題：

(1) 涌浪首先在滑坡入水處產(chǎn)生，產(chǎn)生初始波，然后向周圍傳播，在傳播過程中不斷變形，但忽略能量損耗或假定損耗為已知。

(2) 忽略邊界條件的非線性影響，假定全部涌浪過程可以視為一系列源點處產(chǎn)生的小波影響的線性疊加。

(3) 每個小波成分都是孤立波，以涌浪形式在水面上傳播，波速為常數(shù)。

(4) 假定涌浪達(dá)到對岸后發(fā)生全反射，或其反射系數(shù)為已知值。

(5) 假定水庫庫岸為兩條平行陡壁，寬度為B，滑坡范圍L內(nèi)的庫岸斷面一致，岸坡變形率為常數(shù)，且發(fā)生在時段0

2.2.1 滑坡涌浪初始最大浪高

當(dāng)岸坡發(fā)生水平運動時，激起的初始浪高可表示為：

式中ξ0——激起的初始涌浪高度，m；

h——水庫平均深度，m；

v——為岸坡水平運動速度，m/s；

g——重力加速度，m/s2。

當(dāng)岸坡發(fā)生垂直運動時，激起的初始浪高可用下面的函數(shù)表示為：

兩種模式下的變化曲線見圖1：

2.2.2 對岸及下游壩址點涌浪高度

潘家錚法計算滑坡對岸涌浪浪高公式如下：

圖1 兩種模式下的初始涌浪高度求解曲線注：1-岸坡水平運動模式；2-岸坡垂直運動模式

潘家錚法計算下游壩址點涌浪浪高公式如下：

式中ξ——對岸涌浪高度；

ξx——對岸下游壩址處產(chǎn)生的涌浪高度；

ξ0——初始浪高；

k——波的反射系數(shù)，一般值為0.85～0.95，求對岸浪高時，可取為1.0；

∑——級數(shù)之和，其項數(shù)取決于滑坡歷時T及涌浪從本岸傳播到對岸的時間△t=B/c；波速c按下式計算：

θn——傳播到計算點的第n次入射角與岸坡法線的交角，按下式計算：

x——計算點至滑坡中心點的距離；

x0——計算點至滑坡上游邊界的距離；

L——滑坡體沿庫岸的寬度，其半長用l表示；

3 計算成果

3.1 滑坡速度計算

計算邊界條件根據(jù)地質(zhì)資料確定、在不同水庫水位下，邊坡失穩(wěn)時的滑動速度計算成果見表1～3。

3.2 涌浪高度計算

邊坡在不同水庫水位、不同滑動模式下在壩址處產(chǎn)生的涌浪高度(邊坡分階段失穩(wěn)下滑存在時間差，因此不考慮不同階段失穩(wěn)下滑所引起的涌浪疊加)計算成果見表4～6。

表1 滑坡速度計算成果(第一種失穩(wěn)模式)

表2 滑坡速度計算成果(第二種失穩(wěn)模式)

表3 滑坡速度計算成果(第三種失穩(wěn)模式)

表4 邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生的涌浪高度計算成果(第一種失穩(wěn)模式)

表5 邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生的涌浪高度計算成果(第二種失穩(wěn)模式)

表6 邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生的涌浪高度計算成果(第三種失穩(wěn)模式)

4 計算結(jié)果分析

從表4～6中可以看出，無論是在死水位2 063m還是正常蓄水位2 133m，當(dāng)邊坡以第一種、第二種破壞模式失穩(wěn)下滑、或者在死水位運行期間邊坡以第三種破壞整體下滑時，其產(chǎn)生的涌浪均不會超過壩頂高程；但當(dāng)水庫水位在正常蓄水位2 133m時，如邊坡以第三種破壞模式失穩(wěn)且滑速大于5m/s時，其產(chǎn)生的涌浪將極有可能漫壩。為保證大壩運行安全，需要對邊坡進(jìn)行治理，防止邊坡整體下滑或延緩其下滑速率。

5 結(jié)束語

潘家錚法將滑坡體垂直分條塊后，假設(shè)各條塊為剛體，其運動軌跡能較好地模擬實際滑面情況，但是以下幾個問題值得探討：

(1)運動過程是連續(xù)的，沒有考慮滑坡體各塊體在運動過程中相互碰撞及滑體與外部物體相互碰撞所引起的能量損失，因而其計算結(jié)果偏于保守。

(2)在滑動過程中，未考慮水的阻力，實際滑動過程中滑速越大，水體對滑坡體的阻力也越大，因而其計算結(jié)果偏于安全。

(3)滑面摩擦系數(shù)對滑速影響很大，而動摩擦系數(shù)目前尚難以準(zhǔn)確確定，僅憑借工程經(jīng)驗取值，在以后的工程實踐中值得進(jìn)一步探討。

[1] 潘家錚.建筑物的抗滑穩(wěn)定和滑坡分析[M].北京：水利出版社，1980：92-95.

[2] 哈秋黔，胡維德.水庫滑坡涌浪計算[J].人民黃河，1980(2)：407-411.

[3] 汪洋.水庫庫岸滑坡速度及其涌浪災(zāi)害研究[R].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)(武漢).2005：51-55.