水电站建设及建成发电运行以后,伴随着水库蓄水,往往不同程度地触发岸坡岩土体失稳,不仅影响工程建设的实施,而且对拦河大坝和周围人民群众的生命财产安全造成严重威胁。本文以某水电站近坝库区的荒田滑坡为例,分析其滑动成因和机制;在启动速度和下滑速度计算的基础上,对其滑动入水后形成的涌浪进行分析和量化计算。根据山区河道型水库的特点提出弯道系数的概念并修正潘家铮计算公式,该系数主要由大坝附近涌浪监测结果反分析获得。基于数值计算确定不同水位情况下的失稳范围,采用上述修正方法对库区一处潜在失稳区岩土体进行滑动入水后的涌浪预测,从而获得较为可靠的预测结果,为水电站的安全运行提供重要依据。<br/>The reservoir storage, in the process of hydropower station construction or operation, often triggers a large number of reservoir bank slope instability of rock and soil mass in different degrees, which not only affect the implementation of the project construction, but also seriously threaten the river dam and surrounding people’s safety. The Huangtian landslide in a hydropower station reservoir area close to the dam was taken as an example, the sliding causes and mechanism of which were analyzed in this paper; on the basis of start-up speed and slip velocity calculation, the surge after sliding into the water was analyzed and quantified. The concept of curve coefficient that obtained from the surge monitoring results nearby the dam by inverse analysis was proposed according to the characteristics of mountainous river reservoir and used to amend the Pan Jiazheng formulas about the surge. Based on the instability scope which was determined by numerical calculation under different water conditions, the surge was forecasted by the above method when the rock and soil in a potentially unstable reservoir area can slide into the water, so as to obtain more reliable predictions and provide an important basis for the safe operation of hydropower station.
刘云鹏1,吴佳壕2,李辉1
1中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都
2四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院,四川 成都
Email: 464276817@qq.com
收稿日期:2015年5月24日;录用日期:2015年6月11日;发布日期:2015年6月17日
水电站建设及建成发电运行以后,伴随着水库蓄水,往往不同程度地触发岸坡岩土体失稳,不仅影响工程建设的实施,而且对拦河大坝和周围人民群众的生命财产安全造成严重威胁。本文以某水电站近坝库区的荒田滑坡为例,分析其滑动成因和机制;在启动速度和下滑速度计算的基础上,对其滑动入水后形成的涌浪进行分析和量化计算。根据山区河道型水库的特点提出弯道系数的概念并修正潘家铮计算公式,该系数主要由大坝附近涌浪监测结果反分析获得。基于数值计算确定不同水位情况下的失稳范围,采用上述修正方法对库区一处潜在失稳区岩土体进行滑动入水后的涌浪预测,从而获得较为可靠的预测结果,为水电站的安全运行提供重要依据。
关键词 :近坝库岸滑坡,水库蓄水,涌浪预测,弯道系数法,安全运行
水库库岸大型潜在滑坡的失稳会导致岩土体高速入水,不仅会堵塞河道、威胁航行船只及沿岸居民生命财产的安全,更严重的是还会激起巨大涌浪,造成坝顶过水甚至冲毁水工建构筑物。特别是正在蓄水或已经蓄水不久的库区,库水的变化往往对库岸潜在滑坡的稳定性造成巨大影响,一旦受到暴雨、库水位突然变化等多重外界影响因素的联合作用,一些处于潜在稳定状态或基本不稳定状态的库岸滑坡就可能失稳,如果失稳的滑坡体积较大,滑块速度较快,不可避免会激起涌浪。例如,1961年3月6日,正值施工期间的柘溪水库大坝上游右岸1.5 km处的塘岩光发生滑坡,体积超过140万m3的滑体以高达25 m/s的速度滑入深50余m的山区水库,激起的最大涌浪高度为21 m,至坝前达2.5 m,并漫过尚未完建的大坝顶部泄向下游,造成了巨大损失,当场死亡40余人[
影响水库库岸滑坡涌浪的因素是十分复杂的,而且许多因素不能明确确定而仅为估计值,另外,计算时边界条件和初始条件也较为复杂,还没有一种通用的计算方法。在计算水库库岸滑坡引起的涌浪时,主要使用试验计算方法和数值模型方法 [
荒田滑坡位于水电站大坝上游约9.5 km的库区右岸,其剖面特征及外观形态全貌分别如图1和图2
图1. 荒田滑坡示意图
图2. 荒田滑坡全貌
所示。2009年7月20日凌晨3:36左右滑坡所在山体突发滑坡,形成一宽约500余m,高约350 m,总方量超过500万m3的大型滑坡,其中滑入江中山体约100万m3,滑坡形成的巨大冲击波,掀起平均30~40 m高的巨浪。形成的滑坡后缘陡壁高约100 m,坡度约60˚,滑坡发生后在堆积体的后缘及中部形成了两个缓坡平台,其中后缘平台剖面方向宽约300 m,中部平台剖面方向宽约150 m。
据现场调查和已有的资料分析,荒田滑坡形成的原因主要有以下几点:1) 岸坡岩土体物质组成及结构。岸坡位于河床右侧凹岸出口部位,由于长期的凹岸水流冲刷作用,加之岸坡属坡向与岩层倾向小角度相交的顺向坡,为表层破碎岩体各类重力地质现象的产生提供了有利条件,从而在岸坡中下部形成较厚的第四系覆盖层,主要为崩坡积的块碎石土,广泛分布于区内台地及缓坡地带,为黄褐色夹块碎石,一般厚度10~20 m,个别在30 m左右。岩基为无量山群上统深灰色片岩、板岩、变质砂岩,在滑坡右侧前缘可见板岩,薄层状,岩层产状为N80˚W/NE∠50˚~60˚。区域地质资料揭示在岸坡附近发育有两条规模较大的断裂,其中八字耳朵断裂从岸坡前缘澜沧江河谷通过,另外一条老君山断裂则从岸坡下游一侧的垭口通过,由于断裂形成过程中构造挤压作用的影响,岸坡岩体结构完整性差;伴随后期的风化营力作用,在岸坡浅表层形成了较厚的结构破碎的强全风化岩体,根据滑坡后缘陡壁揭露情况,基岩强、全风化厚度可达20~30 m。2) 降雨和水库蓄水影响。根据降雨资料,滑坡发生前数天区内普将暴雨,造成的影响是:浅表层岩体饱水对岸坡加载的同时,降雨下渗造成岸坡全强风化岩体和第四系覆盖层的强度急剧降低。滑坡发生前水库已经开始蓄水,岸坡前缘坡脚处于蓄水位以下,由于水的软化弱化作用,前缘坡脚岩土体的强度被进一步降低,同时也导致其有效应力的减小。3) 岸坡前缘临空条件。从滑坡发生前的地形地貌来看,岸坡前缘临江高程约990~1100 m段地形较陡,坡度约50˚~55˚,这为滑坡的产生提供了良好的临空条件。
其滑动机制为:1) 岸坡表层较厚的第四系覆盖层和强全风化岩土体结构松散破碎,易于饱水,滑坡发生前的强降雨过程,使岸坡岩土体一直处于加载过程中,造成岸坡岩土体下滑力增大;此外,降雨下渗形成的软化弱化作用导致岸坡岩土体内部抗滑能力降低。2) 水库蓄水过程中,岸坡前缘坡脚岩土体处于水下并且岸坡地下水位线被抬升,一方面蓄水浸泡降低了岸坡岩土体的强度,另一方面地下水位线抬升产生的浮托力减小了岸坡前缘岩土体的有效应力导致抗滑能力降低。简言之,强降雨导致岸坡岩土体下滑力增大以及抗剪强度降低,蓄水过程导致岸坡前缘抗滑段抗滑能力降低,前缘良好的临空条件最终造成了滑坡的整体下滑。
对于推移式滑坡而言,假定滑坡滑动前由主动滑动段(质量为
根据现场取样并室内试验的岩土体大剪试验结果,计算时参数选取如下,认为滑带土在运动情况下的内聚力
滑体下滑速度的预测和计算,有多种方法。本文主要侧重理论计算法和滑坡特征参数推算法。
1) 理论计算法
目前具代表性的有能量法、谢德格尔法和科内尔法。
① 能量法根据能量守恒定理,导出滑块沿滑面下滑
式中:
② 谢德格尔法(A. E. Scheidegger, 1978)
考虑了滑坡体积效应。他根据33个滑坡的调查资料发现,滑坡的体积和等价摩擦系数
式中:
③ 科内尔法(H. J. Korner, 1976)
将大型滑坡视为流体,按流体力学方法计算滑速。设定阻力有两个部分,一部分由滑动摩擦形成,另一部分决定于滑动速度的平方,即:
式中:
式中:
这三种方法在应用上都有一定局限性,能量法基于已知滑面的纯理论假设,计算参数容易获取,但不能反应滑坡滑动的实际情况;谢德格尔法根据已有调查资料推导的经验公式,考虑了滑坡体积效应,在一定条件下能够接近真实结果;科内尔法对颗粒流滑坡更有适用性,但采用的参数难于确定,有待进一步研究。
2) 滑坡特征参数推算法
根据已发生的滑坡自身提供的表征运动特征的参数,可按下式(王兰生、董孝璧,1988)推算滑体最大滑速:
式中:
对荒田滑坡采用不同方法进行计算的结果见图3。综合分析后确定其下滑速度为28 m/s,作为后续计算的参考。
国内外学者对滑坡涌浪问题进行过大量研究,建立了多种分析方法和计算公式。但是,因滑坡产生的涌浪高度不仅受滑速、失稳体积、水深等因素影响,而且波浪的形成还受水库地形、库面宽度、滑坡过程持续时间以及滑坡体的长度等因素的影响 [
该方法假定,滑体滑落于半无限水体中,且下滑高程大于水深,根据重力表面波的线性理论,推导出一个滑坡引起波浪的计算公式。应用公式直接计算其过程十分复杂,但利用根据公式计算确定的一些曲线图表,能较简便地求出距滑体落水点不同距离处的最大波高。计算步骤如下:
1) 计算下滑体滑速
图3. 荒田滑坡下滑速度计算结果
图4. 波浪特性分区图
图5. 滑坡落水点处最大波高计算图
图6. 距滑坡落水点X处最大波高计算图
Edward Node (1970)针对单向流情况,考虑了滑坡体垂直下落和水平推动两种极端状态,并得出了其引起涌浪理论解。其模型为不可压缩、无粘性,有只有表面的半无限长水体,边壁突然发生水平移动,其运动速度
产生涌浪的计算公式为:
其中,
上式经近似处理后,在单一速度值的情况下,其涌浪最大值的表达式:
假定涌浪首先在滑坡入水处发生,产生初始波,然后向周围传播,确定初始涌浪高度的主要因素是滑坡体侵入水库的断面积随时间的变化率,其计算模式按岸坡变形分为水平运动和垂直运动两种,两种模式下的初始涌浪高度求解曲线见图7。
当岸坡发生水平运动时,激起的初始浪高可表示为:
当岸坡发生垂直运动时,可用下列函数确定激起的初始浪高:
上两式中,
上式函数关系可以分段表示成下面三种形式:当
根据任兴伟等的研究 [
式中
该方法在比较适合用于大而深的水库中,即
采用该方法对荒田滑坡进行最高涌浪计算获得
其滑坡入水点的最大涌浪高度计算公式为:
式中:
R. L. Slingerland和B. Volght (1979)在Libby坝、Mica坝和Koocasusa湖模型试验资料的基础上给出了最大涌浪高度与无量纲动能之间的经验公式:
图7. 初始涌浪高度求解曲线图(据潘家铮,1980)
主要参数 | 取值/结果 |
---|---|
速度v (m/s) | 28 |
平均水深h (m) | 80 |
0.872 | |
入水角度 | 30 |
最大浪高 | 84.8 |
表1. 荒田滑坡初始最高涌浪计算参数
采用美国土木工程学会建议的推算法对荒田滑坡涌浪事故进行计算。计算参数采用数值模拟方法(图8)和调查综合估算获得,见表2,其中滑体下滑速度
采用其他计算方法获得的结果见图9所示,R. L. Slingerland和B. Volght计算结果明显偏小,故根据前三种方法计算结果综合取值85.0 m。
修正潘家铮计算方法,同样假定水库库岸为两条平行陡壁,其宽度为B、且滑坡范围为L内的库岸断面一致,岸坡变形率
图8. 荒田滑坡数值计算结果中的潜在滑体
主要参数 | 取值/结果 |
---|---|
滑坡平均厚度 | 80.0 m |
滑落高度 | 129.4 m |
滑坡前缘平均水深 | 80.0 m |
无因次量 | 0.995 |
波浪特征 | 属D区 |
0.82 | |
滑坡落水点最大波高 | 65.6 m |
无因次量 | 5 |
0.32 | |
滑坡对岸处 | 25.6 m |
表2. 荒田滑坡涌浪计算参数(美国土木工程学会推算法)
1) 对岸最高涌浪公式
式中
图9. 基于不同方法获得的荒田滑坡最大涌浪高度
该级数的项数取决于滑坡历时T及涌浪从本岸传播到对岸需时
2) 距离滑坡
式中
3) 采用上述方法计算荒田滑坡涌浪传播到大坝附近的浪高
根据已知条件(计算参数见表3),得滑坡传播到大坝附近的浪高为2.96 m。本次计算中,根据大坝附近实际监测点涌浪约为3 m,反分析河流弯道系数
斜坡坡度、波陡、爬坡方位、水深以及爬坡时波浪形态都是影响波浪爬高主要因素。在我国交通部《海港水文规范》中,采用了华东水利学院及南京水利科学研究院模型试验和原型试验的分析成果,该方法将堤前波高、护面结构的糙渗系数、波陡及斜坡坡度作为主要影响因子 [
本文在估算涌浪爬高时考虑斜坡坡脚及爬坡方位角(涌浪传播方向与岸坡法向方向的夹角)两方面的
主要参数 | 取值/结果 |
---|---|
水库库面宽度(m) | 400 |
平均水深(m) | 80 |
滑坡体长(m) | 500 |
滑坡体厚(m) | 50~80 |
平均滑速(m/s) | 28.0 |
滑动历时(s) | 10.0 |
距离大坝(km) | 9.5 |
最大涌浪高度(m) | 84.8 m |
河流弯道系数 | 0.64 |
传播到大坝附近的浪高(m) | 2.96 |
表3. 荒田滑坡计算参数(引入弯道系数)
影响。对于斜坡坡度的影响而言,斜坡坡度越大,涌浪爬坡高度越小;对于爬坡方位角的影响而言,爬坡方位角越大,涌浪爬坡高度越小。可采用任洋等提出的涌浪爬坡高度综合估算式 [
式中,
据上述公式计算荒田滑坡在对岸形成的爬高为38.4~44.3 m (其中
库水的静、动力及物理化学作用,将引起库岸斜坡稳定性的变化,甚至造成失稳、形成涌浪。涌浪以滑坡处为源点,向上下游推进,在推进中不断变形,引起了一个不稳定流的过程。要判断水库滑坡涌浪建构筑物的危害性,首先需要大致判断涌浪到达各建构筑物处的浪高。但这是一个极为复杂的问题,不容易求得精确的解答。因此,本文将根据现场调查情况和室内试验结果,对近坝库区一处潜在不稳定岸坡的稳定性进行数值模拟计算,通过搜索找到不同水位情况下的最不利滑动条块。在此基础之上,采用前述的滑坡速度计算公式和修正以后的涌浪计算公式,对滑坡体入水速度和引起的涌浪及爬坡高度进行估算。
根据室内试验和相似工程类比,并结合参数反算选取稳定性计算参数,如表4所示。通过该参数计算蓄水至1200 m、1240 m时高程时,岸坡前缘的稳定性系数分别为为0.692和0.703 (如图10、图11),说明前缘有局部失稳的可能。
首先根据数值计算的滑动范围,确定岸坡失稳体积的大小;进而由前述的速度计算方法获得坡体滑入水中时的最大速度(本文分析中设定岸坡前缘失稳宽度为计算高度的2倍,同时设定滑体的质心顺滑面滑入水中时速度最大,其中滑体质心落差H与滑块沿滑面下滑水平距L可以根据质心到水位线与坡面线的交点的水平和垂直距离确定,滑面的内聚力和内摩擦角根据蓄水淹没的程度加权平均),具体计算参数见表5。
岩性 | 状态 | 容重(KN/m3) | 内聚力(Kpa) | 内摩擦角(˚) |
---|---|---|---|---|
碎块石质土 | 天然 | 20.1 | 23.4 | 25.3 |
饱水 | 22.0 | 12.0 | 12.4 | |
强风化基岩 | 天然 | 23.4 | 164 | 20.8 |
饱水 | 24.5 | 100 | 15 | |
弱风化基岩 | 天然 | 26.3 | 1090 | 32 |
饱水 | 27.0 | 1000 | 30 |
表4. 潜在不稳定岸坡稳定性计算参数
水位高程(m) | 剖面上的 失稳面积(m) | 高度 (m) | 顺剖面延 伸宽度(m) | 质心落差(m) | 沿滑面下滑 水平距离(m) | 体积 (万m3) | 速度(m/s) | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
能量法 | 谢德格尔法 | 平均值 | |||||||
1200 | 5559 | 161.9 | 227.0 | 66.5 | 108.2 | 179.0 | 21.9 | 19.3 | 20.6 |
1240 | 3847 | 127.5 | 183.8 | 55.6 | 90.5 | 98.1 | 19.5 | 15.3 | 17.4 |
表5. 潜在不稳定岸坡滑动入水速度计算
图10. 蓄水1200 m岸坡局部稳定性计算结果(K = 0.692)
采用前述的修正潘家铮公式(采用河流弯道系数修正),根据岸坡前缘局部下滑速度的计算结果,对大坝附近和滑坡附近的涌浪进行估算。分别考虑蓄水状态至1200 m、1240 m时水深分别为190 m和230 m,河面宽度为600 m和750 m,滑坡平均宽度为324 m和255 m,滑动倾角为33˚,于是可以计算距离7.4 km
图11. 蓄水1240 m岸坡局部稳定性计算结果(K = 0.703)
水位高程(m) | 河面宽度B (m) | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1200 | 20.6 | 0.4772 | 1 | 1.108 | 600 | 100.4 | 1.10 | 34.1 | 51.2 |
1240 | 17.4 | 0.3663 | 1 | 1.108 | 750 | 93.3 | 0.83 | 20.1 | 30.2 |
表6. 潜在不稳定岸坡涌浪预测
处坝址附近涌浪高度。由于该处不稳定岸坡位于荒田滑坡下游2.1 km处,其弯道形态具有与荒田滑坡一致的特征,因此,根据距离大坝的远近程度将弯道系数取为
根据已有计算参数获得的该潜在不稳定岸坡的涌浪计算结果表明,水库蓄水至1200 m和1240 m时存在滑动的可能,即稳定性系数小于1;还可以发现从1200 m高程升至1240 m高程以后,岸坡的失稳范围反而随之减小,其形成的涌浪高度、涌浪传播距离和引起的涌浪高度都较前者为小;涌浪传播至大坝附近时,其涌浪高度约1 m左右,明显小于坝顶高程,不会造成翻坝危险;但滑坡入水点的涌浪高度可达到90 m以上,且在滑坡对岸处也可造成超过30 m的涌浪爬高,因此必须加强滑坡附近的安全监测工作,避免发生涌浪灾害事故。
1) 通过现场调查,分析认为造成荒田滑坡的主要原因是连续降雨对岸坡岩土体的加载和软化弱化效应,从而引起岸坡岩土体下滑力增加、抗剪强度降低。特别是水库蓄水后,前缘坡脚受到库水影响产生的有效应力降低是滑坡发生的直接诱发因素,而前缘陡峻的地形地貌特征最终导致了滑坡的整体下滑。
2) 采用潘家铮计算方法的基本原理,并根据库区实际情况和已有的监测结果(荒田滑坡引起的涌浪传播至大坝附近时的最大浪高)对其公式进行修正,即主要考虑弯道系数
是符合实际情况的。
3) 通过分析潜在不稳定岸坡实例在1200 m、1240 m水位时稳定性数值计算和涌浪计算结果,可以看出水位从1200 m高程升至1240 m高程以后,岸坡的失稳范围反而随之减小,其引起的涌浪高度和涌浪传播距离都较前者为小,传播至大坝附近时形成的浪高在1 m左右,不会造成涌浪翻过坝顶的危险,对大坝附近区域基本没有太大影响。但在滑坡附近一定范围内,特别是在滑坡主滑方向范围内,其涌浪形成的危害是显而预见的。因此,有必要做好对过往船只和各类活动人员的安全防范工作。
刘云鹏,吴佳壕,李 辉, (2015) 某水电站近坝库岸滑坡涌浪预测研究Surge Prediction Study of Reservoir Bank Landslide near a Hydropower Dam. 地球科学前沿,03,114-129. doi: 10.12677/AG.2015.53015