李世貴

湖北省鄂西地質(zhì)工程勘察院，湖北 宜昌 443000

隨著三峽大壩的建成，庫區(qū)蓄水周期性漲落，庫岸涉水區(qū)滑坡活動性明顯加劇，大型滑坡體高速沖入庫區(qū)所產(chǎn)生的涌浪不但毀壞過往船只，也對兩岸房屋和居民的生命安全造成了嚴重威脅。例如，湖北千將坪滑坡涌浪高達39m，造成14人死亡，多人失蹤，上千人無家可歸[1]；重慶龔家方崩塌最大涌浪高達31.8m，對停泊在河面的船只造成了嚴重毀壞，經(jīng)濟損失嚴重；重慶紅巖子滑坡激起巨大涌浪，造成1人死亡，多人受傷，20余艘船只翻沉[2]。因此，研究滑坡在可能失穩(wěn)情況下激起涌浪的沿程傳播與爬高具有一定的實際應(yīng)用價值。目前，滑坡涌浪傳播與爬高的研究方法較多，徐文杰[3]采用離散元法和光滑粒子流耦合法分析了滑坡涌浪動力學(xué)過程，與已有成果吻合較好；霍志濤等[4]和趙樹正等[5]運用數(shù)值模擬的方法分別對滑坡涌浪風(fēng)險進行了分析，較好地劃分了涌浪災(zāi)害影響范圍和危險預(yù)警區(qū)；岳霞等[6]根據(jù)流動性滑坡涌浪動力學(xué)模型模擬了涌浪的產(chǎn)生、傳播與爬坡過程，與野外觀測結(jié)果基本一致。上述涌浪研究方法雖各有其優(yōu)點，但也有一定的局限性，如建模難度大，耗費時間和資金成本較多，實際應(yīng)用具有一定的難度。

文章綜合已有的研究成果，遵循簡單適用、經(jīng)濟合理和高效省時的原則，以三峽庫區(qū)某大型土質(zhì)滑坡為例，選取適合三峽庫區(qū)的經(jīng)驗公式對滑坡的涌浪沿程傳播以及爬高作出了預(yù)測和分析，以期更好地預(yù)防和制訂涌浪避險措施。

1 滑坡概況

三峽庫區(qū)某大型土質(zhì)滑坡平面形態(tài)呈兩脊相夾的不規(guī)則“圈椅”狀，后緣高程約為290m，前緣高程約為120m，沒入長江。滑坡長約500m，寬約430m，滑體平均厚度約25m，總體積約640萬m3，屬深層特大型土質(zhì)滑坡。工程地質(zhì)平面圖如圖1所示。

圖1 工程地質(zhì)平面圖

滑坡滑體主要成分為粉質(zhì)黏土及碎塊石土，粉質(zhì)黏土粒徑一般為3～5cm，土石比為7∶3～8∶2；碎塊石最大塊徑為6m，一般為10～20cm，土石比一般為3∶7～8∶2，厚度為5～36m?；瑤б院槭昂堑[粉質(zhì)黏土為主，土石比為9∶1～7∶3，碎石、角礫最大粒徑一般為1～2cm?；不鶐r為侏羅系下統(tǒng)香溪組（J1x）粉砂巖，巖層產(chǎn)狀為15°∠36°，順坡向。工程地質(zhì)主剖面圖如圖2所示。

圖2 工程地質(zhì)主剖面圖

2 滑坡涌浪分析

2.1 滑速計算模型及計算結(jié)果

文章主要采用3種方法計算滑速，即潘家錚[7]提出的滑速估算法（潘家錚法），基于重心質(zhì)點的能量法（能量法），美國土木工程師協(xié)會推薦的方法（美協(xié)法）[8]。

（1）采用潘家錚法估算滑坡滑速，公式如下：

水平速度公式如下：

式中：Vxi為第i塊土條的水平速度；Vxi+1為第i+1塊土條的水平速度；△L為條塊寬度；αxi為第i塊土體的水平加速度。

滑時公式如下：

式中：ti為第i個條塊沖入水中時已經(jīng)歷的時間；ti+1為第i+1個條塊沖入水中時已經(jīng)歷的時間。

滑面的黏聚力可取飽和殘余剪強度值c=11kPa；滑坡處于長期滲流狀態(tài)，坡體的自重固結(jié)早已完成，滑動前的摩擦因數(shù)可采用慢剪試驗值；滑坡的發(fā)生通常比較突然，在其滑動過程中必定會產(chǎn)生孔隙水壓力，保守估計采用飽和固結(jié)快剪試驗值。

根據(jù)式（1）～式（4）可得，175m水位時，滑時為42.5s，滑距為120m，滑速為6.1m/s；145m水位時，滑時為31.8s，滑距為180m，滑速為12.9m/s。

（2）采用能量法估算滑坡滑速，公式如下：

式中：g為重力加速度；△Z為滑坡體重心變化高度；α為傾角；f為動摩擦因數(shù)。

以滑坡主剖面作為計算剖面，經(jīng)計算，未滑動時，滑體重心高程為180m。傾角α取26°，V=6450000m3，a=-0.15666，b=0.62419。175m水位時，△Z=5m，計算得滑速為5.07m/s；145m水位時，△Z=35m，計算得滑速為13.4m/s。

（3）采用美協(xié)法估算滑坡滑速，公式如下：

式中：α為傾角；W為滑坡體單寬重量；c為滑面黏聚力；H為滑坡體重心與庫水表面的垂直距離；l為滑塊滑面長度。

選取滑坡主剖面作為計算剖面，根據(jù)上文，取f=0.36，傾角α=26°，c=11kPa，W=206932kN。175m水位時，l=11.4m，H=5m，計算得滑速為5.05m/s；145m水位時，l=79.8m，H=35m，計算得滑速為13.15m/s。

綜合以上3種方法，按最不利工況考慮，175m水位時，最大滑速Vmax=6.1m/s；145m水位時，最大滑速Vmax=13.4m/s。

2.2 最大首浪計算

采用滑坡最大首浪計算公式[9]：

式中：Hmax為最大首浪高度；l、w、t分別為滑坡的長、寬、厚；v為滑坡入水速度；h為滑動時的最大水深；α為滑動面傾角；b為滑動時的河面寬。

根據(jù)式（8），在175m水位時，滑坡的入水長度l約為120m，入水寬度w約為430m，厚度t約為25m，此時最大水深為110m，滑速為6.1m/s，滑動面傾角為26°，滑坡入水?dāng)嗝嫣幍暮拥缹捈s為800m；庫水位在145m時，滑坡的入水長度l約為180m，入水寬度w約為410m，入水厚度t約為25m，此時最大水深為80m，滑速為13.4m/s，滑動面傾角為26°，滑動時的河面寬約500m。

將以上數(shù)據(jù)代入式（8）計算得，庫水位在175m時的最大首浪高度為7.4m，庫水位在145m時最大首浪高度為20m。

2.3 沿程傳播涌浪計算

采用沿程傳播涌浪計算公式[9]：

式中：Hr為河道沿程某處傳播浪高度；Hmax為滑坡最大首浪高度；x為沿程某處至滑坡點的距離；h為滑坡滑動時的最大水深。

根據(jù)式（9）計算得出滑坡涌浪沿程高度，如表1和圖3所示。

表1 涌浪傳至任意點的浪高計算成果 單位：m

從表1和圖3可以看出，175m水位和145m水位時滑坡涌浪沿程傳播高度總體呈負指數(shù)下降，衰減由快到慢；涌浪在距首浪約2km范圍內(nèi)衰減較快，2種工況下2km處的涌浪高度分別為首浪的33.7%和29.0%，其后衰減逐漸趨于平緩。

圖3 涌浪高度與至滑坡點距離的關(guān)系曲線

當(dāng)涌浪高度＞2m時，將對船只安全造成嚴重威脅。根據(jù)計算結(jié)果可知，一旦滑坡失穩(wěn)，175m水位時，將對滑坡點上下游共6km航道內(nèi)的船只及船員生命安全造成威脅；145m水位時，將對滑坡點上下游共24km航道內(nèi)的船只及船員生命安全造成威脅。

2.4 涌浪爬高

汪洋等[10]認為涌浪爬坡高度與兩岸斜坡坡度和爬坡方位角有關(guān)，三者間的關(guān)系可以表示如下：

式中：△h為涌浪爬坡高度（不包括涌浪高度）；h為傳播至對岸的涌浪高度；α為對岸斜坡傾角；β為爬坡方位角。

將表1的沿程涌浪傳播高度和表2的地形坡度以及對應(yīng)的爬坡方位角代入式（10），計算涌浪沿程爬坡高度，結(jié)果如表2和圖4所示。

表2 涌浪沿程爬坡高度

圖4 滑坡涌浪沿程爬坡高度曲線

從表2和圖4可以看出，175m水位和145m水位時滑坡涌浪傳播至對岸的爬坡高度均高于首浪高度，岸坡坡度越陡，涌浪爬坡高度增量越大；2種工況下沿程爬坡高度總體呈負指數(shù)下降，衰減由快到慢，之后趨于平緩；坡度越陡，衰減越快[11]。

145m水位時，涌浪爬高最大為21.3m，尚處于175m水位以下，該淹沒線范圍內(nèi)無房屋和居民，故涌浪對沿岸居民無威脅。175m水位時，滑坡正對岸產(chǎn)生的涌浪爬高達9.1m，14km處涌浪爬高為1.4m，涌浪將對淹沒線范圍內(nèi)兩岸的房屋和居民造成直接沖擊威脅[12]。

3 結(jié)論

（1）文章采用潘家錚法、能量法和美協(xié)法對滑坡最大入水滑速進行了定量估算，綜合得出175m水位和145m水位時滑坡最大入水滑速分別為6.1m/s、13.4m/s。（2）根據(jù)滑坡最大首浪計算公式得出，庫水位在175m和145m時，滑坡產(chǎn)生的最大首浪分別為7.4m、20m。（3）滑坡涌浪在距滑坡上下游各2km范圍內(nèi)衰減較快，175m水位和145m水位時涌浪高度分別為首浪的33.7%和29%，其后衰減逐漸趨于平緩。上述2種工況下，將分別對滑坡點上下游共6km和24km航道內(nèi)的船只及船員生命安全造成威脅。（4）175m水位和145m水位時滑坡涌浪傳播至對岸的爬高均高于首浪高度，坡度越陡，爬坡高度增量越大。145m水位時，涌浪對沿岸房屋和居民無威脅；175m水位時，滑坡涌浪將對淹沒線范圍內(nèi)兩岸的房屋和居民造成直接沖擊威脅。

（5）文章滑坡涌浪沿程傳播與爬高計算分析思路可以應(yīng)用到類似滑坡工程中，對預(yù)防和制訂涌浪避險措施具有一定的指導(dǎo)意義。