李大龍， 尉海江， 易小宇， 頓佳偉

(1.浙江華東建設(shè)工程有限公司， 杭州 310014； 2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院， 成都 610059； 3.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室(成都理工大學(xué))， 成都 610059)

水庫蓄水通常是誘發(fā)庫岸滑坡的關(guān)鍵因素，在水庫蓄水初期，庫區(qū)可能會頻繁發(fā)生滑坡和崩塌，從而引發(fā)涌浪[1]。1960年2月，意大利Vajont水庫開始蓄水；1963年10月9日，大壩左岸附近的山坡發(fā)生巨大滑坡，導(dǎo)致超過20.5×106m3的水漫過大壩，摧毀了下游的幾個村鎮(zhèn)，造成1 925人死亡[2]。2003年6月三峽水庫開始蓄水，2003年7月14日，湖北省秭歸縣千將坪發(fā)生山體滑坡，產(chǎn)生涌浪，造成12人死亡[3]。這些世界各地水庫區(qū)發(fā)生的滑坡災(zāi)害都表明，水庫滑坡涌浪的研究對庫區(qū)安全具有重要意義。在水庫的前期運行階段，就應(yīng)該對潛在滑坡產(chǎn)生的涌浪進(jìn)行研究[4-6]。

目前，中外對于滑坡涌浪研究的方法主要有經(jīng)驗公式法、模型試驗法和數(shù)值模擬等方法。經(jīng)驗公式直接顯示了滑坡涌浪特征參數(shù)與主要影響因素之間的關(guān)系，是滑坡涌浪風(fēng)險分析中最為常用的方法[7]。模型試驗法是水庫滑坡涌浪特征研究的重要手段，經(jīng)驗公式建立大都與室內(nèi)試驗有關(guān)，中外都重視滑坡涌浪的實驗研究。黃波林等[8]采用物理模型對三峽庫區(qū)龔家方崩滑體的涌浪進(jìn)行了物理原型試驗研究，并與基于水波動力學(xué)的模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析。數(shù)值模擬方法能夠展現(xiàn)滑坡入手全過程，可以獲取任意點的波高、波長、波動周期等特征，在滑坡涌浪的計算和預(yù)測中應(yīng)用廣泛[9]。在數(shù)值模擬中，通常將水庫滑坡涌浪模型與有限單元法、光滑粒子流體動力學(xué)(smoothed particle hydrodynamics，SPH)、流體體積法(volume of fluid，VOF)法等數(shù)值方法結(jié)合進(jìn)行滑坡涌浪分析[10-12]。

白鶴灘水電站是金沙江梯級電站的重要一環(huán)。白鶴灘水電站計劃2013年主體工程正式開工，2022年工程完工。電站建成后，將僅次于三峽水電站成為中國第二大水電站。2021年，白鶴灘水電站將進(jìn)行試驗性蓄水，水位逐漸上升至正常蓄水位825 m，其后在死水位765 m與正常蓄水位825 m之間變動。

王家山滑坡位于白鶴灘庫區(qū)小江河右岸王家山段，距離象鼻嶺移民安置區(qū)直線距離約1.3 km，現(xiàn)今處于蠕滑變形狀態(tài)。白鶴灘水電站水庫蓄水后，王家山滑坡四分之一滑體將淹沒在庫水中，其穩(wěn)定性備受關(guān)注，失穩(wěn)破壞是否影響臨近移民安置區(qū)需要進(jìn)一步評價?；诖耍F(xiàn)以王家山滑坡為研究對象，對其穩(wěn)定性進(jìn)行和失穩(wěn)涌浪風(fēng)險進(jìn)行分析評價，以期為王家山滑坡的風(fēng)險管理提供科學(xué)依據(jù)，為其他山區(qū)水庫滑坡涌浪風(fēng)險研究提供參考。

1 滑坡基本特征

1.1 形態(tài)邊界特征

如圖1和圖2所示，王家山滑坡位于金沙江支流小江右岸，滑坡體整體坡度25°～35°；在高程870～950 m，發(fā)育平頂小山包及滑坡凹地，地形坡度15°～20°；高程約870 m至前緣小江右岸730 m高程，地形坡度35°～40°，局部45°～50°。滑坡左側(cè)兩側(cè)以沖溝為界，流向分別為S62°W和N75°W，在滑坡后緣處交匯，具典型的“雙溝同源”和“圈椅狀”地形特征。滑坡前、后緣高差約450 m，滑坡順坡長800 m，寬90～500 m，面積約23.5×104m2。根據(jù)鉆孔資料，滑坡堆積體厚14.0～87.6 m，滑坡中部較厚，后緣和前緣較薄，平均厚度約26 m，總體積約611×104m3，為一大型土質(zhì)滑坡。

1.2 物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征

該段岸坡地層巖性復(fù)雜，基巖主要有古生界奧陶系下統(tǒng)紅石崖組(O1h)，中統(tǒng)巧家組(O2q)、大箐組(O2d)；泥盆系中統(tǒng)縮頭山組(D2st)；石炭系下統(tǒng)萬壽山組(C1ws)，中統(tǒng)威寧組(C2w)，上統(tǒng)馬寧組(C3m)；二疊系下統(tǒng)梁山組(P1l)、棲霞-茅口組(P1q+m)。覆蓋層主要為新生界第四系滑坡堆積物(Qdel)和沖洪積物(Qapl)。

圖1 王家山滑坡區(qū)域位置圖Fig.1 Location of Wangjiashan landslide

圖2 王家山滑坡工程地質(zhì)平面圖Fig.2 Engineering geological graph of Wangjiashan landslide

圖3 王家山滑坡工程地質(zhì)剖面圖Fig.3 Engineering geological profile of the Wangjiashan landslide

滑坡堆積物(Qdel)上部為碎石混合土，灰、灰黃色，其中塊石粒徑0.2～1.0 m，含量10%～15%，碎石粒徑6～20 cm，含量20%～30%，礫石粒徑一般0.5～6 cm，含量30%～40%，其余為粉土，塊、碎石呈棱角狀，成分為灰?guī)r、白云巖、砂巖等，結(jié)構(gòu)松散-稍密，局部有架空現(xiàn)象，厚14.00～49.90 m。下部為粉土質(zhì)礫，灰黃、深灰、灰黑色，其中碎石粒徑6～8 cm，含量約5%，礫石粒徑0.2～6 cm，含量50%～60%，局部含量較高，其余為粉土，碎、礫石呈棱角狀，成分為白云巖、灰?guī)r及少量砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等，結(jié)構(gòu)中密-密實，厚3.04～13.30 m。

沖洪積物(Qapl)位于滑坡前緣，主要為含粉土礫，灰黃、灰褐色，其中礫石粒徑0.2～6 cm，含量60%～80%，其余為砂及少量粉土，卵、礫石呈次棱角-次圓狀，成分為千枚巖、白云巖等，結(jié)構(gòu)中密-密實，厚3.04～13.30 m。

滑帶土為含礫黏土，灰黑、灰褐色，稍濕，硬塑，其中礫石粒徑一般0.2～6 cm，含量20%～30%，局部礫石含量較高，砂粒含量約20%，其余為黏土，礫石呈次棱角狀，表面見擠壓光面，成分為白云巖，呈夾層狀分布于滑坡下部粉土質(zhì)礫內(nèi)，埋深35.64～61.24 m，厚0.61～2.26 m。

1.3 滑坡變形特征

SBAS-InSAR技術(shù)近年被大量應(yīng)用于滑坡的形變分析[13]。利用2017年2月19日至2020年8月26日Sentinel-1A衛(wèi)星降軌SAR數(shù)據(jù)對王家山滑坡的歷史形變回溯分析，得到其整體形變?nèi)鐖D4所示。圖4表明，王家山滑坡整體處于蠕變狀態(tài)，視向形變速率達(dá)-43～-12 mm/a，其中紅色的強(qiáng)形變區(qū)位于滑坡的中部，形變速率達(dá)-43～-37 mm/a。

實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑坡體中部變形跡象最為明顯，自2016年S303省道擴(kuò)建完成至今，滑坡體中部沿S303省道陸續(xù)發(fā)現(xiàn)12處拉張裂縫(圖2)，2處路面鼓脹變形和1處路面下沉。裂縫張開度20～30 cm，路面下沉量40～50 cm?；潞缶壙梢娒黠@的下錯臺坎，下錯垂直距離可達(dá)2 m，坡體上有大量碎石堆積；滑坡前緣局部出現(xiàn)滑塌、崩落等變形破壞，特別是在雨季期間，前緣滑塌破壞尤為明顯。

沿圖4所示剖面方向在強(qiáng)變形區(qū)選取A、B和C三個特征點，提取相關(guān)歷史形變信息，并與巧家縣氣象局獲取的同期歷史月降雨量數(shù)據(jù)對比分析。如圖5所示，受降雨影響，雨季(5—8月)滑坡形變速率顯著增加。這表明，降雨是引起王家山滑坡變形主要誘發(fā)因素之一。隨著后期庫水及降雨共同作用于該滑坡，可能導(dǎo)致滑坡穩(wěn)定性下降，出現(xiàn)加速變形跡象，有發(fā)生整體滑動破壞的可能。

圖4 王家山滑坡形變速率圖Fig.4 Deformation rate graph of Wangjiashan landslide

圖5 InSAR時序變形與降雨響應(yīng)Fig.5 InSAR time-series deformation and rainfall response

2 滑坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)王家山滑坡地形地貌和結(jié)構(gòu)特征，采用簡化原型的方式建立數(shù)值分析模型，蓄水前地下水位和最高蓄水位時地下水位分別采用鉆孔實測水位和推測地下水位(圖6)?；路€(wěn)定性分析采用加拿大Rocscience公司開發(fā)的Slide軟件[14]。

圖6 滑坡穩(wěn)定性計算模型Fig.6 Landslide stability calculation model

2.2 計算工況和參數(shù)選取

根據(jù)庫區(qū)實際環(huán)境條件，計算主要考慮持久工況、短暫工況和偶遇工況三種工況。持久工況的工況組合主要為天然工況和天然+不同蓄水位(780、785、790、800、825 m)工況；短暫工況的工況組合主要為暴雨工況和暴雨+不同蓄水位(780、785、790、800、825 m)工況；偶遇工況的工況組合主要為地震工況和地震+蓄水(825 m)工況。參考室內(nèi)試驗和工程地質(zhì)手冊結(jié)合滑坡簡化模型進(jìn)行參數(shù)取值，具體取值如表1所示。

2.3 滑坡穩(wěn)定性分析

計算分析表明，王家山滑坡在天然工況下整體穩(wěn)定系數(shù)為1.066，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨工況下整體穩(wěn)定系數(shù)為0.965，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，多處出現(xiàn)拉裂縫、鼓脹等變形跡象。白鶴灘庫區(qū)蓄水后，在庫水長期作用下，土體物理力學(xué)參數(shù)將有所降低，滑坡穩(wěn)定性下降。天然+蓄水工況下穩(wěn)定性系數(shù)0.942～1.060，滑坡體隨著庫水位上升穩(wěn)定性降低，在最高蓄水位時有沿底滑面發(fā)生整體滑動破壞的可能。蓄水期間若遭遇暴雨，其穩(wěn)定性系數(shù)將低于1.00，可能發(fā)生整體滑動破壞。在地震工況或者蓄水期發(fā)生地震，其亦會發(fā)生滑動破壞。鑒于王家山滑坡的穩(wěn)定性情況，其失穩(wěn)破壞的涌浪風(fēng)險應(yīng)做出進(jìn)一步的評價，以保證象鼻嶺移民安置點的安全。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Value of physical and mechanism paramenter of rock and soil mass

表2 不同工況條件下滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)Table 2 Landslide stability states under different conditions

3 滑坡涌浪風(fēng)險評價

3.1 最大滑速估算

涌浪的波及范圍和致災(zāi)程度與滑體失穩(wěn)入水的速度有關(guān)，確定滑體速度是分析涌浪災(zāi)害的前提。目前，常用的滑速計算方法有潘家錚法[15]、美國土木工程師協(xié)會推薦方法[16]和謝得格爾法[17]。

根據(jù)潘家錚法，將滑坡垂直平分成36個條塊，每個條塊寬度ΔL=20 m(圖7)。假定孔隙水壓力Ui=0，計算得出暴雨+蓄水825 m工況下，滑坡整體失穩(wěn)破壞的最大速度為7.44 m/s。

圖7 王家山滑坡滑速計算示意圖Fig.7 Calculation diagram of sliding speed of Wangjiashan landslide

根據(jù)美國土木工程師協(xié)會推薦公式，從圖7量取滑面平均傾角、滑面長度及滑體重心距水面高度。滑體單寬重量采用潘家錚法計算得出的單寬重量，將所有數(shù)據(jù)代入美國土木工程師協(xié)會推薦公式，計算得出暴雨+蓄水825 m工況下，滑坡整體失穩(wěn)的最大速度15.17 m/s。根據(jù)圖7，量取滑坡水平滑動距離L=181 m，帶入謝德格爾法計算公式，計算得出暴雨+蓄水825 m工況下，滑坡整體失穩(wěn)的最大速度為16.81 m/s。

3.2 涌浪高度估算

滑坡失穩(wěn)入水速度是涌浪高度最重要的影響因素，此外水深、入水體積、水面寬度和水面面積也影響涌浪高度。涌浪產(chǎn)生后，波的傳播問題非常復(fù)雜，目前還沒有統(tǒng)一的計算方法。選取廣泛使用的潘家錚法和水科院經(jīng)驗公式對滑坡失穩(wěn)條件下涌浪的高度估算。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]，采用潘家錚法計算得出王家山滑坡整體失穩(wěn)時最大入水速度7.44 m/s，在象鼻嶺移民安置區(qū)的涌浪高度為3.23 m。根據(jù)文獻(xiàn)[17]，采用中國水科院經(jīng)驗公式，引用前文潘家錚法、美國土木工程師協(xié)會推薦公式和謝德格爾法計算得出的滑速，計算王家山滑坡發(fā)生整體失穩(wěn)破壞時象鼻嶺移民安置點涌浪高度分別為2.09、4.67、6.54 m。

3.3 涌浪風(fēng)險評價

前述分析表明，王家山滑坡在暴雨+蓄水工況下發(fā)生整體滑動破壞的最大入水速度，潘家錚法計算為7.44 m/s，美國土木工程師協(xié)會推薦公式計算為13.22 m/s，謝德格爾法計算為16.81 m/s；象鼻嶺移民安置區(qū)的涌浪高度，潘家錚法計算為3.52 m，水科院經(jīng)驗公式法分別為2.09 m(潘家錚法速度)、5.67 m(美國土木工程師協(xié)會推薦公式速度)、6.54 m(謝德格爾法速度)。

從滑速計算成果來看，潘家錚法、美國土木工程師協(xié)會推薦公式和謝哥德爾法各有其適應(yīng)的條件，美國土木工程師協(xié)會推薦公式只能計算滑面傾角大于滑帶土內(nèi)摩擦角，且滑面相對平直的滑坡；謝德格爾法考慮了滑坡的體積效應(yīng)，但也只能計算滑面傾角較大的滑坡。謝德格爾法根據(jù)經(jīng)驗確定計算參數(shù)，因此計算結(jié)果可信度相對較低。潘家錚法考慮的因素較多，不僅能計算滑面相對平直的滑坡，也能計算滑面為曲面的滑坡，相對更符合實際。因此總體上來說，潘家錚法適用范圍更廣，計算結(jié)果更可信。

從涌浪計算結(jié)果來看，潘家錚法和水科院經(jīng)驗公式法計算得出了涌浪高度相差較大，水科院經(jīng)驗公式計算出的涌浪高度明顯較小。由于水科院經(jīng)驗公式考慮了體積效應(yīng)的影響，而該處不穩(wěn)定體體積較小，故計算結(jié)果偏??；而潘家錚法考慮因素較多，計算結(jié)果相對合理?？刹捎门思义P法計算的最大入水速度和涌浪高度成果。

象鼻嶺移民安置點場平高程為827 m，僅高出正常蓄水位2 m。當(dāng)水庫蓄水至785 m滑坡發(fā)生整體失穩(wěn)破壞時，由于象鼻嶺移民安置點高于水位約40 m，滑坡整體失穩(wěn)破壞產(chǎn)生涌浪對安置點基本無影響。在蓄水825 m+暴雨工況下，王家山滑坡整體滑動破壞在象鼻嶺移民安置點產(chǎn)生的涌浪高為3.52 m；地震工況下，涌浪高度還會更高，移民安置點遭受涌浪危害影響問題是存在的。從安全角度出發(fā)，建議按潘家錚法的相應(yīng)計算結(jié)果，對象鼻嶺移民安置點采取相應(yīng)的防浪措施，或?qū)ν跫疑交逻M(jìn)行工程治理，以消除涌浪風(fēng)險，保證移民安置點安全。

4 結(jié)論

(1)王家山滑坡地形邊界特征明顯，滑坡堆積體厚14.0～87.6 m，體積約610×104m3，屬厚層大型覆蓋層滑坡。

(2)王家山滑坡前緣有滑塌現(xiàn)象，滑坡體內(nèi)及右側(cè)邊界擋墻處可見鼓脹、傾倒變形現(xiàn)象，路面見拉裂、下沉等變形現(xiàn)象。王家山滑坡天然工況處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨工況處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，蓄水825 m或地震工況以及暴雨+蓄水工況下滑坡體不穩(wěn)定，有發(fā)生整體滑動破壞的可能。

(3)當(dāng)水庫蓄水至785 m時，王家山滑坡可能會發(fā)生整體失穩(wěn)破壞；在此水位條件下，由于象鼻嶺移民安置點高于水位約40 m，滑坡整體失穩(wěn)破壞產(chǎn)生涌浪對移民安置點基本無影響。在暴雨+蓄水825 m工況下失穩(wěn)破壞，最大入水速度約7.44 m/s，象鼻嶺移民安置點處的涌浪高度約3.52 m；蓄水+地震工況下，移民安置點的涌浪高度還會更大。

(4)當(dāng)王家山滑坡在825 m水位發(fā)生整體失穩(wěn)破壞時，象鼻嶺移民安置點遭受涌浪危害影響問題是存在的，對象鼻嶺移民安置點采取相應(yīng)的防浪措施，或?qū)ν跫疑交逻M(jìn)行工程治理，以消除涌浪風(fēng)險源，保證安置點安全。