鄭 莉，杜 娟*，劉慶麗，汪 洋，劉繼芝嫻，劉 洋

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，湖北 武漢 430074；2.重慶市萬州區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，重慶 萬州 404199;3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

滑坡涌浪是海洋、水庫及河道中重要的次生災(zāi)害類型，涌浪造成的危害甚至遠遠超過滑坡災(zāi)害本身[1]?；掠坷说钠茐淖饔弥饕獊碓从诓ɡ诉\動和波浪荷載兩個方面，其中波浪荷載是造成建筑物和人員損傷的重要原因[2]。特別是在半封閉的峽谷型水庫中，由于河道橫斷面尺寸相對較小，滑坡涌浪傳播到對岸岸坡時，波高及波浪能量無法得到充分的衰減，涌浪越過岸堤將淹沒沿岸的房屋、農(nóng)田，高速運動水流攜帶的巨大沖擊力會擊毀岸坡水工建筑物及河道中的船只等。例如：1961年，湖南柘溪水庫塘巖光滑坡入水形成巨大涌浪，到達對岸的涌浪高達21 m，直徑25 cm的大樹被連根拔起，同時由于涌浪的沖擊作用，滑坡對岸坡體被反復(fù)掏蝕沖刷，相繼產(chǎn)生多處覆蓋層坍塌[3]；1985年，新灘滑坡滑入長江產(chǎn)生的涌浪高達54 m，涌浪向?qū)Π都吧舷掠蝹鞑?，擊毀機動船10余艘、大小木船60余只，造成9人死亡[4]。

目前，針對波壓力的研究多集中在海岸工程領(lǐng)域，在物理模型試驗方面，研究者多傾向于采用規(guī)則波，研究不同入射形態(tài)的波浪對防波堤等水工構(gòu)筑物的作用特點、作用力的分布特征及其影響因素等[5-8]。模型試驗是研究滑坡涌浪荷載的主要手段，黃錦林[9]通過物理模型試驗測試了壩前涌浪壓力，并提出了庫岸滑坡涌浪壓力的計算模型；白薇等[10]研究了滑坡涌浪對樁柱的沖擊力，并給出了樁柱處動水壓力極值的計算公式；田野等[11]研究了滑坡涌浪沖擊壓力在本岸及對岸橋墩上的作用特點和壓力大小，并給出了橋墩最大沖擊壓力的計算公式。目前專門針對岸坡滑坡涌浪壓力的研究相對較少，且多停留在定性研究階段，Tan等[2]分析了作用于岸坡上的滑坡涌浪波壓力特征，認為作用在岸坡上的滑坡涌浪動壓力可分為射流沖擊壓力和涌浪脈沖壓力兩種類型，并研究了涌浪脈沖壓力在岸坡上的分布特征；de Carvalho等[12]基于二維物理模型試驗，研究了滑坡涌浪的產(chǎn)生、傳播及對下游岸坡的動壓力特征。

前人對實體涌浪脈沖作用力已有部分研究，但三峽庫區(qū)等山區(qū)河道一些滑坡涌浪的視頻顯示出，在滑坡入水后首先會產(chǎn)生“水舌”這樣的非完整涌浪，并快速到達對岸，形成水舌沖擊壓力，然而對于水舌沖擊壓力的強度及災(zāi)害后果卻鮮有報道。一般水舌高度遠大于實體涌浪的高度[13-14]，其對岸坡的沖擊力是否大于實體涌浪脈沖作用力？由水舌沖擊壓力到脈沖作用力的完整的衰減過程如何？針對這些問題，本文基于三維物理模型試驗獲得了滑體入水?dāng)嗝嫔匣掠坷说男螒B(tài)及運動特征，研究了作用于岸坡上的滑坡涌浪動壓力類型、不同類型動壓力的作用特點及其分布規(guī)律。

1 物理模型試驗概況

1.1 試驗設(shè)計

在三峽庫區(qū)河道幾何形態(tài)分析的基礎(chǔ)上，按照1∶400的比例建立三峽庫區(qū)典型中等寬緩庫段的概化河道模型，這類岸坡是庫區(qū)社會經(jīng)濟活動最頻繁的地帶，滑坡涌浪災(zāi)害風(fēng)險極高。試驗河底寬度為0.75 m，岸坡坡角為20°，河底及岸坡表面相對光滑。在選定庫段滑坡災(zāi)害點規(guī)模統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，用水泥和細沙按照一定的配比制成4組不同尺寸的方形塊體，保持塊體密度基本一致，約為2.3 g/cm3。采用控制變量法，設(shè)計包含不同滑體規(guī)模(寬×長×厚)、滑體入水速度和水深的試驗方案，并選取試驗記錄最完整、最具代表性的36組試驗(見表1)進行分析。為了減小試驗的隨機誤差，每組試驗進行3次，剔除最離散的一組，試驗結(jié)果取剩下兩組的平均值。

表1 試驗工況設(shè)計Table 1 Design of physical model test

1.2 試驗控制及量測系統(tǒng)

本試驗采用軌道-滑車系統(tǒng)控制塊體入水，試驗中滑塊由滾輪式滑車沿著固定的軌道運載入水，并在滑體入水口附近兩側(cè)布置兩組紅外激光測速儀，用于監(jiān)測滑體的瞬時入水速度，實際入水速度與設(shè)計速度的誤差均控制在0.01 m/s內(nèi)。

考慮到滑坡滑動主方向上的涌浪高度、傳播速度和能量大[15-17]，將滑體入水?dāng)嗝孀鳛榇舜位掠坷瞬▔毫y試的主要斷面。測量儀器主要包括攝像機、波高儀、網(wǎng)格背景板和數(shù)字壓力傳感器，具體布設(shè)位置如圖1所示。其中，在滑體入水點正對岸岸坡上貼有分辨率為1 cm的網(wǎng)格紙，并放置一支與坡面平行的波高儀，用于爬坡浪高度的測量；對岸岸坡上滑坡涌浪壓力的測量采用CY200數(shù)字壓力傳感器，采集頻率為200 Hz，精度為1‰(見圖1)。每次試驗之前，對波高儀進行靜水位測量，并對壓力傳感器進行零點采集，去除零點偏移，以提高測量的精度。

注:CWG表示波高儀；CH表示數(shù)字壓力傳感器；C表示攝影機。圖1 試驗河道平-斷面圖和測量儀器布設(shè)位置Fig.1 Plane and section diagrams of physical model test and arrangement of measuring instruments

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 滑坡涌浪特征分析

在滑體沖擊入水的過程中，由于體積侵占效應(yīng)及能量傳遞效應(yīng)，滑體前緣出現(xiàn)明顯的水體分離現(xiàn)象(見圖2)，形成不同類型的涌浪，其中：表層水體最先形成向?qū)Π哆\動的拋射狀水舌[見圖2(a)]；同時滑體前緣下部水體在滑體的推擠作用下，形成第一列徑向波，即首浪[見圖2(b)]；首浪以半橢圓形沿水面?zhèn)鞑ィ竭_對岸岸坡后，形成第一列爬坡浪；滑體完全入水后，由于體積侵占作用，滑體尾部形成的凹腔規(guī)模達到最大，近場區(qū)周圍水體在內(nèi)外壓強差及重力作用下向滑體運動方向匯入進一步吸收滑體沖擊能，形成向遠處傳播的第二列實體涌浪(次浪)[見圖2(c)]；第二列實體涌浪到達坡前并與首浪爬高的峰值或谷值相互疊加，形成第二列爬坡浪；后續(xù)波列由涌浪在河道中反射疊加形成，隨著波浪能量的不斷衰減，傳播浪及爬坡浪的高度逐漸降低。

圖2 水庫滑坡涌浪的產(chǎn)生過程Fig.2 Generation process of reservoir landslide- induced surge

水庫滑坡涌浪波幅是影響岸坡涌浪爬升高度和涌浪動壓力的主要指標(biāo)，記錄0.2×0.2×0.1×2.0[寬(m)×長(m)×厚(m)×速度(m/s)]工況下主斷面上滑坡涌浪波幅的時程變化，見圖3。根據(jù)不同波列的產(chǎn)生機制，初始涌浪波峰振幅(ac1)由首浪產(chǎn)生，第二個涌浪波峰振幅(ac2)由次浪產(chǎn)生，初始波谷振幅(at1)由滑體尾部凹腔塌陷產(chǎn)生。

圖3 水庫滑坡涌浪波幅的時程變化曲線Fig.3 Time-history curves of wave height of reservoir landslide-induced surge

通過對比主斷面上不同測點的滑坡涌浪波幅數(shù)據(jù)(見圖3)發(fā)現(xiàn)：最大涌浪波峰振幅往往出現(xiàn)在前兩列波中，在滑體入水口附近，最大涌浪波幅往往出現(xiàn)在第一列波，而隨著橫向傳播距離的增加，會出現(xiàn)次浪波峰振幅大于首浪波峰振幅的情況，最大波谷振幅則全部出現(xiàn)在初始波谷中；對于同一測點，隨著傳播時間的增加，波浪之間反射疊加作用明顯，滑坡涌浪波幅逐漸減小，波長及波浪周期呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；滑坡涌浪傳播到對岸時，受地形變化的影響發(fā)生淺水變形，波高增大[15]。因此，爬坡浪(ar)的高度(由CWG3波高儀測量)要遠遠大于傳播浪的高度。

2.2 滑坡涌浪動壓力類型及作用特點

2.2.1 滑坡涌浪動壓力類型

根據(jù)Tan等[2]的試驗觀測結(jié)果，滑坡涌浪形成后，以水舌和實體涌浪兩種水體形態(tài)作用于岸坡上，分別產(chǎn)生瞬時水舌沖擊壓力和涌浪脈沖壓力。在本次試驗過程中觀察到，水舌以射流的形式?jīng)_擊岸坡，在岸坡上濺落破碎的瞬間出現(xiàn)與坡面平行的破碎波，產(chǎn)生瞬時水舌沖擊壓力極值，整個過程歷時十分短暫，但形成的沖擊波壓力往往較大；實體涌浪對岸坡的瞬時沖擊作用不明顯，主要是實體水波在岸坡上反復(fù)爬升、回落，從而產(chǎn)生多個脈沖壓力值。

水舌濺落范圍內(nèi)的岸坡遭受瞬時水舌沖擊壓力作用。肖莉麗等[14]通過物理模型試驗發(fā)現(xiàn)，水舌形成后以近拋物線形的軌跡向?qū)Π哆\動，且其運動軌跡與水舌高度(水舌形成后運動至最高點的高度)和水舌長度(最高點距“舌根”的距離)兩個因素有關(guān)。通過分析本次試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，水舌高度、水舌長度和水舌水平運動距離與滑體入水速度和滑體入水迎水面積(即滑體規(guī)模)呈正相關(guān)關(guān)系，見圖4。

圖4 滑體入速度和水迎水面積對水舌運動參數(shù)的影響Fig.4 Influence of headwater area and velocity of sliding body on motion parameters of water tongue

此外，水舌水平運動距離與水舌長度的比值大于2，并不服從二次拋物線的對稱性，這是因為水舌越過最高點一定距離后發(fā)生破碎，從而改變了運動狀態(tài)。根據(jù)本次試驗數(shù)據(jù)(見圖5和圖6)，兩組試驗中水舌均到達對岸岸坡，水舌濺落范圍內(nèi)的壓力測點采集到明顯的水舌沖擊壓力值[見圖5(d)中1-1]；水舌濺落范圍外的壓力測點傳感器僅記錄到水舌對岸坡的沖擊振動而產(chǎn)生的微小壓力波動[見圖6(d)中2-1]。

水舌沖擊岸坡后，實體涌浪在岸坡上爬高并產(chǎn)生一系列脈沖壓力值，結(jié)合涌浪爬高特征[見圖5(b)、(c)和圖6(b)、(c)]認為，第一個脈沖壓力峰值為首浪爬高產(chǎn)生，第二個脈沖壓力峰值由次浪爬高產(chǎn)生，涌浪爬升到一定高度后，開始回落并產(chǎn)生負的脈沖壓力值。這是由于滑坡涌浪在坡體表面自下而上爬坡，因此下部測點往往最先產(chǎn)生脈沖壓力峰值極值，而較高位置測點首浪脈沖壓力峰值和次浪脈沖壓力峰值的出現(xiàn)均存在一定的滯后性(見圖5中1-2、1-3，圖6中2-2、2-3)。

注：1-1表示水舌沖擊壓力產(chǎn)生；1-2表示首浪脈沖壓力峰值產(chǎn)生；1-3表示次浪脈沖壓力峰值產(chǎn)生。圖5 水舌沖擊壓力作用于岸坡時的滑坡涌浪動壓力監(jiān)測Fig.5 Monitoring data of surge dynamic pressure with water tongue impacting on bank slope

注：2-1表示岸坡震動產(chǎn)生微小壓力波動；2-2表示首浪脈沖壓力峰值產(chǎn)生；2-3表示次浪脈沖壓力峰值產(chǎn)生。圖6 岸坡無水舌沖擊壓力作用時的滑坡涌浪動壓力監(jiān)測Fig.6 Monitoring data of surge dynamic pressure without water tongue impacting on bank slope

2.2.2 滑坡涌浪動壓力變化規(guī)律

根據(jù)滑坡涌浪動壓力過程曲線[見圖5(d)]可以看出，水舌與實體涌浪對岸坡的作用都是以脈沖壓力的形式體現(xiàn)，但由于力的作用方式不同，兩種作用力的特點存在差異。其中，水舌的瞬時沖擊特征明顯，瞬間壓力極值產(chǎn)生后由于水體振蕩，會產(chǎn)生一系列較低的沖擊壓力值；涌浪脈沖壓力在涌浪反復(fù)爬高及回落的過程中產(chǎn)生，是一種反復(fù)作用的過程力，岸線工程的破壞往往由脈沖壓力的反復(fù)沖擊作用產(chǎn)生。

由圖5(d)和圖6(d)可見：滑坡涌浪脈沖壓力以前3個壓力峰值最為明顯，之后壓力波動趨勢減緩。本次選取0.29 m水深工況下的試驗數(shù)據(jù)，讀取不同高度水平壓力測點的前三個波列脈沖壓力值，并統(tǒng)計最大脈沖壓力在前三個波列中出現(xiàn)的次數(shù)(見圖7)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：低水平測點(高度水平1)，涌浪最大脈沖壓力基本出現(xiàn)在前兩個壓力峰值中，說明水面以下測點受初始涌浪的影響較大；隨著測點水平的升高，特別是靜水位附近測點(高度水平4)，涌浪最大脈沖壓力出現(xiàn)在第三個壓力峰值，這是因為第三個壓力峰值出現(xiàn)時，波浪之間的反射疊加作用明顯，靜水面附近水質(zhì)點運動狀態(tài)急劇改變，出現(xiàn)紊流，導(dǎo)致涌浪壓力值增大；水面以上測點，涌浪脈沖壓力值主要受涌浪爬高的影響，涌浪最大脈沖壓力基本都出現(xiàn)在第二個壓力峰值。

圖7 不同高度水平滑坡涌浪最大脈沖壓力極值在前三 個波列中出現(xiàn)頻次統(tǒng)計 (h=0.29 m)Fig.7 Frequency statistics of extreme impulse pressure of landslide-induced surge at different height levels appearing in the first three wave train (h=0.29 m)

2.2.3 水舌沖擊壓力與涌浪脈沖壓力的量值關(guān)系

為了探究兩種類型滑坡涌浪動壓力的量值關(guān)系，考慮不同水深工況，統(tǒng)計每一高度水平水舌最大沖擊壓力值和涌浪最大脈沖壓力值，并繪制水舌最大沖擊壓力(Pim)與涌浪最大脈沖壓力(Ppu)的散點圖，見圖8。

圖8 不同水深工況下各高度水平處水舌沖擊壓力與涌浪脈沖壓力的關(guān)系曲線Fig.8 Curves of relationship between impact pressure and impulse pressure at different levels with different water depths

由圖8可見，不同高度水平的壓力測點位置水舌沖擊壓力與涌浪脈沖壓力比值各有差異，下部壓力測點兩者比值相對較小，甚至出現(xiàn)比值小于1的情況；而靜水位以上壓力測點，水舌沖擊壓力往往大于涌浪脈沖壓力，水舌最大沖擊壓力可達到脈沖壓力值的30倍。分析其原因認為：一方面，水面以下壓力測點在受水舌沖擊時，由于水墊層的緩沖作用抵消了一部分沖擊能量，從而降低了水舌沖擊力；另一方面，對于同一列實體涌浪，隨著涌浪爬高的增加，其攜帶的能量不斷降低，從而造成涌浪脈沖壓力減小。因此，水面以上的岸坡更易受水舌沖擊破壞作用，而水面以下岸坡的穩(wěn)定性及完整性主要受控于岸坡的脈沖壓力響應(yīng)特性。

2.3 滑坡涌浪脈沖壓力分布特征

不同水深工況下滑坡涌浪最大脈沖壓力分布圖，見圖9。

圖9 不同水深工況下滑坡涌浪最大脈沖壓力分布(滑體入水速度v=2.0 m/s)Fig.9 Distribution of maximum impulse pressure of landslide surge under different water depths (water entry velocity of sliding body v=2.0 m/s)

由圖9可以看出：涌浪脈沖壓力與水深和滑體規(guī)模的關(guān)系呈現(xiàn)如下規(guī)律：

(1) 在低水位(h=0.23 m)工況下，滑坡涌浪最大脈沖壓力分布近似呈倒“V”形，涌浪最大脈沖壓力在靜水位以上，當(dāng)滑體規(guī)模較小時，涌浪最大脈沖壓力出現(xiàn)在距靜水面最近的CH2和CH8壓力測點，隨著滑體規(guī)模增加，滑坡涌浪最大波幅增大，涌浪最大脈沖壓力出現(xiàn)的位置向上移動；同時，對同一壓力測點，大規(guī)?；w產(chǎn)生的涌浪最大脈沖壓力大于小規(guī)模滑體；相同方量的兩個滑體，增大滑體入水迎水面積，涌浪最大脈沖壓力值也隨之增大。

(2) 中水位(h=0.25 m、h=0.27 m)工況下，滑坡涌浪最大脈沖壓力整體分布仍然呈倒“V”形，此時涌浪最大脈沖壓力作用點基本均位于靜水面以下距離靜水面最近的壓力測點。

(3) 高水位(h=0.29 m)工況下，靜水位以上，滑坡涌浪最大脈沖壓力呈倒“V”形分布，但在靜水位以下，涌浪最大脈沖壓力近似呈垂直分布，涌浪最大脈沖壓力位于靜水位以上的CH5和CH11壓力測點。

由圖9可見，從最低位置壓力測點向上，滑坡涌浪最大脈沖壓力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且涌浪最大脈沖壓力作用點位置幾乎都分布在靜水位附近，這一結(jié)論與Tan等[2]的研究成果一致。這是因為滑坡涌浪到達對岸受阻后，運動狀態(tài)發(fā)生改變，其中以靜水面上下一定范圍內(nèi)水體的運動最為劇烈，速度最大，因此水面附近的涌浪脈沖壓力最大。此外，隨著涌浪爬坡高度的增加，能量逐漸衰減，導(dǎo)致滑坡涌浪脈沖壓力減小。以h=0.23 m和h=0.27 m兩種水深工況為例，將滑坡涌浪脈沖壓力極值出現(xiàn)位置作為起始水平，計算起始水平之上各高度水平處滑坡涌浪脈沖壓力極值累計衰減率，見圖10。

圖10 滑坡涌浪脈沖壓力極值衰減過程(滑體入水速度v=2.0 m/s)Fig.10 Attenuation process of maximum impulse pressure of landslide surge (water entry velocity of sliding body v=2.0 m/s)

由圖10可見，隨著涌浪爬坡高度的增加，滑坡涌浪脈沖壓力極值衰減速率往往呈現(xiàn)出先增大、后減小的特征，據(jù)此將滑坡涌浪脈沖壓力分為快速衰減區(qū)和緩慢衰減區(qū)兩部分，其中快速衰減區(qū)一般在涌浪最大脈沖壓力測點之上兩個高度水平內(nèi)。另外，在滑坡涌浪脈沖壓力快速衰減階段，滑坡涌浪脈沖壓力極值累計衰減率基本已超過60%。

3 結(jié)論與建議

水庫滑坡涌浪動壓力可分為水舌沖擊壓力和涌浪脈沖壓力。其中，水舌沖擊壓力作用時間極短，但瞬時壓力極值較大；涌浪脈沖壓力極大值往往出現(xiàn)在前三個壓力峰值中，之后逐漸衰減。當(dāng)水舌沖擊壓力和涌浪脈沖壓力同時作用于岸坡上時，水面以上壓力測點水舌沖擊壓力大于涌浪脈沖壓力；水面以下壓力測點出現(xiàn)水舌沖擊壓力小于涌浪脈沖壓力的情況。

對岸岸坡處滑坡涌浪脈沖壓力極大值出現(xiàn)在靜水位附近；自坡底向上，滑坡涌浪脈沖壓力呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢；滑坡涌浪脈沖壓力的衰減過程包括快速衰減和緩慢衰減兩個部分，在快速衰減階段滑坡涌浪脈沖壓力極值的累計衰減率往往超過60%。

本次試驗主要分析了作用于岸坡上的滑坡涌浪動壓力類型、作用規(guī)律及其分布特征，后續(xù)研究將考慮河道特征及岸坡條件的變化，完善試驗條件，進一步分析滑坡涌浪動壓力的影響因素，并構(gòu)建其量化計算公式。