閆小龍 申永斌 王 冬

（山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 濟寧 272100）

滑坡涌浪是水域坡岸滑坡的主要次生災害，其造成的災害后果在一定程度上會比滑坡更嚴重[1]。滑坡涌浪的產(chǎn)生主要來自于發(fā)生滑坡的固體物質(zhì)入水后產(chǎn)生的波浪荷載和波浪運動。其中，波浪荷載是循環(huán)荷載的一種，會極大程度地影響坡岸工程的穩(wěn)定性[2]。

目前。國內(nèi)外已有很多學者研究了波壓力對海岸工程的影響，并進行了物理模型試驗探究不同形態(tài)的波浪對岸防工程的作用規(guī)律。白薇等[3]等探討了涌浪沖擊力對樁柱的影響，并推導樁柱沖擊力的計算公式。田野等[4]將涌浪脈沖壓力施加在坡岸處與橋墩處，計算橋墩能夠承受的沖擊力極值。Tan等[2]對滑坡涌浪特征進行分析，將滑坡涌浪動壓力分為2 種類型。本文基于國內(nèi)外學者以往的研究成果，針對某大型水庫庫區(qū)的寬緩段河道進行物理模型試驗，探究了滑塊規(guī)模體積和水平高度對坡岸壓動力的作用規(guī)律。

1 工程概況

根據(jù)某大型水庫庫區(qū)的河道形態(tài)分布規(guī)律，以1 ∶400 的比例尺建立庫區(qū)的等模型。等寬緩段庫區(qū)的特點為人文活動較多，是滑坡和涌浪的高風險發(fā)生區(qū)域。本文選擇的庫區(qū)水域河底寬為0.75m，河岸坡度20°。

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計

使用水泥和砂紙混合制成體積不同的滑塊，將每個滑塊的密度控制在2.3g/cm3。在選定坡段測試不同體積滑塊的入水深度和入水速度，根據(jù)控制變量法對測得36 組完整數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析選定庫段的災害發(fā)生情況。每個工況進行3 組平行試驗減少數(shù)據(jù)誤差。

2.2 試驗控制及量測系統(tǒng)

本文采用固定軌道的方式控制滑塊的入水。當測試滑塊入水數(shù)據(jù)值時，將激光測速儀設(shè)置在軌道的入水口處，記錄滑塊的入水瞬時速率。在滑塊進入水中的過程中會激起涌浪，滑塊的速度方向、涌浪的高度、浪花的傳播速度以及涌浪的能量等都會影響滑塊的速度。因此，在測試滑塊的涌浪壓力的過程中采用滑塊入水的斷面。在測量涌浪壓力的過程中使用波高儀、壓力傳感器、攝像機和網(wǎng)格背景板，測試設(shè)備放置如圖1所示。每次在進行正式試驗前，波高儀需要先測量靜水位，并將壓力傳感器進行歸零處理減少試驗誤差[5]。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 滑坡涌浪特征分析

當滑塊以一定的速度沖進水中時，會引發(fā)體積侵占效應(yīng)。水體分離的現(xiàn)象出現(xiàn)在滑塊的前端，會形成幾種不同類型的涌浪，例如拋射狀水舌、首浪以及次浪等。其中，水舌由表層數(shù)體的對岸運動形成；首浪由于滑塊的體積侵占在水中形成的凹腔沖擊能形成；次浪出現(xiàn)在滑體全部進入水中后，由于滑塊自生巨大的動能和滑塊周圍水體的壓強差對水體造成的擠壓形成。

涌浪的爬坡高度在次浪出現(xiàn)前呈疊加的方式增長，次浪出現(xiàn)后，隨著水浪儲存能量降低，爬坡浪的高度緩緩下降。涌浪波幅大小嚴重影響涌浪的爬升高度以及動壓力，其是研究涌浪的重要指標。以滑塊體積為0.2m×0.2m×0.1m，入水速度為0.2m/s 的工況為例，記錄滑塊入水時涌浪波幅變化過程，如圖2所示。

圖2 水庫滑坡涌浪波幅的時程變化曲線

從不同測點的涌浪波幅變化趨勢曲線對比可以看出，在前兩次的列波中會出現(xiàn)涌浪波峰最大幅值，如圖2所示。其中，第一列波出現(xiàn)最大幅值的概率更大，并且會增加列波的橫向傳播寬度，導致首浪的波峰幅值小于次浪。比較同一測點的涌浪振幅變化趨勢發(fā)現(xiàn)，傳播時間越長，不同列波間造成的涌浪復制疊加現(xiàn)象越顯著，涌浪的幅值逐漸減少，波長緩緩增加。當涌浪抵達對岸時，由于地形變化，坡岸的水深較淺，因此波高增加。由此可見，傳播浪的振幅高度遠小于爬坡浪振幅高度。

3.2 滑坡涌浪動壓力類型及作用

3.2.1 滑坡涌浪動壓力類型

Tan 等[2]在研究中發(fā)現(xiàn)，滑坡涌浪可以分為2 種形態(tài)來影響岸坡的穩(wěn)定性，一是實體涌浪，會產(chǎn)生脈沖壓力；二是水舌，產(chǎn)生瞬時擊壓力。其中，實體涌浪對邊坡無瞬時的沖擊力。主要產(chǎn)生脈沖值，并且數(shù)量較多。水舌的發(fā)生過程短暫，但產(chǎn)生的沖擊壓力較大。圖3 展示了滑體參數(shù)與水舌參數(shù)的變化趨勢。由圖3 可以看出，滑體入水速度和滑體規(guī)模與水舌的高度、長度以及水平運動距離成正比。

圖3 滑體入水速度和滑體規(guī)模對水舌運動參數(shù)的影響

在圖3 中可以發(fā)現(xiàn)，水舌的長度與水平運動距離之比＜0.5，違背了二次拋物線的對稱分布原則，這可能是水舌在最高點后破碎造成了運動軌跡偏移。

3.2.2 滑坡涌浪動壓力變化規(guī)律

選取水深為0.29m 的試驗數(shù)據(jù)探究不同高度水平對脈沖最值出現(xiàn)頻次的影響，分析結(jié)果繪于圖4 中。涌浪的高度水平為測量時間內(nèi)最高浪高的三分之一。由圖4 可知，與高水平的測點相比，低水平測點的脈沖壓力最值多出現(xiàn)在前2 個峰，這一現(xiàn)象說明低水平的測點更易受到初始涌浪作用的影響。雖然測點的水平升高到4級以后，脈涌浪沖壓力最值多出現(xiàn)在第三個峰，這說明不同波列講的相互作用疊加明顯，在臨近靜水面的區(qū)域水的運動狀態(tài)在短時間內(nèi)變化較大，水體不穩(wěn)定，水流紊亂，在區(qū)域內(nèi)的水體壓力值驟增。位于靜水面以上的測點脈沖壓力最值均出現(xiàn)在第二峰，說明此處的測點受涌浪爬高的影響較大。

圖4 不同高度水平對脈沖最值出現(xiàn)頻次的影響

3.3 滑坡涌浪脈沖壓力分布特征

將高度為h=0.23m 和h=0.27m 是的脈沖壓力最大值最涌浪脈沖初始值，然后計算在此基礎(chǔ)上的其他高度水平的涌浪脈沖壓力最大值衰減率，并將數(shù)據(jù)繪制在圖5 中。

圖5 滑坡涌浪脈沖壓力極值衰減過程

觀察圖5 可以看出，脈沖壓力極值的衰減隨著爬坡高度的增加，呈現(xiàn)先增后減的趨勢。衰減速率的變化可以分為2 個區(qū)域，一是快速衰減區(qū)域，二是緩慢衰減區(qū)域。其中，快速衰減區(qū)域的涌浪水平高度較低；緩慢衰減區(qū)域的水平高度較高，并且涌浪脈沖壓力的極大值出現(xiàn)累計衰減的現(xiàn)象，累計率高達60%。

4 結(jié)論

實體涌浪和水舌對坡岸的影響均通過脈沖壓力產(chǎn)生，但作用的方式由于力學性質(zhì)的差異，導致作用方式的不同。涌浪由于反復多次的爬高，對坡岸施加了一種疲勞沖擊作用，是導致坡岸失穩(wěn)滑坡的主要因素。水舌對破案的瞬時沖擊壓力較大，但產(chǎn)生的脈沖壓力短暫且脈沖值偏小，會在坡岸上形成易出現(xiàn)滑坡的薄弱點。

涌浪脈沖壓力最值的發(fā)展趨勢均為先增加后減少的特征，并且脈沖壓力最值出現(xiàn)的位置與靜水面的距離十分接近。由于涌浪在運動到對岸后，還會受到阻礙，到導致運動狀態(tài)改變，因此在靜水面附近滑塊的入水速度最快，水體受到的沖擊和脈沖壓力最大。在距離靜水面較遠的位置，實體涌浪在不斷爬高和下降的過程中，由于重力和其他的能量損耗，水體攜帶的能量越來越低，脈沖壓力降低。

脈沖壓力極值的衰減隨著爬坡高度增加，呈現(xiàn)先增后減的趨勢。衰減速率的變化可以分為2 個區(qū)域，一是快速衰減區(qū)域，二是緩慢衰減區(qū)域。其中快速衰減區(qū)域的涌浪水平高度較低；緩慢衰減區(qū)域的水平高度較高，并且涌浪脈沖壓力的極大值出現(xiàn)累計衰減的現(xiàn)象，累計率高達60%。