摘 要：針對狹窄型河道的近壩區(qū)邊坡滑坡涌浪研究不足的問題，以寶興電站為背景，利用FLOW-3D數值分析方法對不同滑坡規(guī)模條件下近壩區(qū)的涌浪傳播特性、致災特征和危險性進行分析，結果表明：滑坡體體積與涌浪首浪高度、涌浪危害程度、致災性成正比關系。正常蓄水位（1 352. 0 m）和校核洪水位（1 348. 8 m）條件下，滑體體積分別為3. 5萬、15. 0萬m3的滑坡可產生1. 41、4. 81 m的涌浪高，涌浪接近或超過壩頂，漫壩風險高，涌浪危險性大，可視為上述水位條件下大壩安全運行的臨界滑坡體積。與相對高水位相比，相對低水位可為大方量滑體引起的涌浪提供爬升空間，建議庫區(qū)滑坡災害易發(fā)時段，降低電站運行水位以降低漫壩風險。

關鍵詞：滑坡涌浪；FLOW-3D；顆粒流模型；涌浪災害；寶興電站

中圖分類號：TV64 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2025）03-0046-11

Hazard Assessment of Landslide Surge in front of Narrow River Dams

WU Xuxin1， WEI Hui1， XUE Xu1， LI Yi1， LIU Xiaoqing2*

（1. Sichuan Huaneng Baoxing River Hydropower Co.， Ltd， Ya'an 625000， China; 2. School of Energy and Power Engineering，"Xihua University， Chengdu 610039， China）

Abstract： In response to the insufficient study on landslide surges in narrow river channels near the dam area， based on the Baoxing power station， this paper uses the FLOW-3D numerical analysis method to analyze the propagation characteristics， disaster characteristics， and hazard of surges in the near dam area on different landslide scales. The results show that the volume of the sliding slope is directly proportional to the first wave height， the range of harm， and the degree of hazard caused by the surge. At normal water level （1 352 m） and check flood level （1 348. 8 m）， landslides with sliding volumes of 35 000 m3 and 150 000 m3 can generate surge heights of 1. 41 and 4. 81 m， respectively. The surge height approaches or exceeds the dam crest. There is a high risk of dam overflow and surge hazard. It can be considered as the critical landslide volume for the safe operation of the dam under the above water level conditions. Compared with the relatively high water level， the relatively low one can provide climbing space for the surge caused by large sliding bodies. To reduce the risk of dam overflow， it is recommended to lower the operating water level of the power station during the prone period of landslide disasters.

Keywords： landslide surge; FLOW-3D; particle flow model; surge disaster; Baoxing power station

滑坡是斜坡巖土體沿著貫通的剪切破壞面所發(fā)生的滑移地質現象，是山區(qū)普遍存在的自然災害之一。滑坡涌浪作為滑坡失穩(wěn)滑移運動入水而形成的次生災害，產生的破壞不僅給庫區(qū)周邊的安全穩(wěn)定帶來極大威脅，同時也可能導致災害的規(guī)模遠超過滑坡災害本身。滑坡涌浪的產生常伴隨著巨大的破壞力，對人員、財產和生態(tài)環(huán)境造成巨大的損失，甚至可能造成災難性后果。1985年，長江三峽庫區(qū)新灘北岸約2×106 m3土石滑坡體滑入長江，激起高達54 m的涌浪，涌浪波及上、下游42 km長的江段，摧毀船只70余艘，造成船民死傷20余人［1］；2015年，三峽庫區(qū)紅巖子滑坡產生的涌浪共導致多艘船只翻沉，多人傷亡，直接經濟損失500萬元［2］。為了對此類次生災害進行預測和早期防范，準確獲得涌浪傳播特征與影響范圍是工程安全運行中亟須解決的問題。

關于滑坡涌浪的研究，王雷等［3］分析了瀑布溝滑坡涌浪的災害特性差異性，指出了滑坡-涌浪產生和傳播的重要過程，310萬m3 的滑坡涌浪將可能對大壩和沿岸基礎設施造成影響。當滑坡涌浪分布存在時空差異時，涌浪壓力將加重對震損拱壩的影響，在評價滑坡涌浪危害性時應考慮壩前涌浪的時空分布特性［4］。張洋洋等［5］通過室內物理模型試驗，擬合滑坡體積、波浪爬高和弗勞德數的數據，確定滑坡涌浪首波的入射角，發(fā)現入射角與壩面爬高具有明顯的相關性。肖莉麗等［6］考慮滑體與水體耦合作用，研究了滑坡涌浪的動力學過程，確定了影響涌浪產生的核心因素，同時揭示涌浪產生的動力學機制。彭輝等［7］基于FLOW-3D研究了彎曲河道型庫岸滑坡涌浪傳播，得出最危險的水深條件和入射角度。鄭飛東等［8］研究了滑坡體散體化對涌浪波動特征的影響，指出初生涌浪的最大波幅和最大波高均隨滑坡體離散度的增大而減小，涌浪第一波峰幅值和第一波高沿滑動方向的變化規(guī)律均符合孤立波波高衰減模型。黃波林等［9］以白鶴灘水庫王家山滑坡為案例，基于三維縮尺滑坡涌浪試驗場系統(tǒng)深入研究低Fr數下涉水滑坡涌浪規(guī)律，揭示了水庫涉水滑坡涌浪的隱蔽性和危害性。隨后，有研究者在此基礎上深入開展了涉水滑坡涌浪的預測研究，提出了一種預測精度高且適用于涉水滑坡涌浪首浪最大高度的計算方法［10］。現有研究多為關于寬水域滑坡涌浪問題［9-11］，對于河道狹窄的近壩區(qū)滑坡涌浪，因受其地形影響，其傳播規(guī)律和影響因素可能更為復雜，且寬水域滑坡涌浪的相關研究成果未能更好運用于狹窄河道滑坡涌浪傳播規(guī)律的分析和涌浪危險性評價。此外，已有的研究大多針對單一規(guī)模的滑坡體產生的涌浪進行災害分析，不同滑坡規(guī)模條件下滑坡涌浪的傳播特征和致災特性有何差異，相關研究較為缺乏。進一步開展狹窄型河道邊坡滑坡涌浪研究，明確不同規(guī)模滑坡體積入水引發(fā)的涌浪傳播特性及致災特性的差異，對水庫調度方案和滑坡涌浪應急防控預案的制定具有重要意義。

因此，本研究以寶興水電站為背景，開展該電站近壩區(qū)邊坡的滑坡涌浪研究，分析不同規(guī)?；聴l件下涌浪傳播特征和致災特征的差異性，分析不同規(guī)?；聴l件下涌浪對大壩安全的影響，進而評價滑坡涌浪的危險性。

1 寶興電站工程概況

寶興河地處四川省雅安市境內，為岷江水系二級支流青衣江的主源。近年來受2008年“5·12”汶川8. 0級地震和2013年“4·20”雅安7. 0級地震影響和持續(xù)性降雨，該流域內已發(fā)生多次滑坡、崩塌、泥石流等自然災害。寶興水電站是該流域水電梯級開發(fā)自上而下的第三級，是主源東河上的最后一級。該電站采用低閘引水式開發(fā)，大壩為攔河閘壩，電站樞紐主要由首部樞紐、引水系統(tǒng)和地下廠房樞紐三大部分組成。電站設計水頭305 m，最大水頭345 m，引用流量72. 3 m3/s。正常蓄水位1 352. 0 m，校核洪水位1 348. 8 m，壩頂高程為1 353. 5 m，最大閘壩高28. 0 m，電站裝機容量195 MW，保證出力70. 9 MW，多年平均發(fā)電量8. 74億kW·h，年利用時間為4 482 h，是以發(fā)電為主的水電工程，無灌溉、防洪、通航等要求。

寶興電站大壩高程1 373 m，大壩兩側壩肩表土較薄，花崗巖裸露。庫區(qū)地貌上屬構造侵蝕高中山區(qū)地貌，海拔1 000～3 500 m，地形切割強烈，懸崖絕壁多見，山脊形態(tài)呈尖峭狀，坡直高陡，坡度一般在40°以上，局部甚至直立。水庫區(qū)出露的地層巖性為元古界澄江-晉寧期的花崗巖間夾閃長巖、石英巖、混合巖等，其間無大的斷裂通過，地質構造簡單。構造上位于華夏系龍門山隆起褶斷帶內，構造形跡主要由趕羊溝斷裂（茂汶斷裂），五龍斷裂、鹽井斷裂（映秀斷裂）、大川-雙石斷裂（二王廟斷裂）及寶興復背斜組成。庫區(qū)物理地質作用強烈，主要表現為巖體風化、卸荷，局部庫段第四系松散堆積體淺表滑移變形等。

寶興電站庫區(qū)范圍較小，河谷深切、狹窄呈“V”型，左岸覆蓋層較薄，下伏基巖為花崗巖，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，處于強風化狀態(tài)，泥石流、崩塌、滑坡發(fā)育。2022年“6·1”蘆山地震引起寶興電站左岸山體滑坡，在大壩上游形成堰塞湖，水位壅高5 m，影響了大壩上游約0. 7 km處民治電站地下廠房的運行。目前，寶興電站大壩附近的山體仍存在巨大的潛在滑坡風險（圖1），一旦滑坡發(fā)生，將嚴重威脅大壩的安全運行和下游人民財產安全。

2 寶興電站滑坡涌浪數值模擬

2. 1 FLOW-3D數值計算相關理論

FLOW-3D是基于有限差分法對流體運動控制方程進行數值求解的商用軟件，已廣泛用于滑坡涌浪的數值模擬，因其內部具有多種計算模型（顆粒流模型、湍流模型、VOF模型等），已在不同滑坡體入水引起的涌浪過程模擬計算中得到驗證，并取得較好的應用效果［12-14］。因此，本研究選取該軟件進行寶興電站滑坡涌浪數值模擬計算，在模擬過程中，涌浪的運動被視為不可壓縮的黏性流體運動［11］，流體運動控制方程見（1）—（3）。

?μ1ì?μ?μ?μü

式中：ρ為液體的密度，在本文里表示水的密度，kg/m3；VF為體積分數，%；Gx、Gy、Gz分別為物體在x、y、z方向的重力加速度，m/s2；fx、fy、fz分別為x、y、z方向的黏滯加速度，m/s2；μ、ν、ω分別為x、y、z方向的速度，m/s； Ax、Ay、Az分別為流體在x、y、z方向的面積比。

一般地，當滑坡體入水可導致水面出現劇烈的攪動和變形，水體具有明顯的湍流特性。常用的紊流模型主要有Reynolds應力模型、標準k-ε模型和RNG k -ε紊流模型等，相比之下，RNG k-ε紊流模型能較好地模擬高應變率和流線彎曲的流動［15-16］。因此，本文中湍流計算模型選用RNG k-ε湍流模型，方程見式（4）、（5）。

式中：k為紊動能量，J；G為由浮力引起的紊動動tt能產生項；P為由速度梯度引起的紊動動能產生項；tεt為紊動耗散率，%；D、D為紊動擴散項；C、C、Ctε1為無量綱的經驗系數。

此外，當滑坡發(fā)生后，滑坡體在滑動過程中會發(fā)生破碎變形，具有類似流體的流動特征；波浪傳播過程中水位波動劇烈，自由面變化顯著。本文采用FLOW-3D軟件配置的顆粒流模型來模擬滑坡體，能較好地體現滑坡體在下滑過程中的解體、入水激浪的運動特性；采用VOF（volume-of-fluid）方法識別波浪傳播過程中水位自由面變化，可精確模擬涌浪運動復雜界面相互作用的自由液面變化，提高數值模型的計算效率和收斂穩(wěn)定性［17-18］。

邊界條件設置時，模型底部采用固壁無滑移邊界，即固壁邊界上流體速度為零（μi|wall= 0）；頂部采用液體自由面邊界，即在自由面上的法向速度為0；兩側采用對稱邊界，即邊界條件下法線方向速度和法向梯度均為0（

2. 2 計算模型

根據寶興電站庫區(qū)地形數據，建立滑坡涌浪的三維數值模型，計算區(qū)域長1 000 m、寬600 m、高300 m，幾何模型見圖2a，模型采用六面體網格劃分單元網格，見圖2b。

2. 3 計算參數和邊界條件

根據工程勘察資料，潛在滑坡體的巖土密度為2 000 kg/m3，摩擦角為24°，顆粒平均粒徑為0. 02 m，重力加速度為9. 8 m/s2，水的密度為1 000 kg/m3。邊界條件設置見圖3，河流上下游均設置為對稱邊界條件（Symmetry Boundary，縮寫為S），河道底部為固壁不滑移邊界條件（Wall Boundary，縮寫為W），上部表面為自由表面邊界（Specified Pressure，縮寫為P）。

2. 4 計算工況

庫區(qū)左岸邊坡覆蓋層較薄，巖體破碎，處于強風化狀態(tài)，受地震和降雨影響，極易發(fā)生滑坡。經現場勘察，潛在滑坡區(qū)域面積約為2. 2萬m2，滑坡體厚度約8 m。因此，本文考慮正常蓄水位和校核洪水位２種典型水位條件，設置了滑坡涌浪的計算工況，見表1。

2. 5 數學模型的驗證

根據2022年“6·1”蘆山地震引起寶興電站左岸山體滑坡的體積（約9萬m3）和庫區(qū)范圍，按照《滑坡涌浪模擬技術規(guī)程》［20］，建立該電站庫區(qū)滑坡涌浪物理模型，模型幾何比例尺為1∶120，滑坡體滿足重力相似。模型水槽采用磚混結構搭建而成，沿河道全長8. 3 m，寬度為1. 6 m，正常蓄水位和校核洪水位對應的模型水深分別為24、20 cm。模型滑坡點至大壩之間每隔0. 42 m（ 原型實際為每隔50 m）布置A1、A2、A3和A4監(jiān)測點（圖4），涌浪傳播數據采用CBG03電容式數字波高儀及其配套系統(tǒng)進行采集，波高儀采集系統(tǒng)精度為0. 25%，分辨率為0. 2 mm，采樣間隔為2 ms，可測最大浪高1 m。試驗過程中，每個工況重復試驗3次，取其平均值作為最終的浪高數值。選取數值模擬工況4作為對比工況，數值模擬與物理模型相應位置的對比結果見圖5—6。滑體入水產生的能量在涌浪在傳播過程中呈衰減趨勢，滑坡點附近紊動較為劇烈，數值計算值與實驗值存在一定誤差，但首浪高度誤差約為8%。測點離滑坡點越遠，數值模擬的首浪高度與試驗所得首浪高度越接近，誤差越小。此外，數值模擬計算的涌浪傳播周期和傳播規(guī)律與試驗所測的結果基本一致，水位變化趨勢較吻合，說明數值模擬采用的數學模型用于寶興電站庫區(qū)邊坡滑坡涌浪研究是有效可靠的。

2. 6 結果分析

2. 6. 1 滑坡涌浪的傳播過程分析

為更好地研究涌浪發(fā)生后在庫區(qū)的傳播規(guī)律，在滑體運動方向和沿河道方向布置監(jiān)測點A1、B1、C1、B2、B3、B（4圖7）監(jiān)測涌浪高。由圖8a—8c可知，正常蓄水位條件下，2萬、3. 5 萬、6 萬、9萬m3的滑坡體入水產生的涌浪首浪高度分別為2. 3、3. 2、4. 5、6. 1 m，在12～14 s時傳至B1點；涌浪傳播15 s后，上述工況的涌浪波相繼到達對岸C1點，產生的涌浪首浪高度分別為3. 5、4. 4、5. 3、6. 2 m。 校核洪水位條件下（圖8d—8f），9. 5萬、11. 5 萬、15萬、17萬m3的滑坡體入水產生的涌浪首浪高度分別為6. 4、7. 2、8. 9、10. 7 m，在1 s時傳至B1點；涌浪傳播16 s后，上述工況的涌浪波相繼到達對岸C1點，產生的涌浪首浪高度為6. 5、7. 9、8. 6、10. 4 m?？梢?，同一水位條件下，滑坡體體積的增加使得涌浪高隨之增加，到達對岸的時間越短（圖8c、8f）。

由圖9可知，在涌浪沿河道的傳播方向上，因水體阻礙，能量消減，涌浪首浪高度減小。正常水位條件下（圖9a—9d），2萬、3. 5 萬、6 萬、9萬m3的滑坡體引起的涌浪從B1點傳至B3點時，涌浪首浪高降幅分別為69. 0% （2. 9～0. 9 m）、67. 5% （4. 0 ～1. 3 m）、64. 7%（ 5. 1 ～1. 8 m）、62. 5%（ 6. 4 ～2. 4 m）。校核洪水位條件下（圖9e—9h），9. 5萬、11. 5萬、15 萬、17萬m3的滑坡體引起的涌浪高降幅分別為61. 8%（ 7. 6～2. 9 m）、57. 6%（ 8. 5 ～3. 6 m）、54. 4% （9. 0 ～4. 1 m）、53. 5%（ 9. 9 ～ 4. 6 m）?？梢姡麦w體積越大，短距離傳播過程中，涌浪高降幅越小，對庫區(qū)設施和水工建筑物的危害性越大。

2. 6. 2 滑坡涌浪對大壩安全的影響分析

大壩位于滑坡入水點下游392 m處，根據B4點的監(jiān)測結果，不同滑坡工況條件下，壩前最大涌浪爬高見表2，壩頂高程為1 353. 5 m。

由表2可知，正常蓄水位條件下，2萬、3. 5 萬、6 萬、9萬m3 滑坡體產生的壩前涌浪高度分別為1. 12 、1. 41、2. 35、2. 87 m；校核洪水位條件下，9. 5萬、11. 5 萬、15萬、17萬m3滑坡體產生的壩前涌浪高度分別為2. 93、4. 1、4. 81、5. 15 m。同一水位條件下，滑體體積增加，壩前涌浪高度增大?；麦w積為2萬m3時，涌浪水位高程與壩頂高程之差為0. 38 m，均不會出現水位漫頂現象，不存在漫壩風險；滑坡體積為3. 5萬m3時，其產生的涌浪水位高程接近壩頂高程。當滑坡體積增加至6萬、9萬m3時，涌浪高度分別超過壩頂高度0. 85、1. 37 m，存在漫壩風險。校核洪水位（高程1 348. 8 m）條件下，9. 5萬、11. 5萬m3滑坡導致涌浪高度分別為2. 93、4. 10 m，均未超過壩高，不存在漫壩風險。當滑坡體積分別為15萬、17萬m3時，涌浪高度分別超過壩頂高度0. 11、0. 45 m，存在漫壩風險。此外，由表2可知，校核水位條件下15萬m3的滑坡引起涌浪高度遠高于正常水位條件下3. 5萬m3 的涌浪高度，但兩者產生的涌浪水位高程接近壩頂高程，這主要是由于校核洪水位低于正常蓄水位，給滑坡產生的涌浪爬高提供一定的空間?？梢?，寶興電站分別以水位1 352"m（ 正常蓄水位）和1 348 . 8 m（ 校核洪水位）運行時，3. 5萬、15萬m3的滑坡體積可能引起漫壩的臨界工況，降低水位可減緩滑坡涌浪漫壩風險。

2. 6. 3 滑坡涌浪的時空變化分析

由于篇幅限制，選取正常蓄水位和校核洪水位條件下涌浪未漫壩頂、已漫壩頂或接近漫頂的兩種典型工況來分析滑坡涌浪的傳播過程。正常蓄水位（高程1 352 m）條件下，2萬m3（工況1）和6萬m3（工況3）滑坡引起的涌浪傳播過程見圖10、11，滑體入水形成涌浪，沿滑體主滑方向水位波動均較明顯。T=15 s時，所有工況產生的涌浪到達對岸，涌浪均呈扇形向四周傳播，工況3中滑體未完全下滑。T=20 s時，所有工況的滑體在河道對岸產生最大浪高，隨后因受河對岸阻擋，涌浪回流形成反射波，并與新的涌浪波相遇形成疊加涌浪傳播圈，繼續(xù)沿河道上下游傳播。T=25 s時，所有工況的滑體下滑處均已產生次浪。T=30 s時，涌浪傳播至寶興電站壩前，且工況3產生的涌浪高明顯高于工況1。校核洪水位（高程1 348. 8 m）條件下，9. 5萬m3（工況5）和11. 5萬m3（工況7）滑坡引起的涌浪傳播過程見圖12、13。由圖12、13可知，上述工況產生的涌浪傳播規(guī)律與正常水位類似。與正常水位工況相比，校核洪水位條件下的各工況滑坡體體積較大，T=30 s時，滑體未完全下滑至水中，但滑坡產生的涌浪已到達壩前?？梢?，水庫河道涌浪在滑坡近場區(qū)產生后一般呈扇形向四周傳播，最大涌浪一般出現在滑體主滑方向上，扇形涌浪的兩翼沿河道傳播。

2. 6. 4 滑坡涌浪的災害危險性分析

同樣地，選取正常蓄水位條件下工況1（2萬m3）和工況3（6萬m3）、校核洪水位條件下工況5（9. 5萬m3）、工況7（15萬m3）的滑坡涌浪最大波高分布（圖14）和涌浪危險程度分布（圖15）開展滑坡涌浪危險性分析。

根據T/CSRME 006—2020《滑坡涌浪危險性評估規(guī)范》規(guī)定，將涌浪強烈程度等級劃分見表3。一般地，災害的風險性不僅與災害危險性相關，受災體的易損性等也會增加災害風險。在庫區(qū)涌浪災害中，主要的威脅對象是河道擋水建筑物、河道內的船只及岸坡上的建筑物。

從圖14、15可知，涌浪最大波高隨傳播距離的增加逐漸減小，分布范圍則逐漸增大，即涌浪的最大波高出現在滑體主滑方向，沿上下游方向衰減，這與河道地形、涌浪傳播特性、波高衰減速率有關?；麦w積增加，其產生的滑坡涌浪范圍和產生的危險程度范圍增大。所有工況條件下，滑體主滑方向涌浪高度大于2 m，為“極高涌浪區(qū)”。對于壩前區(qū)域，工況1和工況5條件下，壩前涌浪高度大于1 m（圖14a、14c），為“高涌浪區(qū)”（圖15a、15c）；工況3和工況7條件下，壩前涌浪高度大于2 m（圖14b、14d），為“極高涌浪區(qū)”（圖15b、15d）?？梢?，由于寶興電站庫區(qū)較小，河道狹窄，庫區(qū)滑坡涌浪引起的危險程度較高，即使小體積（2萬m3）工況下，庫區(qū)涌浪災害將威脅河道擋水建筑物、河道內作業(yè)船只及岸邊建筑物的安全。

4 結論

a））涌浪在沿河道傳播時，因水體阻礙能量有所消減，首浪高度呈減小趨勢，但滑坡體積增加，涌浪影響范圍和其產生的危險程度增大，致災性強。

b））滑坡涌浪的時空演化特征表現為涌浪的產生形成、涌浪呈扇形狀沿河道向上下游傳播、涌浪爬升及遇岸坡阻礙形成反射波。

c））正常蓄水位條件下，2萬、3. 5 萬、6 萬、9萬m3 滑坡體產生的壩前涌浪高度分別為1. 12、1. 41、2. 35、2. 87 m；當滑體體積高于3. 5 萬m3，壩前涌浪高超過壩頂高度，存在漫壩風險，該滑坡體積可視為該水位條件下大壩安全運行的臨界滑坡體積。

d））校核洪水位條件下，9. 5萬、11. 5 萬、15萬、17萬m3滑坡體產生的壩前涌浪高度分別為2. 93、4. 10、4. 81、5. 15 m，當滑體體積高于15萬m3，壩前涌浪高超過壩頂高度，存在漫壩風險，該滑坡體積可視為該水位條件下大壩安全運行的臨界滑坡體積。

e））由于校核洪水位（1 348. 8 m）低于正常蓄水位（1 352 m），滑坡體積較大（gt;15萬m3）時，才出現涌浪漫壩現象，電站降低水位運行可降低滑坡涌浪漫壩風險，建議庫區(qū)滑坡災害易發(fā)時段，降低電站運行水位，以盡可能保證電站的安全運行。

f））針對滑坡涌浪的危害性，建立完善的滑坡監(jiān)測預警系統(tǒng)、制定合理的承載體降災方案和涌浪應急預案的同時，可通過對潛在滑坡體進行削坡減載、對潛在滑坡區(qū)域進行邊坡加固、在庫區(qū)合適的位置布置消浪結構等減災措施來消除或減緩滑坡涌浪帶來的危害。

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