瀾滄江某庫區滑坡涌浪物理模型試驗

， ，，

(1.成都理工大學 環境與土木工程學院，成都 610059； 2.中國石油天然氣集團 塔里木油田公司天然氣事業部，新疆 庫爾勒 841000)

瀾滄江某庫區滑坡涌浪物理模型試驗

丁軍浩1，鄧輝1，吳敬清2，雍袤1

(1.成都理工大學 環境與土木工程學院，成都 610059； 2.中國石油天然氣集團 塔里木油田公司天然氣事業部，新疆 庫爾勒 841000)

為研究水庫滑坡涌浪特征及傳播規律，以瀾滄江某水電站上游河道為模型，采用正交試驗方法設計試驗組次，制定了包括滑坡體規模、入水速度、水深、河面寬度的影響因素的試驗方案，采用試驗控制系統、量測系統開展了滑坡涌浪三維物理模型試驗；以量綱分析為基礎，借鑒了潘家錚涌浪公式的相關物理量結合方法，基于試驗數據，采用多元回歸分析法給出了最大首浪經驗公式并擬合出了沿程傳播浪的回歸方程。結果表明：試驗擬合推導的方程預測梅里石4#滑坡在不同失穩工況下最大首浪高度為90.37 m；壩前涌浪高度最大值為15.09 m。其成果可為滑坡體涌浪災害預警及水電大壩安全保障提供依據。

瀾滄江某水庫;滑坡涌浪；物理模型試驗；首浪高度；壩前涌浪高度；沿程傳播浪；回歸分析

1 研究背景

近年來，一些水電工程由于高庫水位及水庫運行效應的影響，庫區內均存在嚴峻的邊坡穩定和滑坡涌浪問題。涌浪是水庫滑坡高速入水引起的一種嚴重的次生災害，可能會造成潰壩等事故，后果不堪設想。因此，研究滑坡涌浪的形成與傳播規律，提出涌浪的致災范圍、程度,進而采取有效的避讓措施，具有重要的現實意義。

多年來，針對國內外相繼發生嚴重的庫區滑坡涌浪災害問題，大量學者展開了深入的研究，取得了一定的成果。Noda[1](1970)提出了水平滑坡模式和垂直滑坡模式的初始涌浪經驗公式；潘家錚[2](1980)以滑坡失事點為擾動中心，根據波高按距離的倒數遞減的規律，得出了滑坡失事點對岸任意點的最高涌浪公式；袁銀忠等[3](1990)通過數值模型和物理模型試驗得出了涌浪高度的無量綱數與傳播距離無量綱數成冪函數的關系；王育林等[4](1994)也通過試驗提出了改進的涌浪沿程傳播的計算式；Heller等[5](2010)通過二維波浪水槽，研究了散體滑坡體的涌浪產生與傳播，提出了決定最大浪高的7個因素；中國地質大學殷坤龍等[6]、長江科學院任坤杰等[7]都考慮不同因素針對某地區進行了滑坡涌浪模型試驗，明確了滑坡最大首浪的含義，提出了不同情況下的滑坡體涌浪經驗計算公式等。

這些研究成果都對涌浪災害預測具有重要的意義，本文以瀾滄江某水電站上游的梅里石4#整體滑坡體為研究對象，采用正交試驗方法設計，進行滑坡體不同幾何形狀、入水速度、受納水深等因素條件下的滑坡涌浪物理模型試驗研究，通過量綱分析與回歸分析提出水庫區滑坡涌浪計算公式。

2 瀾滄江某水庫滑坡概況

此水庫是瀾滄江上游規劃河段第1級，也是規劃河段的龍頭水庫?？⒐ね度胧褂脮r設計蓄水高程為2 267 m，屆時將會淹沒部分村莊以及現有公路、橋梁。

梅里石4#滑坡位于梅里石村正對的瀾滄江左岸，處于壩址上游，距離壩址約5 000 m，分布高程2 620～3 060 m，相對高差440 m，滑坡體地表組成物質為塊碎石混合土，覆蓋層厚度5～30 m，平均厚度10 m左右，平均長度500 m，平均寬度約800 m，方量約400萬m3。根據平硐編錄資料、地表變形情況、4個剖面穩定性計算結果對滑坡進行了危險性分區(如圖1)，推測該滑坡體整體完全失穩滑動的可能性不大，有可能是分塊失穩滑動。推測滑坡發生滑動時有3種可能的情況：一是A區先滑動，之后B區滑動，最后C區滑動，可獨立看待3部分失穩激起的涌浪；二是A區與B區同時滑動，之后C區滑動，可獨立討論A+B區和C區；三是A區、B區、C區同時失穩滑動，可看作整體討論。由于滑坡體右部的前緣剪出口位置距離瀾滄江水平位移約650 m，垂直位移約530 m，即使水庫蓄水以后前緣剪出口距離水面的垂直距離仍然有350 m左右，因此滑坡是一個高位滑坡，如果發生復活可能激起涌浪威脅壩體安全。

圖1 梅里石4號滑坡危險性分區Fig.1 Partition of Meilishi 4# landslide according to risk level

3 模型設計

試驗河道模型采用1∶2 000比例尺的正態模型，與原型保持幾何相似、動力相似和運動相似原則。

3.1 河道模型

河道模型以瀾滄江某水電站為起點，沿河道上游前進5 000 m達到梅里石4#滑坡左側邊界，取此段以1∶2 000的比尺將河道縮小成室內模型，模型長度2.6 m，寬度0.75 m，高度0.28 m。瀾滄江河床海拔高度約2 100 m，河道地形根據等高線方法制作了高程2 100～2 600 m的山體，實際試驗只需要蓄水至2 500 m，即模型的20 cm。河道實際形態與模型見圖2。模型采用靜水模型，主要觀察涌浪向下游傳播的規律。

圖2 瀾滄江河道原型與模型Fig.2 Prototype and model of the Lancing river channel

3.2 滑坡模型

由于試驗條件限制，試驗中使用剛性滑坡模型，不考慮滑塊形狀的影響，統一假定為長方體，主要定量研究長度、寬度、厚度不同的滑塊對于涌浪的影響。制作了49個長、寬、厚度均不同的長方體滑塊模型，主要采用水泥、碎石作為材料，按密度相似進行設計、制作，設計過程取其密度ρ=2.2 g/cm3，接近滑坡堆積體密度。

圖3 激光光柵測速器及拋光木板Fig.3 Laser raster veloci-meter and polished plank

激光光柵測速器是為了控制滑塊模型的入水速度。通過調整光滑木板上滑塊滑動的路程可以調整滑塊滑出木板前端時的速度，以安裝在前端的測速器來測量滑塊滑出木板的速度(即入水速度)。

圖4 有刻度線的背景幕板Fig.4 Background panel with scale mark

3.3 試驗控制系統

試驗控制系統包括拋光的木板(用作滑動面)和激光光柵測速器(如圖3)。由于拋光木板摩擦系數較大，當木板傾斜角度低于25°時滑塊無法自然下滑，因此不考慮滑動面傾角變動對于涌浪高度的影響，統一將所有組次試驗的滑動面傾角固定為40°。

3.4 試驗量測系統

為了觀察滑塊入水形態的變化情況及測量最大首浪高度的數據，試驗采用采集速度120 fps、分辨率可達到640×480的高速攝像頭和刻畫有2 mm間距水平線的背景幕板(如圖4)。

試驗前蓄水至一定高程，將高速攝像頭固定于盡量接近水面的區域，將背景幕板放置于圖4所示位置。試驗開始之后記錄影像，試驗結束后查看高速影像的慢動作回放，透過涌浪其后的背景幕板觀察最大首浪所能達到的最大高度。

圖5 沿程傳播浪的水痕Fig.5 Water marks of spread waves along the river channel

試驗設置了5處沿程傳播浪的測量點，分別為距離滑坡入水點500，1 000，2 000，4 000，5 000 m處。采用一金屬架子上的細鐵絲固定高密度A4紙條，從而測量沿程傳播浪的高度,蓄水至一定高程，加入一定量藍色染料調勻，等待水面平靜；安裝好測量裝置，將細紙條貼在細鐵絲上后插入水中，標注紙條上留下的靜水面水痕；進行試驗，水面平靜之后抽出紙條觀察波浪所能達到的最大高度，即可測出沿程傳播浪高度(如圖5)。

4 試驗方案設計

根據潘家錚[2](1980)、黃種為等[8](1983)、袁銀忠等[3](1990)以及Ataie-Ashtiani等[9]的研究工作，試驗選取入水滑體長度l、入水滑體寬度w、入水滑體厚度t、庫水面寬度b、入水點最大水深h、滑體入水速度v、最大首浪高度試驗值Hmax作為滑坡最大首浪高度物理模擬試驗的影響因素。劉藝梁[10]在2013年統計了三峽庫區122個滑坡的長度、寬度、厚度、下滑速度等因素，得出平均值，試驗以其統計數據為依據選取各影響因素水平值，采用1∶2 000比例尺進行換算，具體因素水平值如表1所示。

表1 各因素水平值Table 1 Level values of various factors

正交試驗設計是根據因素設計的分式原理,采用組合理論推導的正交表來安排試驗組次,并對試驗結果進行各種統計分析的多因子試驗方法。試驗制作了49個不同大小的長方體滑塊根據選取的滑坡首浪高度影響因素進行正交試驗設計，試驗選用水平組合列成的L49(76)的正交表。

流程2：在使用映射服務器的基礎上，入口隧道路由器ITR能夠迅速查找出EID2所對應的位置標識RLOC2，之后在RLOC1為源地址和RLOC2為目的地址的數據包內將步驟1的數據包進行封裝，最后再將封裝后的數據包發送至IP承載網；

5 試驗成果分析

5.1 最大首浪高度計算公式

傳統涌浪計算公式有Noda(1970)最早提出的基于室內渠道二維模型試驗與理論推導出的式(1)和國內應用廣泛的潘家錚滑坡最大首浪高度計算式,即式(2)與式(3)。

(1)

水平滑坡

(2)

垂直滑坡

(3)

Noda和潘家錚方法是在理想化的矩形水池中進行試驗的，而實際水庫河道地形復雜多變，水深、河道寬度、彎曲程度及岸坡角度等都會變化，水深沿河道橫、縱斷面的分布都不一致。且最大首浪高度只考慮了入水速度和水深，而沒有考慮滑坡的規模、形態、滑坡入水角度等重要幾何參數，因此有較大的誤差。

(4)

式中a1,a2,a3,a4,a5為參數。

將試驗數據化為無量綱形式，應用優化軟件SPSS進行非線性擬合，迭代22次后，找到最優解，如表2所示。

表2 參數估計值Table 2 Estimated values of parameters

表2中，a2，a4的標準誤差與估計值相比來說顯得較小，說明可信程度較高。a1，a3，a5的標準誤差與其對應的估計值相比顯得較大，其對應置信區間也較大，所以相應準確性較低。

表3 參數估計值的相關性Table 3 Correlation of parameter estimates

經檢驗回歸模型不存在異方差性，回歸模型是適合的。應變量預測值與觀測值之間基本符合直線關系，回歸模型效果較好，可以較好地預測滑坡最大首浪高度。則

(5)

表4反映擬合公式決定系數R2的計算過程，0.781的擬合程度雖然達不到非常好的標準，但考慮到極多的不確定性、地形的復雜以及還有未考慮的影響首浪高度的其他次要因素等，決定系數到0.781已較好，可以作為預測因變量的模型。對于梅里石4#滑坡完全一次性失穩的工況，h=167 m，v=62.46 m/s，l=500 m，t=10 m，b=600 m，w=800 m，由式(5)計算的最大首浪高度為Hmax=90.37 m。

5.2 沿程傳播浪的計算公式

汪洋[12]在其博士論文中提到涌浪沿著河道傳播情況按照距離分為急劇衰減階段以及緩慢衰減階段，可以分別得出2階段的公式。假設涌浪向上下游傳播模式一致，則不用特地考慮上下游的差異性。

表4 平方和計算值

注：因變量為首浪高度試驗值，決定系數R2= 1-殘差平方和/已更正的平方和=0.781

根據汪洋的研究可以得出某一點涌浪高度最大的沿程傳播浪高度,其公式為

(6)

式中：H(x)為距離滑坡入水點x的地點的沿程傳播浪高度(m)；x為河道沿程上某點距離滑坡入水點的距離(m)；h為庫區水深(m)；k為參數，取決于河道的形態(譬如水深、水面寬度、河道橫截面面積等因素)。

對于梅里石4#滑坡堆積體，水深h=167 m，當x<8 350 m時適用于急劇衰減階段，滑坡距離壩址僅僅為5 000 m，因此本試驗沿程傳播浪計算完全符合式(6)的條件。由上可知試驗在5處進行了傳播浪高測量，轉化為模型值分別為0.25，0.50，1.00，2.00，2.50 m。編號43—49組的沿程傳播浪高度數據為例作圖如圖6。

圖6 不同組試驗的沿程傳播浪高變化Fig.6 Variation of spread waves along the river channel

43—46組試驗水深均為0.2 m，即實際400 m，此情況下距離滑坡入水點20 000 m以內河道沿程都符合指數衰減規律，從圖6中可以看出符合這種趨勢。采用非線性回歸分析以式(6)為基礎函數表達式進行擬合，按照5個沿程觀測點分別擬合出5個回歸函數，即：

R2=0.652 ;

(7)

R2=0.721 ;

(8)

R2=0.602 ;

(9)

R2=0.558 ;

(10)

R2=0.532。

(11)

式(7)—式(11)分別為以第1，2，3，4，5個沿程傳播浪觀測點為基礎擬合出的回歸方程。如式(8)，主要通過假定x=1 000 m的情況下再對H(x)，Hmax，h三個變量進行非線性擬合得出，因而估計式(8)主要適用于x=1 000的附近范圍的河道的情況。同時式(8)決定系數最高，在計算沿程傳播浪高度的時候,既可以分段討論，也可以以式(8)進行計算。

對于第2節中梅里石4#滑坡可能發生的3種情況下的失穩滑動，根據推導的最大首浪高度公式式(5)和沿程傳播浪公式式(8)計算各失穩塊體最大首浪高度及體壩前涌浪高度。最大靜態水深h=167 m，失穩塊體入水速度采用條分法計算結果為v=62.46 m/s，河道寬b=600 m，結果如表5所示。

6 結 論

(1) 選取瀾滄江某電站壩址至上游5 850 m段河道為原型，在遵守幾何、運動和動力相似條件的前提下，建立了1∶2 000比例尺的河道物理模型，采用控制系統、量測系統開展瀾滄江庫區滑坡涌浪的三維物理模型試驗。設計考慮了入水滑體長度、寬度、厚度、入水速度、水深、庫水面寬度這6個綜合影響因素的正交試驗方案。

(2) 以量綱分析為基礎，借鑒前人涌浪公式的無量綱物理量關系，基于試驗測量的最大首浪高度數據以及沿程傳播浪高度數據，采用多元非線性回歸分析方法，提出了最大首浪高度的回歸方程，并且擬合出以觀測點為基礎的5個沿程傳播浪高度的回歸方程，計算公式是符合本模型的，擬合效果較好。

(3) 根據推導的式(5)和式(8)，對梅里石4#滑坡可能會發生的3種失穩滑動情況,計算了各失穩塊體最大首浪高度及壩前涌浪高度。表5中的計算結果表明了可能激起的最大涌浪高度約為90.37 m，壩前涌浪高度約為15.09 m，而大壩防浪墻高出蓄水面20 m左右，可以較好地防范壩前涌浪帶來的沖擊。

(4) 模型試驗雖然較為全面地考慮了滑坡形態、入水速度、河道形態、水深等涌浪影響因素，但未考慮滑面傾角對涌浪的影響，且模型比例大小與量測系統的不精確也對結果有一定的影響，今后研究可對模型比例和控制、量測系統作進一步的改進，以便考慮到其他因素的影響，使試驗結果更精確。

[1] NODA E.Waterwaves Generated by Landslides[J].Journal of the Waterways,Harbors and Coastal Engineering Division,1970,96(4): 835-855.

[2] 潘家錚.建筑物的抗滑穩定和滑坡分析[M].北京：水利出版社，1980.

[3] 袁銀忠，陳青生.滑坡涌浪的數值計算及試驗研究[J].河海大學學報，1990，18(5)：46-53.

[4] 王育林，陳鳳云，齊華林，等.危巖體崩滑對航道影響及滑坡涌浪特征研究[J].中國地質災害與防治學報，1994，5(3)：95-100.

[5] HELLER V,HAGER W H.Impulse Product Parameter in Landslide Generated Impulse Waves[J].Journal of Waterway Port Coastal and Ocean Engineering，2010，136(3):145-155.

[6] 殷坤龍，劉藝梁，汪 洋,等.三峽水庫庫岸滑坡涌浪物理模型試驗[J].地球科學，2012，37(5)：1067-1074.

[7]任坤杰， 韓繼斌.散體滑坡體首浪高度模型試驗研究[J].人民長江，2010，42(24)：69-72.

[8]黃種為，董興林.水庫庫岸滑坡激起涌浪的試驗研究[C]∥水利水電科學研究院科學研究論文集第13集(水力學).北京：水利電力出版社，1983：157-170.

[9]ATAIE-ASHTIANI B,NIK-KHAH A.Implusive Waves Caused by Subaerial Landslides[J].Journal of the Environmental Fluid Mechanics,2008,8(3): 263-280.

[10] 劉藝梁.三峽庫區庫岸滑坡涌浪災害研究[D].武漢：中國地質大學(武漢)，2013.

[11] 姜治兵，金 峰，盛 君.滑坡涌浪的數值模擬[J].長江科學院院報，2005，22(5)：1-3.

[12] 汪 洋.水庫庫岸滑坡速度及其涌浪災害研究[D].武漢：中國地質大學(武漢)，2005.

(編輯：姜小蘭)

Physical Model Test on Landslide-induced Surge ina Reservoir of the Lancang River

DING Jun-hao1，DENG Hui1，WU Jing-qing2，YONG Mao1

(1.School of Environment and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China； 2.Natural Gas Department of Tarim Oil Field Company,China National Petroleum Corporation,Korla 841000，China)

A three-dimensional physical model test of landslide-induced surge was conducted to investigate the characteristics and propagation rules of landslide-induced surge in reservoir.Orthogonal test schemes were designed with varying landslide scale,velocity of landslide into the river,water depth,and river width.The upstream of a hydropower station in the Lancang River was taken as a background.Furthermore,according to the test data,the empirical formula of maximum primary wave height was proposed,and the regression equations of spread wave along the river channel were fitted through multiple regression analysis.Dimensional analysis was adopted as basis and the relative physical variables of classical landslide surge formulas proposed by Pan Jiazheng as reference.According to the proposed formulas,among different instability conditions,the maximum primary surge height induced by Meilishi 4#was 90.37 m,and the surge height in front of the dam was about 15.09 m.The research results offer reference for the early-warning of landslide surge disaster and the security of the hydroelectric dam.

reservoir of the Lancang river; landslide surge; physical model test; primary wave height; surge height in front of dam; spread wave along the river channel; regression analysis

TV139.2

A

1001-5485(2017)10-0039-06

2016-06-15；

2016-09-14

丁軍浩(1992-)，男，河南郾城人，碩士研究生，研究方向為巖土工程與地質災害理論，(電話)18428355609(電子信箱)251095587@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160611 2017,34(10):39-44