水库滑坡高速入水涌浪压力规律的试验研究

闫小龙 申永斌 王 冬

（山东省鲁南地质工程勘察院，山东 济宁 272100）

滑坡涌浪是水域坡岸滑坡的主要次生灾害，其造成的灾害后果在一定程度上会比滑坡更严重[1]。滑坡涌浪的产生主要来自于发生滑坡的固体物质入水后产生的波浪荷载和波浪运动。其中，波浪荷载是循环荷载的一种，会极大程度地影响坡岸工程的稳定性[2]。

目前。国内外已有很多学者研究了波压力对海岸工程的影响，并进行了物理模型试验探究不同形态的波浪对岸防工程的作用规律。白薇等[3]等探讨了涌浪冲击力对桩柱的影响，并推导桩柱冲击力的计算公式。田野等[4]将涌浪脉冲压力施加在坡岸处与桥墩处，计算桥墩能够承受的冲击力极值。Tan等[2]对滑坡涌浪特征进行分析，将滑坡涌浪动压力分为2 种类型。本文基于国内外学者以往的研究成果，针对某大型水库库区的宽缓段河道进行物理模型试验，探究了滑块规模体积和水平高度对坡岸压动力的作用规律。

1 工程概况

根据某大型水库库区的河道形态分布规律，以1 ∶400 的比例尺建立库区的等模型。等宽缓段库区的特点为人文活动较多，是滑坡和涌浪的高风险发生区域。本文选择的库区水域河底宽为0.75m，河岸坡度20°。

2 研究方法

2.1 试验设计

使用水泥和砂纸混合制成体积不同的滑块，将每个滑块的密度控制在2.3g/cm3。在选定坡段测试不同体积滑块的入水深度和入水速度，根据控制变量法对测得36 组完整数据统计分析选定库段的灾害发生情况。每个工况进行3 组平行试验减少数据误差。

2.2 试验控制及量测系统

本文采用固定轨道的方式控制滑块的入水。当测试滑块入水数据值时，将激光测速仪设置在轨道的入水口处，记录滑块的入水瞬时速率。在滑块进入水中的过程中会激起涌浪，滑块的速度方向、涌浪的高度、浪花的传播速度以及涌浪的能量等都会影响滑块的速度。因此，在测试滑块的涌浪压力的过程中采用滑块入水的断面。在测量涌浪压力的过程中使用波高仪、压力传感器、摄像机和网格背景板，测试设备放置如图1所示。每次在进行正式试验前，波高仪需要先测量静水位，并将压力传感器进行归零处理减少试验误差[5]。

3 试验结果与分析

3.1 滑坡涌浪特征分析

当滑块以一定的速度冲进水中时，会引发体积侵占效应。水体分离的现象出现在滑块的前端，会形成几种不同类型的涌浪，例如抛射状水舌、首浪以及次浪等。其中，水舌由表层数体的对岸运动形成；首浪由于滑块的体积侵占在水中形成的凹腔冲击能形成；次浪出现在滑体全部进入水中后，由于滑块自生巨大的动能和滑块周围水体的压强差对水体造成的挤压形成。

涌浪的爬坡高度在次浪出现前呈叠加的方式增长，次浪出现后，随着水浪储存能量降低，爬坡浪的高度缓缓下降。涌浪波幅大小严重影响涌浪的爬升高度以及动压力，其是研究涌浪的重要指标。以滑块体积为0.2m×0.2m×0.1m，入水速度为0.2m/s 的工况为例，记录滑块入水时涌浪波幅变化过程，如图2所示。

图2 水库滑坡涌浪波幅的时程变化曲线

从不同测点的涌浪波幅变化趋势曲线对比可以看出，在前两次的列波中会出现涌浪波峰最大幅值，如图2所示。其中，第一列波出现最大幅值的概率更大，并且会增加列波的横向传播宽度，导致首浪的波峰幅值小于次浪。比较同一测点的涌浪振幅变化趋势发现，传播时间越长，不同列波间造成的涌浪复制叠加现象越显著，涌浪的幅值逐渐减少，波长缓缓增加。当涌浪抵达对岸时，由于地形变化，坡岸的水深较浅，因此波高增加。由此可见，传播浪的振幅高度远小于爬坡浪振幅高度。

3.2 滑坡涌浪动压力类型及作用

3.2.1 滑坡涌浪动压力类型

Tan 等[2]在研究中发现，滑坡涌浪可以分为2 种形态来影响岸坡的稳定性，一是实体涌浪，会产生脉冲压力；二是水舌，产生瞬时击压力。其中，实体涌浪对边坡无瞬时的冲击力。主要产生脉冲值，并且数量较多。水舌的发生过程短暂，但产生的冲击压力较大。图3 展示了滑体参数与水舌参数的变化趋势。由图3 可以看出，滑体入水速度和滑体规模与水舌的高度、长度以及水平运动距离成正比。

图3 滑体入水速度和滑体规模对水舌运动参数的影响

在图3 中可以发现，水舌的长度与水平运动距离之比＜0.5，违背了二次抛物线的对称分布原则，这可能是水舌在最高点后破碎造成了运动轨迹偏移。

3.2.2 滑坡涌浪动压力变化规律

选取水深为0.29m 的试验数据探究不同高度水平对脉冲最值出现频次的影响，分析结果绘于图4 中。涌浪的高度水平为测量时间内最高浪高的三分之一。由图4 可知，与高水平的测点相比，低水平测点的脉冲压力最值多出现在前2 个峰，这一现象说明低水平的测点更易受到初始涌浪作用的影响。虽然测点的水平升高到4级以后，脉涌浪冲压力最值多出现在第三个峰，这说明不同波列讲的相互作用叠加明显，在临近静水面的区域水的运动状态在短时间内变化较大，水体不稳定，水流紊乱，在区域内的水体压力值骤增。位于静水面以上的测点脉冲压力最值均出现在第二峰，说明此处的测点受涌浪爬高的影响较大。

图4 不同高度水平对脉冲最值出现频次的影响

3.3 滑坡涌浪脉冲压力分布特征

将高度为h=0.23m 和h=0.27m 是的脉冲压力最大值最涌浪脉冲初始值，然后计算在此基础上的其他高度水平的涌浪脉冲压力最大值衰减率，并将数据绘制在图5 中。

图5 滑坡涌浪脉冲压力极值衰减过程

观察图5 可以看出，脉冲压力极值的衰减随着爬坡高度的增加，呈现先增后减的趋势。衰减速率的变化可以分为2 个区域，一是快速衰减区域，二是缓慢衰减区域。其中，快速衰减区域的涌浪水平高度较低；缓慢衰减区域的水平高度较高，并且涌浪脉冲压力的极大值出现累计衰减的现象，累计率高达60%。

4 结论

实体涌浪和水舌对坡岸的影响均通过脉冲压力产生，但作用的方式由于力学性质的差异，导致作用方式的不同。涌浪由于反复多次的爬高，对坡岸施加了一种疲劳冲击作用，是导致坡岸失稳滑坡的主要因素。水舌对破案的瞬时冲击压力较大，但产生的脉冲压力短暂且脉冲值偏小，会在坡岸上形成易出现滑坡的薄弱点。

涌浪脉冲压力最值的发展趋势均为先增加后减少的特征，并且脉冲压力最值出现的位置与静水面的距离十分接近。由于涌浪在运动到对岸后，还会受到阻碍，到导致运动状态改变，因此在静水面附近滑块的入水速度最快，水体受到的冲击和脉冲压力最大。在距离静水面较远的位置，实体涌浪在不断爬高和下降的过程中，由于重力和其他的能量损耗，水体携带的能量越来越低，脉冲压力降低。

脉冲压力极值的衰减随着爬坡高度增加，呈现先增后减的趋势。衰减速率的变化可以分为2 个区域，一是快速衰减区域，二是缓慢衰减区域。其中快速衰减区域的涌浪水平高度较低；缓慢衰减区域的水平高度较高，并且涌浪脉冲压力的极大值出现累计衰减的现象，累计率高达60%。