不同規?；氯胨T發涌浪災害特征差異性分析

王雷 解明禮 黃會寶 柯虎 高強

摘要：針對不同規?；氯胨a生的涌浪開展三維數值分析，分析不同規?；氯胨T發涌浪災害特征，如涌浪高度、涌浪速度、對岸爬高等，探討不同規?；氯胨l涌浪對大壩的影響。利用FLOW-3D數值模擬方法對滑坡失穩過程、涌浪形成及傳播、涌浪爬升、涌浪回流的全過程進行模擬分析。結果顯示：310萬m³滑坡入水產生涌浪在對岸最大爬高為54.5 m，壩前涌浪高度為6.69 m，涌浪在右岸壩肩處有小范圍漫壩；80萬m³滑坡入水產生涌浪在對岸最大爬高為26.00 m，壩前涌浪高度為5.38 m，涌浪對大壩安全無影響。結果表明：310萬m³滑坡入水誘發涌浪與80萬m³滑坡入水誘發涌浪相比，致災性較強。

關鍵詞：不同規?；?；涌浪災害；FLOW-3D數值模擬；致災性

中圖分類號：P642.22;TV139.23文獻標識碼：B文章編號：1001-9235（2024）02-0018-11

Difference Analysis of Wave Disaster Characteristics Induced by Landslides of Different Water Entry Scales

WANG Lei¹，XIE Mingli^1*，HUANG Huibao²，KE Hu²，GAO Qiang²

（1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironmental Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China;2.CHN Energy Dadu River Hydropower Development Co.，Ltd.，Chengdu 610041，China）

Abstract：This paper conducts a three-dimensional numerical analysis on the surges generated by landslides of different water entry scales，and analyzes the characteristics of surge disasters induced by landslides of different water entry scales， such as surge height， surge speed，and bank climbing height.Meanwhile，the impact of surges caused by landslides of different water entry scales on the dam is explored.The FLOW-3D numerical simulation method is employed to simulate and analyze the entire process of landslide instability，surge formation and propagation，surge climbing，and surge backflow.The results show that the maximum climbing height of the surge generated by the 3.1 million m³landslide of water entry is 54.5 m on the opposite bank，and the surge height in front of the dam is 6.69 m.The surge has a small area of overflow at the right bank dam shoulder.The surge generated by the 0.8 million m³landslide of water entry has a maximum climbing height of 26.00 m on the opposite bank，and the surge height in front of the dam is 5.38 m，without influence exerted by the surge on the dam safety.The results indicate that the induced surge caused by 3.1×10⁶m³landslide of water entry is more catastrophic than that brought by 0.8×10⁶m³landslide of water entry.

Keywords：landslides of different scales;surge disaster;FLOW-3D numerical simulation;catastrophability

近幾年來，由于能源需求迅速增長，中國水電工程的建設數量明顯增加，水力發電已成為中國的主要電力來源^［1］。大渡河流域蘊藏著豐富的潛在水資源，但該區域經常面臨滑坡的風險^［2］。

全世界報道的300多座大壩倒塌事件中，約有10%是由山谷斜坡上形成的山體滑坡引起的^［3］，85%的滑坡發生在大壩蓄水后2 a內^［4］。例如，1963年Vajont滑坡災害就是由于蓄水和相關的地下靜水壓力突然變化造成的。雖然大壩沒有倒塌，但250 m高的沖擊波沖過大壩，導致數個村鎮被毀，并造成近3 000人死亡^［5］。水庫滑坡失穩可能會引起巨大的涌浪，涌浪可能會危及到人民的生命財產安全，還可能對大壩和水電站的穩定運行帶來威脅，因此對滑坡涌浪開展研究十分關鍵。

楊渠鋒等^［6］研究了三峽庫區陡巖滑坡的初始涌浪高度沿河道傳播的衰減規律，提出波高衰減方程；曹婷等^［7］建立三維地質模型，研究不同滑坡體的自身特性與涌浪爬高的關系，并提出涌浪爬高計算公式；肖莉麗等^［8］建立 三峽庫區河道模型，利用方差法和回歸法推導出水舌高度與長度計算公式；Koo等^［9］運用非線性水波動力學，分析了不同水位工況下涌浪的傳播過程及其特征；彭輝等^［10］使用彎曲河道型水庫物理模型分析不同水深時首浪高度的變化；Li等^［11］采用TsunamiSquares方法模擬了水位動態變化下滑坡涌浪的傳播特征；謝海清等^［12］運用無量綱分析方法和非線性回歸方法對涌浪災害的形成過程進行模擬；黃筱云等^［13］利用流體動力學軟件FlOW-3D模擬滑坡引發的涌浪在V形河道中的形成和傳播過程；鄧成進等^［14］利用三維數值模擬方法對滑坡涌浪對壩體的影響進行研究，分析了壩前最大浪高、壩面水壓力等特性；徐文杰等^［15］基于SPH-DEM流固耦合算法模擬了滑坡涌浪的傳播過程，通過模擬得到漫頂時的洪峰流量、涌浪對大壩的最大水壓力。

上述研究都是針對同一規?；氯胨T發的涌浪災害特征進行分析，而鮮有對不同規?；氯胨T發涌浪災害特征差異性的研究。

本文的研究重點如下：①確定瀑布溝庫首右岸拉裂變形體支護加固前潛在不同規?；?；②模擬分析滑坡-涌浪災害時空演化過程；③對比分析不同規?；氯胨T發涌浪災害特征（涌浪高度、涌浪速度、對岸涌浪爬高）；④對比分析不同規?；氯胨l涌浪對大壩的影響。

1 拉裂變形體概述

瀑布溝水庫位于岷江水系的大渡河中游，地處四川省西部雅安市漢源縣和甘洛縣交界地帶，經度102°23′～102°50′E，緯度29°8′～29°27′N。研究區距離成都市270 km，距上游漢源縣城約28 km，距石棉縣城約80 km。水庫的水域面積約84 km²，是西南地區最大的人工湖，因為其庫周位于漢源縣境內，又被當地人稱作漢源湖。區內交通便利，以鐵路、公路為主，京昆高速G5、國道G108、省道S306橫穿境內，是川西交通次樞紐，縣道和鄉道縱橫交錯，四通八達。隨著大渡河流域水利水電工程的不斷開發，導致該地區的滑坡、泥石流等各種地質災害頻繁爆發，對當地居民生命財產安全構成極大威脅。

受河谷下切的影響，谷坡巖體快速卸荷拉裂，在瀑布溝水電站右岸壩軸線上游約798 m處形成了拉裂變形體，拉裂變形體位置及全貌見圖1。其前、后緣高程分別為730、1 187 m，高差約為457 m，兩側有深10～35 m沖溝切割，邊坡坡度約為40°～50°。

拉裂變形體地層以前震旦系淺變質玄武巖、震旦系下統蘇雄組凝灰巖為主，第四系崩坡積物基本上分布于高程980 m以上，結構松散至稍密。拉裂變形體的工程地質剖面見圖2?，F場地質調查及勘察資料顯示，760～820 m高程巖體陡傾角裂隙發育，巖體多出現傾倒拉裂；820～970 m高程巖體發育有結構面EW/N∠25°～35°、N26W/NE∠35°～40°，其已基本成為控制性結構面；970～1 180 m高程巖體卸荷特征明顯，強卸荷段巖體呈碎裂-散體結構，巖塊之間發生了相互錯動。巖體的風化程度相對較低，卸荷和松弛現象比較明顯。巖體強卸荷深一般為30～60 m；弱卸荷深一般為65～90 m。巖體卸荷主要表現為沿中陡傾坡內的傾倒拉裂及其與順坡結構面組合形成滑移拉裂。

岸坡卸荷作用強度與地貌密切相關，谷坡越高越陡，卸荷作用越強。巖體卸荷與巖體聲波縱波速度V_p有較好的相關關系，強卸荷帶各種巖體V_p=3.2～4.2 km/s；弱卸荷帶各種巖體V_p＜3.0 km/s。

由于低線公路（大致高程為875 m）施工（采用硐室大爆破方式開挖），同時路塹邊坡嚴重超挖形成岸坡切腳，導致坡體松弛變形和表層覆蓋層的失穩。硐室大爆破造成了坡體淺表部碎裂結構巖體結構面的張開和巖塊間的相互位移，并在拉裂變形體后緣覆蓋層與基巖接觸面間形成從上游往下游逐漸尖滅的拉裂縫。路塹邊坡的切腳引起岸坡的應力重分布，在路塹邊坡頂部形成應力集中，造成變形破壞。

2 潛在不同規?；?/p>

2.1 淺表層巖土體變形破壞

支護加固前拉裂變形體的淺表層巖土體穩定性問題可能出現在970～1 180 m高程硐7號勘探平硐附近（岸坡上部）處于強風化帶的碎裂-散體結構淺表層巖體，該部分巖體的變形破壞主要表現為傾倒拉裂、滑移拉裂或滑移壓致拉裂，一旦該部分巖體發生滑移，則可能形成滑坡。根據滑坡周界和淺表層滑動的滑動面，確定淺表層滑坡一次下滑平面面積約為3.63萬m²，滑體平均垂直厚度約為22 m，因此推測淺表層滑坡方量為80萬m³，見圖3a。

2.2 深部巖土體變形破壞

在拉裂變形體支護加固前，強烈的拉裂變形可能導致深部巖土體穩定性問題，主要出現在表層滑塌區到強卸荷底界范圍內的巖體。該區域的巖體出現了不同類型的變形，包括傾倒拉裂、滑移拉裂以及滑移壓致拉裂等。這一部位巖體一旦發生滑移，則可能形成滑坡。根據滑坡周界和深部滑動的滑動面，確定深部滑坡一次下滑平面面積約為8.85萬m²，滑體平均垂直厚度約為35 m，因此推測深部滑坡方量為310萬m³，見圖3b。

3 涌浪分析計算模型

FLOW-3D是基于有限差分法對控制方程進行求解的數值計算軟件，在模擬過程中將計算區域設置為三維網格，每個網格在計算過程中都有多個相關變量的值在每個網格上體現，其中網格表面包括3個方向的速度u、v、w，網格中心包括壓強p、流體體積分數F、密度ρ、湍流動能q、紊流動能消耗率以及黏度μ等變量，這能夠更真實地還原滑坡涌浪的實際運動過程。

本文利用顆粒流模型、漂移-通量模型、重力和非慣性框架模型以及黏流和湍流模型相互組合分析滑坡涌浪形成、傳播過程。其中控制方程包括連續方程和動量方程，見式（1）—（4）：

連續方程：

動量方程：

式中 u、v、w——x、y、z 3個方向上的速度；A_x、A_y、A_z——流體所流經單元格x、y、z 3個方向上的面積比例；G_x、G_y、G_z——流體在網格x、y、z 3個方向上的加速度；f_x、f_y、f_z——流體在網格x、y、z 3個方向上的阻力加速度；V_F——流體體積分數；ρ——流體密度；P——作用在流體上的壓強。

在模擬中采用計算流體力學方法（CFD）求解水體流動。對滑坡可采用的計算簡化模型有多種，例如剛性體、可變形體和顆粒體模型等。按照瀑布溝庫首右岸拉裂變形體可能發生的失穩破壞類型，本文采用顆粒流模型進行滑坡運動過程模擬能比較真實的反映其實際情況。固體顆粒和流體形成混合物的兩相效應采用漂移-通量模型近似分析，在漂移通量模型中，可以來定義可能發生的最大固體分數，一旦達到極限體積分數，漂移速度即為零，充分利用不同計算模型的優點，對滑坡及涌浪演進過程進行數值模擬分析。

由滑坡產生的沖擊波形成的大壩水庫中的水流通常是湍流。水庫中由沖擊波引起的湍流的特征是“疊加的高頻隨機波動”。因此，本文中計算模型采用RNGk- ε湍流模型，它可以更好地表述涌浪的復雜運動和能量耗散。

構建出的滑坡誘發涌浪的計算模型見圖4，每個模型均采用結構化正交網格的非均勻網格方法劃分計算區域，并對網格進行漸近加密以優化計算區域，總單元格數約為9.9×10⁶個。模型底部為無滑移邊界條件的實心墻，周圍側壁為自由流出邊界，頂部為對稱邊界。模型計算的整個過程一直處于重力作用下，重力加速度為9.8 m/s²。

4 滑坡-涌浪災害時空演化過程分析

基于前文中的涌浪分析計算模型，模擬了支護加固前正常蓄水位工況下（850 m）310萬m³的滑坡入水形成涌浪傳播動態演進過程。由圖5可知，t=6 s左右時，由于滑坡重力的作用，涌浪逐漸形成；t=12 s，隨著滑坡滑落，涌浪高度越來越大，呈圓弧狀向外側傳播；t=15 s，滑坡體全部進入水中，涌浪在對岸開始爬升；t=23 s，滑坡堆積于河道底部，此時對岸涌浪爬升高度最大，然后涌浪開始回流，回流水體與新形成波峰相互碰撞造成了涌浪傳播圈，涌浪繼續向上下游傳播；t=36 s，涌浪傳播至壩址附近，然后壩前水面呈持續上升態勢；t=52 s，在右岸壩肩處有小范圍漫壩，然后壩前涌浪開始回落衰退。

由圖6可知，在滑坡運動方向上的涌浪傳播過程大致可分為3個階段。①初始涌浪形成及傳播階段?；率Х€后在重力作用下進入水中，涌浪高度迅速增加同時向相鄰水域擴散。在滑坡高速沖擊水面后，水面向前翻卷，形成了初始浪高。②涌浪爬升階段。由于河谷較窄小，涌浪傳播到對岸的時間為15 s，由于慣性力的推動，涌浪沿坡面爬升，23 s左右涌浪爬高最大，達到54.5 m。③回流階段。28 s后，滑坡已不在運動，對岸爬坡涌浪逐漸回流。

為研究滑坡涌浪在河道方向的傳播規律，選取見圖7的A、B、C、D、E 5個監測點進行涌浪高度監測。

由圖8可知，拉裂變形體失穩破壞進入水中后，涌浪波峰隨即擴散到A、B、C、D、E各監測點的時間各為52、23、25、44、59 s。涌浪到達A點用時比涌浪到達幾近等距離的D點用時更長，這證明了在涌浪的傳播過程中，水庫地形條件對涌浪的傳播物理特性有較強的干擾。各監測點最大浪高分別為8.7、12.0、6.4、4.3、1.6 m，且發生在第1個波峰，后續最大浪高出現衰減。

5 不同規?；氯胨l涌浪災害特征研究

5.1 沿滑坡運動方向不同規?；氯胨l涌浪高度研究

為了將涌浪高度在滑坡運動方向的波動精準地表達出來，在滑坡運動方向設置3個監測點：滑坡入水處a點、河道中央b點和對岸岸邊c點，見圖9。

由圖10可知，310萬m³滑坡入水產生的初始涌浪高度為8.8 m。最大浪高用時13 s傳播至b點，此時b點的最大涌浪高度為17 m。對岸處c點涌浪高度在18 s時達到22.1 m；80萬m³滑坡入水產生的初始涌浪高度為6.7 m，最大浪高用時10 s傳播至b點，此時b點的最大涌浪高度為11.3 m。對岸處c點涌浪高度在15 s時達到12.6 m。

5.2 不同規?；氯胨l涌浪對岸爬高研究

為研究不同規?；氯胨笮纬傻挠坷嗽趯Π兜呐栏?，將涌浪在滑坡運動方向的最大高度隨時間變化過程進行記錄，并繪制了對應的曲線，見圖11。

不同規?；氯胨l涌浪沿滑坡運動方向的傳播高度變化見圖11，滑坡入水方量為310萬m³時，對岸爬坡浪高度為54.5 m，當滑坡入水方量為80萬m³時，涌浪的傳播高度顯著降低，對岸爬坡浪高度為26 m。

5.3 沿河道方向不同規?；氯胨l涌浪高度與速度研究

為研究不同規?；氯胨笮纬傻挠坷嗽诤拥婪较虻倪\動特征，以滑坡入水點為界，按上下游分組，將河道中最大浪高隨涌浪傳播距離變化過程以及河道中涌浪速度隨涌浪傳播距離變化過程進行記錄，并繪制了對應的涌浪速度-距離曲線，見圖12，最大浪高-距離曲線，見圖13。

不同規?；氯胨l涌浪在河道中的傳播速度見圖12，涌浪在向上游的傳播過程中，不同規?；氯胨a生涌浪的速度都在某段距離上呈現出上升態勢，然后速度變小。

最后階段，涌浪速度與傳播距離成反比。涌浪向下游的傳播過程中，不同規?；氯胨?，涌浪傳播速度都會出現“下降—上升—下降”的階段，同時速度波動較大。

在滑坡涌浪速度處于上升階段時，310萬m³滑坡入水引發涌浪傳播速度的增幅大于80萬m³滑坡入水引發涌浪傳播速度的增幅。在整個傳播過程中，310萬m³的滑坡入水引發涌浪傳播速度更大，即310萬m³的滑坡入水引發涌浪傳播至上下游的時間更短。

不同規?；氯胨l涌浪在河道中的最大涌浪高度見圖13，310萬m³滑坡入水產生涌浪沿河道方向的最大浪高約為17 m。由于310萬m³滑坡入水產生的動能更大，導致其沿河道方向的最大浪高均大于80萬m³滑坡入水產生涌浪沿河道方向的最大浪高。

5.4 不同規?；氯胨l涌浪對大壩的影響分析

大壩在滑坡入水點下游約798 m處，大壩為礫石土心墻堆石壩，壩頂高程為856 m，根據圖13b可知，310萬m³滑坡體入水產生涌浪在壩前的最大高度為6.69 m，在右岸壩肩處出現漫壩，見圖14。漫壩持續時間短，過流量有限，所以涌浪對大壩和下游的危害極??；80萬m³滑坡體入水誘發涌浪在壩前的高度為5.38 m，未超過大壩留有的安全裕度，所以無漫壩風險。

6 數值模擬結果合理性分析

6.1 最大滑速計算

根據滑坡涌浪研究現狀、基本計算方法及其優缺點、使用普遍性、合理性等，結合研究區的工程地質環境、基本特征、形成機制、巖土特性，采用潘家錚法^［16］來計算滑坡滑速。

滑坡速度采用條分方法，沿滑面方向和垂直滑面方向建立平衡方程，假定當前條塊所受的前后塊體作用力合力沿滑面方向，并認為垂直滑面方向的加速度為零，對塊體加速度進行求解，然后用基本運動學原理，并考慮水阻力，求出塊體運動速度。

滑坡體在滑動過程的某一時刻，可以認為所有條塊的水平加速度相等。所以可以解出為：

設條塊i初速度、末速度分別為v_i1、v_i2，滑動距離為L_i，滑動時間為T_i，進一步可得：

式中 W_i——第i塊體的重量，kN；M_i——第i塊體質量，kg；c_i——第i塊體滑帶的動內聚力，kPa；φ_i——第i塊體滑帶的動摩擦角，（°）；L_i——第i塊體底面的長度，m；α_i——第i條塊滑面傾角，（°）；U_i、U_i+1——第i塊體水下部分所受靜水壓力，kN；U_bi——第i塊體所受浮托力，kN。

根據前面所述的計算過程進行計算，得到滑坡在水庫正常蓄水位條件下的最大滑速，310萬m³滑坡最大速度為28 m/s，80萬m³滑坡最大速度為15 m/s。

6.2 涌浪傳播規律分析

傳統的潘家錚法計算涌浪傳播時單純考慮滑速大小及庫水深度計算滑體入水產生的初始涌浪高度顯然是不合理的，影響浪高的主要因素還取決于滑坡規模、入水角度、河道特征等，殷坤龍等^［17］在潘家錚法的基礎上，參考物理模擬實驗的觀測數據，考慮滑坡相對單寬體積lt/bh，滑坡相對寬度w/b，總結出具有參考意義的涌浪計算公式，由于試驗中滑體較小，且所有滑體全部入水，因此在實際計算中需要乘以相關系數修正。

初始浪高公式：

式中 相關系數為0.76;H_max——最大首浪高度；h——水庫平均水深；l——滑體入水時的平均長度；v——最大滑速；t——滑體入水時平均的厚度；b——河道寬度；w——滑體平均寬度。

涌浪向對岸的傳播往往存在削弱，

距滑體不同距離的涌浪高度為：

式中 相對系數為0.93；H_x——距離滑坡x處的涌浪波高。

80萬m³滑坡的計算參數取值見表1，310萬m³滑坡的計算參數取值見表2?，F對80萬m³滑坡、310萬m³滑坡滑落引發的涌浪高度進行計算，得到的初始浪高與對岸涌浪爬高見表3，得到的涌浪沿河傳播規律見表4、5。

大壩在滑坡下游約798 m處，計算得到310萬m³滑坡體入水產生涌浪在壩址處的最大高度為6.06 m，80萬m³滑坡體入水產生涌浪在壩址處的最大高度為4.96 m（表6）。

由表6可知，根據理論公式法得到的涌浪高度結果和使用FlOW-3D軟件進行數值模擬計算得到的涌浪高度結果較相近，所以FlOW-3D數值模擬方法得到的結果較可靠。

7 結論

本文依托于瀑布溝庫首右岸拉裂變形體，模擬分析了滑坡-涌浪災害時空演化過程，研究其支護加固前潛在不同規?；氯胨T發涌浪災害的差異性。結論如下。

a）拉裂變形體在支護加固前若發生淺表層巖土體變形破壞則可能形成80萬m³的滑坡，若發生深部巖土體變形破壞則可能形成310萬m³的滑坡。

b）310萬m³滑坡入水引發的初始涌浪高度為8.8 m、對岸涌浪高度為22.1 m、對岸涌浪爬高為54.5 m和壩址處涌浪高度為6.69 m；80萬m³滑坡入水引發的初始涌浪高度為6.7 m、對岸涌浪高度為12.6 m、對岸涌浪爬高為26 m和壩址處涌浪高度為5.38 m。

c）310萬m³滑坡入水誘發涌浪在右岸壩肩處有小范圍漫壩，漫壩持續時間較短，過流量有限，涌浪不會危及大壩及下游安全；80萬m³滑坡入水誘發涌浪對大壩安全無影響。310萬m³滑坡入水誘發涌浪與80萬m³滑坡入水誘發涌浪相比，易形成漫堤以及產生沿河道傳播的沖擊性涌浪，可能對沿岸基礎設施造成破壞，威脅庫區安全。

d）采用FlOW-3D數值模擬的方法，模擬了310萬m³滑坡-涌浪災害時空演化過程，根據滑坡涌浪運動特征將滑坡-涌浪災害的演進過程劃分為4個階段：滑坡失穩過程、涌浪形成及傳播、涌浪爬升、涌浪回流。

e）運用理論公式法得到的涌浪高度結果和使用FlOW-3D軟件進行數值模擬計算得到的涌浪高度結果較相近，所以FlOW-3D數值模擬方法得到的結果較可靠。

本文僅討論了瀑布溝庫首右岸拉裂變形體支護加固前可能形成的不同規?；?，并進行滑坡涌浪模擬，對于支護加固后拉裂變形體的穩定性有待后期作進一步研究。

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（責任編輯：高天揚）