袁培銀，王平義，趙 宇,3

(1. 重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074； 2. 重慶交通大學(xué) 航運與船舶工程學(xué)院，重慶 400074； 3. 重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

山區(qū)河道地形及水域情況復(fù)雜，如遇到多發(fā)暴雨天氣、強震、高低水位變化會使邊坡抗滑穩(wěn)定能力降低[1]，滑坡數(shù)量急劇增加，滑坡體失穩(wěn)高速入水，進而產(chǎn)生能量較大的涌浪，并以入水點為源點向河道上游、下游傳播，引起河道水域自由面大面積的變化和水質(zhì)點的高速運動[2-3]?；麦w剝離下滑[4]，不僅僅要考慮其自身攜帶的能量，還要考慮滑坡體引起的涌浪災(zāi)害，當(dāng)攜帶較大能量的涌浪撞擊水工結(jié)構(gòu)物及航行船舶時，會對其造成嚴(yán)重毀壞。

1963年，約2.4×108m3的巖土體以30 m/s的速度滑入意大利瓦依昂水庫，水庫內(nèi)掀起250 m高的巨大涌浪，滑坡涌浪前端伴有巨大沖擊浪和氣浪，將大壩內(nèi)所有的建筑物摧毀，涌浪并以超出壩頂約100 m高度沖入下游，引起大壩下游洪水災(zāi)害[5-6]。1982年7月17日，由于連日特大暴雨和長江水位迅速上漲，三峽庫區(qū)內(nèi)發(fā)生大體積的山體滑坡，滑坡前緣向長江內(nèi)橫向移動的距離約為50 m，航道過水?dāng)嗝婕眲p小，船舶航行到此區(qū)域易造成擱淺及撞岸現(xiàn)象[7]。2003年7月，長江支流清干河發(fā)生巨大規(guī)模的山體滑坡，將河流分離成兩大部分，滑坡體下滑入水時產(chǎn)生巨大的滑坡涌浪，造成大規(guī)模的經(jīng)濟損失[8]。

由于滑坡涌浪巨大的危害，基于經(jīng)驗公式、物理模型試驗及數(shù)值模擬分析為手段，國內(nèi)外學(xué)者開展相關(guān)的研究。H.M.FRITZ等[9]通過物理模型試驗，重點研究了特征參數(shù)對滑坡涌浪的影響，并分析了滑坡涌浪引起的流場變化；R.F.DE-CARVALHO等[10]通過模型試驗研究了涌浪各因素對岸邊壓力大小的影響；B.ATAIE-ASHTIANI等[11]通過大量物理模型試驗，對比分析了滑坡涌浪波高、周期、振幅等波浪要素的差別；M.DI-RISO等[12]通過物理模型試驗，深入研究滑坡涌浪的流場特點，對比分析流場的差異。

滑坡涌浪影響因素較多，不確定性很大，多發(fā)滑坡涌浪嚴(yán)重危害到船舶通航及沿岸城市安全。為更加科學(xué)、完善認識滑坡涌浪，研究滑坡體與滑坡涌浪的相互作用、相互影響具有重要意義。筆者針對滑坡體高速入水和滑坡涌浪生成過程，采用物理模型試驗方法，分析了不同變量參數(shù)對滑坡涌浪特性的不同影響效果，其研究結(jié)果能為滑坡涌浪預(yù)報和防范提供科學(xué)依據(jù)。

1 模型試驗設(shè)計

模型試驗主要目的是通過實測結(jié)果，分析滑坡涌浪在河道內(nèi)的傳播特性，有效、正確的評價巖體滑坡涌浪所引起的地質(zhì)災(zāi)害問題，進而采取積極有效措施預(yù)防。筆者對原型數(shù)據(jù)資料進行分析，相關(guān)模型試驗在重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心進行，選擇三峽庫區(qū)分布范圍廣，危害較大的中型巖體滑坡進行研究。根據(jù)三峽水庫防洪水位145 m、正常蓄水位175 m及枯水期最低水位155 m，確定試驗?zāi)Ｐ退睢?/p>

1.1 縮尺比

滑坡體高速下滑，是由重力作用、岸坡失穩(wěn)等原因共同造成。試驗過程中，為保證原型與模型具有相同物理現(xiàn)象，需按照重力相似準(zhǔn)則進行設(shè)計，其表達式如式(1)～(4)：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：λl、λv、λt、λF、λm、λg依次表示幾何比尺、速度比尺、時間比尺、力比尺、質(zhì)量比尺、重力加速度比尺。

1.2 河道模型及測量點選取

河道模型依托于重慶萬州區(qū)江南沱口碼頭河段，河道斷面為梯形，直道段采用概化模擬，彎道概化為90°拐角。為獲得原型與模型的物理現(xiàn)象相似，必須要滿足幾何相似、運動相似和動力相似，模型幾何比尺的確定主要從滑坡體幾何尺寸考慮，結(jié)合試驗條件及試驗可操作性考慮，將模型的幾何比尺選取為1:70，經(jīng)驗證最小水深及雷諾數(shù)均滿足要求。

河道模型采用斷面法制作并對河底地形進行合理概化，布置7個監(jiān)測點用于監(jiān)測河道內(nèi)初始涌浪高度及沿程涌浪高度，1～3號監(jiān)測點位于滑坡點的滑坡斷面上，為便于精準(zhǔn)監(jiān)測到滑坡體產(chǎn)生的初始涌浪高，且為避免滑塊撞擊到波高儀，故選取距入水點0.5 m處作為1號點的監(jiān)測位置。2號點在航道的中軸線處，3號點的設(shè)置在距離岸邊1.4 m位置，盡量滿足波高儀的最低入水深度要求，4、5號點位于同一斜截面，用于監(jiān)測直線航道的涌浪情況，6、7號點位于同一斜截面，用于監(jiān)測彎曲航道的涌浪情況。其中，3、4、6號點位于相同半徑的圓弧上，5、7號點也位于相同半徑的圓弧上，其目的是分析河道地形對滑坡涌浪的影響研究。河道概化模型及滑坡涌浪監(jiān)測點位置，如圖1。

圖1 河道模型及測量點選取Fig. 1 Selection of channel model and measuring points

1.3 滑槽設(shè)計

滑槽利用鐵質(zhì)材料制作成型，滑槽的長度為2 m，滑槽的寬度可由0.5 m調(diào)整到1.5 m。為保證滑坡體下滑條件相同，將滑槽底部平板打磨拋光。

1.4 測量儀器

測量儀器采用自主研發(fā)設(shè)計的超聲波浪采集分析儀，可采集不同監(jiān)測點的最大波高、最大周期、有義波高和有義周期。試驗過程中，設(shè)備的采集時間為50 s，采集頻率為50 Hz。河道內(nèi)布置儀器測量涌浪特性，儀器經(jīng)過測試，具有較好的適應(yīng)性及精度。

1.5 試驗工況

結(jié)合原型觀測資料及巖體滑坡模型設(shè)計考慮因素，試驗采用單因子試驗方案，主要以滑坡體的寬度、厚度及地形為變量，在淺水情況下更易形成較大的浪高， 試驗水深選取為0.74 m，主要模擬庫區(qū)沿岸土體在高水位浸泡下發(fā)生山體滑坡，為試驗工況共7種，考慮試驗過程中研究區(qū)域的下滑阻力，每種工況進行3組試驗，第1組試驗確定波高儀的位置；第2、3組試驗測得滑坡涌浪各監(jiān)測點的波高值，并將兩組數(shù)據(jù)的平均值作為試驗的研究結(jié)果，具體試驗工況如表1。

表1 試驗工況Table 1 Test conditions

2 初始涌浪傳播特性研究

滑坡體以一定速度下滑，將自身動能傳遞給靜止水體，水體受到擠壓，表層水體受到滑塊沖擊作用，形成水舌向前推進，滑坡體下滑的同時，滑坡體尾部形成空腔，尾部周圍水體在重力作用下，快速進入空腔將其填滿，導(dǎo)致水體間快速作用形成水花團，水花團相互碰撞導(dǎo)致能量快速減小，部分能量繼續(xù)向前傳遞，從而形成涌浪，傳播過程如圖2。滑坡涌浪傳播過程極為復(fù)雜，從本岸到對岸的橫向傳播，沿著河道內(nèi)衰減的縱向傳播，如圖3。

由圖3可看出：滑坡體在自重、彎矩作用下，大規(guī)模、快速的整體失穩(wěn)下滑，5 s前河道內(nèi)各監(jiān)測點水位值變化幅值很小，水面為平穩(wěn)狀態(tài)；隨著時間歷程的增加，滑坡體高速滑入河道內(nèi)，下滑過程中，滑坡體分裂成許多不同類型的小滑塊，水體受到滑坡體擠壓，引起大尺度紊流，水體迅速升高，右側(cè)水體與滑坡體分離，滑坡體繼續(xù)下滑，水體中的大量空氣在滑坡體右側(cè)形成空腔，進一步抬高水體表面，水質(zhì)點彼此牽連，滑坡涌浪迅速達到峰值。短時間內(nèi)，滑坡涌浪出現(xiàn)較大的波谷，滑坡涌浪表現(xiàn)出明顯的不對稱性，初始涌浪波峰最大值為1.638 cm，實際涌浪波峰最大值為1.147 m，波谷最大值為2.351 cm，實際波谷最大值為1.646 m，波峰及波谷出現(xiàn)以后，波浪能量迅速衰減，水體能量耗散，試驗過程中觀測到河道內(nèi)氣泡逐步發(fā)生破碎，滑坡涌浪的非對稱性越來越不明顯，水面逐漸平靜，滑坡涌浪在岸邊有疊加、壅高現(xiàn)象?；掠坷怂p過程可分為兩部分，第1部分為急劇衰減區(qū)，該區(qū)域是滑坡涌浪災(zāi)害區(qū)，該區(qū)域波長較短，波陡較大；第2部分為平緩衰減區(qū)，該區(qū)域內(nèi)浪高表現(xiàn)為起伏下降，該區(qū)域滑坡涌浪波長逐漸變大。因此，實際工程中滑坡涌浪災(zāi)害預(yù)防，應(yīng)該集中關(guān)注滑坡涌浪首浪對水工結(jié)構(gòu)物作用，也要防止波浪爬高超過堤壩，造成堤壩漫溢。

根據(jù)特征波的概念及模型試驗實測結(jié)果，分析模型試驗最大波高和實際最大波高如表2。

表2 最大初始涌浪波高統(tǒng)計Table 2 Statistics of maximum initial surge wave height

3 滑坡變量對滑坡涌浪影響研究

滑坡體沿著斜面加速下滑，下滑過程中持續(xù)時間短，河道內(nèi)自由液面發(fā)生變化，滑坡涌浪傳播過程多變，不可忽略滑坡體屬性、河道地形、斷面形狀，彎曲程度，模型寬厚比的影響。

3.1 滑坡體寬度對滑坡涌浪影響研究

陳里[2]選擇相同體積滑坡體下滑，對不同滑面角度下的最大首浪高度進行對比分析。隨著滑面角度增加而增加，結(jié)合試驗條件，筆者選取滑面傾角為40°，試驗?zāi)Ｐ偷退凰顬?.74 m，滑坡體的長度為定值1 m，滑坡體寬度根據(jù)滑槽擋板的范圍進行調(diào)節(jié)，寬度分別為0.5、1.0、1.5 m；以滑坡體寬度為變量，研究滑坡體寬度對滑坡涌浪的影響規(guī)律，分析河道內(nèi)不同位置處水位值的變化趨勢。

通過試驗觀測到：滑坡涌浪是以入水點為源點迅速向四周傳播，呈扇形形式，傳播過程中伴隨飛濺、融合現(xiàn)象，滑坡涌浪傳遞到對岸形成顯著反射波，如圖4。

圖4 2號監(jiān)測點水位值變化曲線Fig. 4 Water level of monitoring point No.2

從圖4可得出：河道水深、下滑傾角、滑坡體入水速度及滑坡體到達底部時間相同，滑坡涌浪最大浪高值與滑體寬度成線性增加趨勢；滑坡體寬度越大，滑坡涌浪寬度越大，涌浪能量向外擴散，激發(fā)涌浪傳播速度越快，可能造成的翻壩流量越大。工況7產(chǎn)生滑坡涌浪高度最大，工況5次之，工況1最小，滑坡體寬度越大，滑坡體與水體的能量交換越充分，滑坡體下滑的能量損失越小，試驗過程中觀測到滑坡體入水形成氣腔，隨著滑坡體入水深度的增加，氣體氣腔逐漸減小、消失，回涌水體沖擊到左側(cè)岸邊邊界也具有一定的波浪爬高。

3.2 滑坡體厚度對滑坡涌浪影響研究

滑面傾角為40°，試驗?zāi)Ｐ退顬?.74 m，滑坡體長度及寬度為定值，滑坡體厚度分別為0.2、0.4、0.6 m，筆者研究了滑坡體厚度對滑坡涌浪的影響規(guī)律，如圖5。

圖5 2號監(jiān)測點水位值變化曲線Fig. 5 Change curve of water level value at monitoring point 2

由圖5可看出：不同體積的滑坡體下滑，模型試驗結(jié)果具有一定程度差別，不同厚度的滑坡體沿著滑坡面高速下滑，產(chǎn)生滑坡涌浪特性基本一致，具有相似特征，相同的變化性質(zhì)，表現(xiàn)出明顯的不對稱性、無規(guī)則性，隨著巖質(zhì)滑坡體厚度的增加，滑坡體體積分別為0.1、0.2、0.3 m3。其體積越大，激發(fā)滑坡涌浪傳播速度越快，滑坡涌浪高度越大，初始能量越大，滑坡體下滑過程中傳遞水體的能量越大，對下游危害性也越大，工況3在2號監(jiān)測點產(chǎn)生的最大浪高值最大，工況2次之，工況1最小。這3種工況下滑坡涌浪在對岸產(chǎn)生的疊加效果明顯，沿程涌浪在傳播過程中，不規(guī)則變化，緩慢衰減，滑坡涌浪傳遞到對岸，逐步退水。

3.3 河道地形對滑坡涌浪影響研究

2、4、6號測點的布置在以滑坡體入水點為圓心，2.8 m為半徑的圓弧上，這3個監(jiān)測點分別位于直線航段處、滑坡點滑坡軌跡延長線處和彎曲航段處。筆者對滑坡涌浪船舶過程進行分析，如圖6。

圖6 工況6各監(jiān)測點的水位值變化曲線Fig. 6 Change curve of water level value of each monitoring point in case 6

由圖6可看出：滑坡體瞬時下滑可引發(fā)一定程度的涌浪，雖然3個監(jiān)測點到滑坡入水點的距離相同，但各監(jiān)測點的水位變化情況截然不同。由于2號監(jiān)測點布置于滑坡斷面處，受河道彎曲影響較小，滑坡涌浪動壓力對該平面貢獻較大，2號監(jiān)測點先達到滑坡涌浪峰值，6號點次之，滑坡涌浪向?qū)Π秱鞑?，波高衰減慢，滑坡涌浪向兩側(cè)傳播，波高衰減快；隨著時間歷程的發(fā)展，這3種工況下的波幅由高變低，波形從細變寬，且越來越光滑，滑坡涌浪在傳遞過程中，如遇到地形變窄區(qū)域，涌浪高度則明顯增加，呈現(xiàn)疊加放大效應(yīng)，滑坡涌浪傳播過程中會出現(xiàn)雙波峰，且第2個波峰明顯小于第1個波峰。

試驗過程中，3、5、7號測點的布置以滑坡體入水點為圓心，5.4 m為半徑的圓弧上，3個監(jiān)測點分別對位于直線航段處、滑坡點滑坡軌跡延長線處和彎曲航段處，如圖7。

圖7 工況6各監(jiān)測點水位值變化曲線Fig. 7 Change curve of water level value of each monitoring point in case 6

從圖7可看出：雖然這3個監(jiān)測點到滑坡入水點的距離相同，但各監(jiān)測點的水位變化情況截然不同，滑坡涌浪在推進過程中不斷變形，引起水體運動的不穩(wěn)定。由于3號監(jiān)測點布置于滑坡斷面處，受河道彎曲影響較小，3號監(jiān)測點先達到滑坡涌浪峰值，5號點次之；7號測點位于河道的彎曲段，距離岸邊較近，受河道反射波影響較大，出現(xiàn)第2次峰值。3種工況下滑坡涌浪的衰減區(qū)分為急劇衰減區(qū)與緩慢衰減區(qū)，急劇衰減區(qū)涌浪的衰減符合指數(shù)衰減規(guī)律，緩慢衰減區(qū)的衰減符合沿程水頭損失規(guī)律。從圖5、6可看出：距離滑坡涌浪源越近，衰減趨勢越明顯。通過滑坡涌浪沿著地形的傳播特性可知：在這3種工況下，沿程涌浪是一個逐漸衰減過程，可用來分析航道預(yù)警區(qū)域，為船舶安全航行提供參考依據(jù)。

4 結(jié) 論

筆者針對高陡岸坡巖土體高速入水所產(chǎn)生的災(zāi)害性極大的滑坡涌浪問題，以物理模型手段為基礎(chǔ)，分析了滑坡涌浪初始涌浪及沿程涌浪的傳播特征，研究了滑坡涌浪不規(guī)則的變化特性，得到如下結(jié)論：

1)滑坡涌浪初始涌浪波峰及波谷較陡，表現(xiàn)出明顯的非對稱性，地形地貌、距涌浪源距離、滑坡體寬厚比等參數(shù)直接影響最大涌浪高度；

2)滑坡體寬度越大，滑坡體與水體的能量交換越充分，滑坡體下滑能量損失越小，滑坡涌浪高度越大；

3)滑坡體厚度越大，滑坡體體積越大，滑坡體下滑能量越大，滑坡涌浪高度越大；實際工程中應(yīng)注意滑坡引起庫水沖擊壓力對岸坡的影響；

4)滑坡涌浪在河道不同水域，空間水體被擠壓、抬高的程度不同，傳播速度及涌浪高度也具有明顯區(qū)別。