胡杰龍,王平義,喻 濤,曹 婷,程志友

(1.重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室,重慶 400074;2.重慶交通大學國家內河航道整治工程技術研究中心,重慶 400074;3.重慶交通大學航運與船舶工程學院,重慶 400074)

三峽庫區(qū)地處我國地形第二階梯和第三階梯的過渡帶,地跨川東丘陵區(qū)和川鄂低中山峽谷區(qū),當?shù)氐刭|條件復雜,暴雨以及洪水經(jīng)常發(fā)生,是我國最容易發(fā)生地質災害的地區(qū)之一,其中最常見的兩種災害是滑坡和崩塌[1]。隨著我國航運事業(yè)的發(fā)展，特別是在三峽水庫蓄水以來,受水庫調度影響，水位經(jīng)常發(fā)生較大變化,誘發(fā)庫區(qū)滑坡頻繁發(fā)生,滑坡形成的涌浪具有巨大的能量,會對庫區(qū)岸坡造成巨大的沖刷破壞,嚴重影響岸坡的穩(wěn)定性和航道通行的安全性。

國內外學者很早就對岸坡沖刷以及滑坡涌浪災害進行了研究。在岸坡沖刷方面,Osman等[2]早期進行了侵蝕堤岸的簡單土坡穩(wěn)定分析,建立了Thome模型,但該模型缺點是簡單土坡的幾何剖面與自然侵蝕堤岸的幾何剖面不相符。同時,Osman等[3]考慮河流沖刷對岸坡幾何形狀改變,包括河流對岸坡的側向侵蝕和對河床的沖深,建立了Osman-Thome模型,將河流沖刷對堤岸的影響和堤岸邊坡穩(wěn)定分析進行了較好的結合。Darby[4]在研究岸坡受力過程中分析了靜水壓力以及孔隙水壓力對岸坡的影響,在Osman-Thome模型基礎上建立了Darby-Thome模型,該模型的不足是假設的崩滑體形狀特殊,不一定符合實際情況,且模型參數(shù)過多,部分參數(shù)難以在工程中準確測量,在實際使用中有諸多不便。范云沖等[5]研究表明岸坡的破壞主要是由波浪對岸坡的沖刷、搬運以及堆積造成的。程昌華等[6]以物理模型試驗為基礎,分析得出岸坡變形與波高、岸坡坡度和岸坡土質之間的關系。程昌華等[7]通過概化模型試驗,初步研究了波浪特性對岸坡的影響。蔡曉禹等[8-9]研究了波浪對散體岸坡沖刷破壞的機理以及三峽庫區(qū)風成浪對岸坡的侵蝕作用。于玉貞等[10]等通過水槽試驗分析了滲流作用下岸坡沖刷變形。以上研究都是基于庫岸附近的水動力特性或者在規(guī)則波作用下岸坡的沖刷破壞情況,沒有考慮具有強破壞性的水動力特性以及波浪的疊加反射等復雜情況。在滑坡涌浪災害方面,黃錦林[11]通過物理模型試驗研究了庫岸滑坡涌浪對壩體的影響,提出了涌浪壓力計算模型。楊艷[12]運用物理模型試驗和數(shù)值模擬相結合的方式,研究了山區(qū)河道型水庫滑坡涌浪對架空直立式碼頭結構的影響。王平義等[13-15]通過物理模型試驗研究了山區(qū)彎曲河道型水庫滑坡涌浪對船舶系纜力和船舶撞擊力的影響。羅超等[16-18]通過數(shù)值模擬計算了滑坡涌浪對其他結構物的影響。趙蘭浩等[19]歸納總結了邊坡滑動過程以及涌浪產生過程的數(shù)值模擬方法的研究成果,提出要在現(xiàn)階段獨立研究的基礎上融合固體力學和流體力學的相關研究方法,建立庫區(qū)滑坡涌浪全程數(shù)值模擬方法,實現(xiàn)滑坡涌浪的全過程模擬。馬鑫磊等[20]在歸納總結大量國內外滑坡涌浪災害預測評價方法的基礎上,將滑坡涌浪的災害預測評價方法分為4類,并根據(jù)各種預測評價方法的研究現(xiàn)狀、局限性以及發(fā)展趨勢提出建立滑坡涌浪災害影響范圍評估預警系統(tǒng),為滑坡涌浪評價提供初始判據(jù)。上述滑坡涌浪災害研究都是針對滑坡涌浪對航道整治建筑物、碼頭以及船舶的影響,很少涉及對岸坡沖刷的影響。

綜上所述,國內外對于滑坡涌浪這種復雜的強災害性波浪對庫區(qū)岸坡的破壞研究還很少,基于此,本文結合實際工程通過物理模型試驗,研究在滑坡涌浪作用下岸坡整體的沖刷特性,以及對岸坡造成的最大沖刷深度,以供三峽庫區(qū)岸坡穩(wěn)定性研究參考。

1 模型試驗設計

1.1 滑坡體模型設計

試驗以萬州江南沱口碼頭河段為原型,為使得原型和模型中物理現(xiàn)象相似,必須滿足幾何相似、重力相似和運動相似3個條件。根據(jù)統(tǒng)計資料得到的滑坡體幾何尺寸以及試驗條件和試驗可操作性確定幾何比尺為1∶70。根據(jù)1∶70的幾何比尺將該河段概化為長52m、寬8m的彎曲河道。根據(jù)巖體滑坡實測資料中幾何形態(tài)統(tǒng)計資料,考慮到試驗條件限制和操作的方便性,試驗擬定滑坡體長度為1 m,通過不同滑坡體寬厚比控制滑坡體的體積,結合庫區(qū)滑坡體寬厚比統(tǒng)計資料選取3種不同的寬度和厚度,得到概化滑坡體幾何參數(shù)如表1所示。

表1 概化滑坡體幾何參數(shù) m

通過對庫區(qū)滑坡區(qū)域滑面傾角的資料統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，滑坡滑面傾角在20°～ 60°之間,平均為36°,因此滑坡滑面傾角取為20°、40°和60°。

巖質滑坡體由巖石塊體和塊體之間的空隙與空區(qū)組成,因此在結構形式上根據(jù)統(tǒng)計資料將滑體散體化,對滑坡體采用散體模擬時,確保其密度相似。采用5種不同尺寸但塊體長度、寬度和厚度滿足1∶0.667∶0.333比例的矩形塊體經(jīng)過不同的排列組合來實現(xiàn)巖質滑坡體的離散和裂隙情況的模擬,塊體規(guī)格如表2所示。

表2 概化滑坡體塊體尺寸 cm

滑坡體的寬度通過寬度可以變化的鐵質滑槽來控制,可變范圍為0.5～1.5 m?；鄣撞磕Σ烈驍?shù)和滑坡體原型基本相似?；麦w模型如圖1所示。

圖1 滑坡體模型

1.2 岸坡模型設計

三峽庫區(qū)為一狹長河谷,位于長江上游宜昌三斗坪至重慶江津之間。經(jīng)調查,三峽庫區(qū)的古滑坡體或松散邊坡大部分由砂土、碎石和塊石組成[21-22]。根據(jù)幾何相似、重力相似原則,按照1∶70的比尺進行岸坡模型設計,試驗岸坡分別采用<0.25 mm、1～5 mm、5～10 mm 3種不同粒徑的砂來模擬砂質岸坡、碎石質岸坡和塊石質岸坡。岸坡整體寬度為105 cm,分成3部分,長度為108 cm,坡度為20°,如圖2、圖3所示。岸坡沖刷模型如圖4所示。

圖2 岸坡模型橫剖面(單位:cm)

圖3 岸坡模型縱剖面(單位:cm)

圖4 岸坡沖刷模型

1.3 滑坡體和岸坡位置設計

模型試驗平面布置見圖5,滑坡體處于河道凹岸的直道段處(緊鄰彎段),岸坡處于滑坡體的正對面,模型岸坡的最前端距離滑坡體入水點5.62 m,模型岸坡最后端與河岸距離為0.18 m。

圖5 模型試驗平面布置示意圖(單位:m)

1.4 試驗工況設計

三峽庫區(qū)正常蓄水位175 m,枯水期消落水位155 m,汛期防洪限制水位145 m。在三峽庫區(qū)中,庫區(qū)水深遠遠大于巖質滑坡體的幾何尺寸,在滑坡體入水時,固液能量交換過程中富裕水深充足,在滑坡體產狀和滑面傾角相同的情況下,即滑坡體重心高度一定、滑坡體重力勢能一定時,水深增加,滑坡體勢能(相對靜水面)就相對減小,滑坡體入水時的動能也就相應減小,固液能量交換后,波能也就相對減小,涌浪高度也就減小,所以對岸坡的沖刷就會相對減輕。相關研究[23-26]也證明了上述理論的正確性。為了更加清楚地觀察涌浪對岸坡的沖刷現(xiàn)象,試驗水深按三峽水庫防洪限制水位145 m控制,結合實際地形,按照1∶70的幾何比尺設計試驗水位為0.74 m。通過統(tǒng)計分析庫區(qū)滑坡體產狀資料,選擇滑坡體寬度、厚度、滑面傾角3個參數(shù)進行滑坡體產狀設計。最終試驗設計為三因素三水平完全試驗,共27組試驗方案,影響因素設計如表3所示。

表3 影響因素設計

1.5 試驗量測系統(tǒng)

試驗波高采用重慶西南水運工程科學研究所自主研發(fā)的UBL-2型超聲波浪采集分析儀測量,采集時間為200 s,采集頻率為50 Hz。采用高清攝像機拍攝岸坡受涌浪沖刷的過程。

2 試驗結果與分析

經(jīng)過對試驗錄像的觀察和分析,發(fā)現(xiàn)滑坡產生的涌浪對岸坡的沖刷大致可分為入射、上爬和回落3個階段。涌浪從滑坡入水點傳至岸坡處,因為水深逐漸變淺導致波陡不斷增大,最終波浪破碎形成射流對岸坡造成很大的沖擊。波浪破碎后會在岸坡表面形成上爬水流,岸坡表面的砂受到拖曳力和上舉力作用。波谷時段,波浪開始回落,形成沿坡面方向的坡面水流。3個階段中涌浪的入射以及回落是造成岸坡沖刷的主要原因。砂顆粒在涌浪上爬時所受的作用力很小,涌浪破碎形成的射流使砂顆粒起動,涌浪在岸坡表面回落時會帶走起動的砂顆粒,最終造成岸坡的沖刷。

2.1 滑坡涌浪作用下岸坡沖刷特性

影響岸坡沖刷的因素很多,如岸坡的傾角、岸坡的組成粒徑、滑坡體的產狀(體積、寬度、厚度、滑面傾角)、滑坡入水點到岸坡的距離等。本文主要研究岸坡組成、滑坡體體積和滑面傾角對岸坡沖刷的影響。以靜水面處為零點,測量沿岸坡平面上下20 cm范圍內的沖刷深度,規(guī)定向上為正方向,向下為負方向,沖刷為負值,淤積為正值。

2.1.1 岸坡組成對岸坡沖刷特性的影響

圖6為相同滑坡體體積(0.9 m3)、寬度(1.5 m)、厚度(0.6 m)、滑面傾角(60°)情況下產生的涌浪對砂質、碎石質和塊石質岸坡的沖刷情況。

圖6 不同巖質岸坡沖刷深度對比

由圖6可以看出,在滑坡產狀相同的情況下,砂質和碎石質岸坡具有比較明顯的沖刷特征,且兩者的沖刷特征基本一致,這是因為在靜水面上下20 cm的范圍內,滑坡產生的涌浪在兩種岸坡沿程的變化規(guī)律基本一致,這從另一方面說明兩種岸坡顆粒間的密度都是比較均勻的。由圖6還可以看出碎石質岸坡要比砂質岸坡平均沖刷深度大一些,這是因為碎石質岸坡組成粒徑大,孔隙率要比砂質岸坡大,受水的浮托力大,抗剪強度大大降低,所以在受到滑坡涌浪的打擊壓力時變形比砂質岸坡大。經(jīng)過多組試驗發(fā)現(xiàn),塊石質岸坡只有在滑坡體體積大而且滑面傾角大時才會形成沖刷,且沒有比較明顯的沖刷特性,只在岸坡某個部位形成具有一定范圍的沖刷坑,且沖刷坑的部位和大小也沒有規(guī)律。這是因為塊石質岸坡塊石之間的嵌鎖力和自身重力比較大,當滑坡體體積小、滑面傾角小時產生的涌浪造成的沖擊力不足以造成塊石顆粒的啟動,且塊石之間的黏滯力很小,所以沖刷特性不明確,只會在某一大的射流情況下出現(xiàn)一個沖刷坑?；诖?本文著重研究砂質和碎石質岸坡的沖刷特性。

2.1.2 滑坡體產狀對岸坡沖刷特性的影響

圖7為相同滑面傾角(60°)情況下,0.3 m3、0.6 m3、0.9 m33種體積滑坡體產生的涌浪對岸坡的沖刷特性。圖8為相同體積(0.9 m3)、寬度(1.5 m)、厚度(0.6 m)的情況下,20°、40°、60° 3種滑面傾角滑坡體產生的涌浪對岸坡的沖刷特性。

圖7 不同滑坡體體積時岸坡沖刷特性

圖8 不同滑坡體滑面傾角時岸坡沖刷特性

通過觀察圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn),滑坡體體積和滑面傾角發(fā)生變化時,岸坡的沖刷特性基本相同,由此可以得知滑坡體產狀變化只是對岸坡的沖刷深度大小有影響,對岸坡的沖刷特性基本沒有影響。

2.1.3 岸坡沖刷防護的范圍

由前可知,在岸坡結構不變的情況下,岸坡受滑坡涌浪沖刷的特性基本相同。實踐中可以通過觀察每次滑坡產生的涌浪對岸坡沖刷比較嚴重的部位以確定需要防護的范圍,這樣不但能夠防止岸坡破壞,而且能夠最大程度地節(jié)約投資。選取不同體積的滑坡體分析滑坡體體積對岸坡沖刷范圍的影響,結果如圖9所示。

圖9 岸坡沖刷范圍

從圖9可以看出,在靜水面上下10 cm范圍內,岸坡沖刷比較嚴重,且在靜水面處沖刷最嚴重。按照比尺換算,沿岸坡在靜水面上下7 m范圍內要注意防護,在靜水面處要重點防護。

2.2 滑坡涌浪作用下岸坡最大沖刷深度分析

前文分析得到岸坡需要進行維護的范圍,但現(xiàn)實中除了岸坡的大范圍破壞外,如果岸坡的某個部位具有很大的沖刷深度,也會使岸坡失去正常使用功能,所以分析造成岸坡最大沖刷深度的影響因素是很有必要的。

2.2.1 滑坡體寬度對最大沖刷深度的影響

以滑坡體寬度為變量,對9組相同厚度(0.6 m)和相同滑面傾角(60°)的滑坡體在寬度分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m情況下產生的涌浪對岸坡最大沖刷深度的影響進行對比分析,結果如圖10所示。

圖10 不同寬度時最大沖刷深度對比

由圖10可知,在滑坡體厚度和滑面傾角相同的情況下,滑坡體寬度越大，對岸坡造成的最大沖刷深度也越大。這是因為滑坡體寬度越大,滑坡體下滑入水時,在能量交換過程中,固液有效接觸面越大,滑坡體動能轉換成的波能越大,產生的涌浪對岸坡的沖擊能量越大,導致岸坡最大沖刷深度也就越大。

2.2.2 滑坡體厚度對最大沖刷深度的影響

以滑坡體厚度為變量,對9組相同寬度(1.5 m)和相同滑面傾角(60°)的滑坡體在厚度分別為0.2 m、0.4 m、0.6 m情況下產生的涌浪對岸坡最大沖刷深度的影響進行對比分析,結果如圖11所示。

圖11 不同厚度時最大沖刷深度對比

由圖11可知,在滑坡體寬度和滑面傾角相同的情況下,滑坡體厚度越大,對岸坡造成的最大沖刷深度也越大。這是因為滑坡體厚度越大,滑坡體整體重心越高,滑坡體勢能越大,當滑坡體入水時,所轉化的波能越大,對岸坡的沖擊能量也越大,岸坡最大沖刷深度就越大。

2.2.3 滑坡體滑面傾角對最大沖刷深度的影響

以滑坡體滑面傾角為變量,對9組相同寬度(1.5 m)和相同厚度(0.6 m)的滑坡體在滑面傾角分別為20°、40°、60°情況下產生的涌浪對岸坡最大沖刷深度的影響進行對比分析,結果如圖12所示。

圖12 不同滑面傾角時最大沖刷深度對比

由圖12可知在滑坡體體積比較大的情況下,滑面傾角為40°時,岸坡最大沖刷深度最大。在滑坡體體積比較小的情況下,滑面傾角為60°時,岸坡最大沖刷深度最大。這是因為滑坡體體積大、滑面傾角為60°時,滑坡體以很快的速度入水,激起大量波浪且浪高都比較高,損失很大一部分能量;而當傾角為40°時,雖然入水時滑坡體動能沒有60°時大,但是其損失的能量小,最后轉換成的波能比60°時大,所以對岸坡的沖擊能量更大,造成的最大沖刷深度更大。在滑坡體體積較小時,滑坡體入水損失的能量都比較小,這時滑面傾角越大,滑坡體動能越大,最終轉換成的波能越大,造成的岸坡最大沖刷深度越大。

2.2.4 最大沖刷深度的回歸分析

庫區(qū)水深越大,滑坡造成的涌浪高度越小,滑坡體產生的波能越小,對岸坡的破壞能力也越小,因此從工程安全角度出發(fā),本文僅擬合在枯水位下滑坡涌浪對岸坡最大沖刷深度的經(jīng)驗公式。由上文分析可知,岸坡的最大沖刷深度受滑坡體寬度w、厚度t以及滑面傾角β的影響,試驗中滑坡體的厚度是主要控制參數(shù),因此對最大沖刷深度H及各個影響參數(shù)進行無量綱化處理,得到H/t、w/t、β(弧度制)3個參數(shù)用于擬合經(jīng)驗公式。

對砂質岸坡采用線性函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)進行多元線性回歸,可以得到以下3個岸坡最大沖刷深度的經(jīng)驗公式:

(1)

(2)

(3)

采用式(1)(2)(3)計算所有工況下岸坡最大沖刷深度,并與試驗值進行對比,結果見圖13。

圖13 砂質岸坡最大沖刷深度經(jīng)驗公式計算值與試驗值對比

對碎石質岸坡用線性函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)進行多元線性回歸,可以得到以下3個最大沖刷深度的經(jīng)驗公式:

(4)

(5)

(6)

滑坡體入水后在入水點處產生的最大波高為初始涌浪高度。初始涌浪高度的大小在一定程度上反映了滑坡產生涌浪能量的大小及涌浪破壞能力的強弱,因此可以把初始涌浪高度作為衡量涌浪災害的指標。為了驗證經(jīng)驗公式的可行性和正確性,對影響初始涌浪高度的3個參數(shù)進行了分析,滑坡體寬度、厚度以及滑面傾角對初始涌浪高度影響的試驗結果表明,當其他因素相同時滑坡體寬度越大,初始涌浪高度越大;當其他因素相同時滑坡體厚度越大,初始涌浪高度越大;當其他因素相同時,在滑坡體體積比較大的情況下,滑面傾角為40°時,初始涌浪高度最大,在滑坡體體積比較小的情況下,滑面傾角為60°時,初始涌浪高度最大。初始涌浪高度受滑坡體寬度、厚度以及滑面傾角等因素影響的變化規(guī)律和岸坡最大沖刷深度的變化規(guī)律一致。試驗結果分析表明,岸坡最大沖刷深度和初始涌浪高度呈線性關系?？梢姲镀伦畲鬀_刷深度經(jīng)驗公式是可行和正確的。

3 結 論

a. 砂質和碎石質岸坡的沖刷特性基本一致,碎石質岸坡平均沖刷深度比砂質岸坡大;塊石質岸坡只有在滑坡體體積大且滑面傾角大時才會形成沖刷,且沒有比較明顯的沖刷特性?；麦w產狀變化只對岸坡的沖刷深度大小有影響,對岸坡的沖刷特性基本沒有影響。岸坡需要在靜水面上下7 m范圍內進行防護,在靜水面和岸坡接觸的部位要重點防護。

b. 滑坡體寬度和厚度越大,對岸坡造成的最大沖刷深度越大;在滑坡體體積比較大的情況下,岸坡沖刷深度在滑坡體滑面傾角為40°時最大,在滑坡體體積比較小的情況下,岸坡沖刷深度在滑坡體滑面傾角為60°時最大。通過多元回歸分析得到了計算砂質和碎石質岸坡最大沖刷深度的經(jīng)驗公式。

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