山区河道型水库滑坡涌浪爬高试验研究
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摘要：以三峡库区大型滑坡为研究对象，通过水槽概化模型试验，得到滑坡涌浪爬高随滑坡体宽度与厚度、滑动面倾角、水深等因素的变化规律；采用多元回归分析，得出爬高与初始浪高、水深、爬高测量点与滑坡体的入水点距离、岸坡坡度的经验计算公式，计算值与实测值较吻合。研究成果可为滑坡涌浪灾害的预测预警提供科学依据。
关键词：三峡水库；滑坡涌浪；模型试验；涌浪爬高；涌浪灾害
中图分类号：TV142文献标志码：A文章编号：
1672-1683（2015）001-0099-03
Experimental research on landslide surge run-up of the river―channel type reservoir in mountainous area
YANG Rui，WANG Ping-yi，YU Tao，CHEN Li
（School of River & Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China
）
Abstract：Select the large-scale landslide in the Three Gorges Reservoir Area as research object，this paper got the law of landslide surge run-up with variations of the width and thickness of the landslide，the sliding surface angle，or depth.And it has obtained the run-up empirical formula by the multiple linear regression method among the primary wave height，the depth，the distance from point that landslide go into the water to run-up measurement point and the slope angle.The calculated and measured values agree well.The research result can provide scientific basis for landslide damage prediction and pre-warning.
Key words：Three Gorges Reservoir ；landslide surge；model experiment；surge run-up；surge hazard
由于水库运行效应的影响，三峡库区沿岸滑坡体长期处于干湿交替状态，因此库区沿岸发生大型滑坡事故的频率越来越高，严重威胁到沿岸居民的生命财产安全，并且滑坡激起的巨大涌浪会导致航行船只的漂移、横摇，甚至翻船，造成船上人员伤亡与货物的损失。同时涌浪传播到岸边所引起的爬高的大小，对岸坡或堤坝的稳定性有极大的影响。滑坡灾害的影响巨大，所以对滑坡激起的涌浪及其爬高进行研究是有意义的。多年来许多学者针对滑坡涌浪进行了系列研究。Valentin Heller[1]等通过二维波浪水槽，研究了影响散体滑坡涌浪大小的7个因素；J.W.Kamphis和R.J.Bowering[2]通过模型试验分析了影响滑坡涌浪高度的因素，认为涌浪大小主要取决于滑坡体积和弗劳德数，提出了稳定浪高与滑坡单宽体积、弗劳德数之间的的无量纲关系式，并分析了最大涌浪高度与稳定涌浪高度的关系式。任坤杰[3]等以某水库为背景，通过滑坡涌浪物理模型试验，研究了涌浪的形成过程并由量纲与回归分析给出了散体滑坡体的首浪高度经验公式；[4]等把涌浪衰减过程分成急剧衰减和缓慢衰减两个阶段并结合初始涌浪高度对涌浪沿岸的传播高度及爬坡高度进行了计算；庞昌俊[5]（1985）通过试验详细探讨研究了滑坡涌浪的形态特点，重点研究了涌浪波速、波高及爬坡特征，并提出了初始最大涌浪高度、稳定涌浪高度的计算公式。
本文以万州江南沱口码头河段为研究对象，进行不同滑坡体宽度、厚度、滑动面倾角、水深等因素条件下的滑坡涌浪试验研究，通过极差分析与方差分析得到涌浪爬高与各因素的关系，并进行量纲与回归分析提出涌浪爬高的经验公式。
1试验设计
根据大量库区滑坡情况统计资料分析，参照水利部《滑坡涌浪模型试验规程》[6]并结合实验室场地条件，对万州江南沱口码头河段采取概化模型研究，将河段概化为90°弯曲型河道，根据相似理论分析模型设计为正态，其几何比尺为1∶70。滑槽用钢板制作，并且其宽度可变。散体滑坡体同样根据相似理论用实验室自制砼块进行模拟且根据砼块的不同排列组合形式模拟散体离散程度。
试验选用四个因素来模拟库区临水滑坡实况，即滑动面倾角（滑槽角度）、水深、滑坡体宽度与厚度。整理分析库区大型滑坡统计资料并制定出三个滑动面倾角水平：20°、40°、60°；概化河道模型底部平均高程为9355 m，结合三峡水库145 m的汛期防洪限制水位、155 m的枯水期消落水位及175 m的正常蓄水位，计算出水深的三个水平：074 m、088 m、116 m；滑坡体宽度有05 m、10 m及15 m三个水平；滑坡体厚度有02 m、04 m及06 m三个水平。滑坡体长度固定为1 m，且试验中保证滑坡体前沿与水面接触，综合考虑本试验共有81种工况。
试验采用重庆交通大学西南水运工程科学所自主研制的UBL-2超声波多点波浪采测系统采集各工况下滑坡激起的涌浪的相关数据，并对采集数据进行处理可得出可靠的涌浪高度。试验重点在同岸直道、对岸直道与弯道、模型尾部布置爬高测点，具体布置情况见图1，表1为爬高测点详细参数。
图1爬高测点布置图（m）
表1爬高测点位置参数
2试验结果和分析
2.1极差与方差分析
波浪爬高是指涌浪在岸坡上上爬高度与静水面之间的垂直距离。波浪爬高是确定坝顶高程的最重要因素，并且爬高对岸坡和坝体危害预测中也是一个很重要的参数，它直接影响岸坡和坝体自身结构的稳定性。汇总81个工况的爬高测量数据，见表2。并对影响涌浪爬高的各因素做极差与方差分析，详见表3与表4。
表2爬高均值与范围
表3测点各因素的极差
由表3可以得出：综合比较各测点各因素的极差值，1号、3号、4号测点宽度极差值、厚度极差值、滑动面倾角极差值、水深极差值依次减小，所以1号、3号、4号测点爬高受各因素的影响的主次顺序是宽度、厚度、滑动面倾角、水深；而2号爬高受各因素的影响的主次顺序却是宽度、滑动面倾角、厚度、水深。
表4测点各因素的方差
由表4可以得出：四个测点的水深方差值都小于F临界值，表明水深对1号、2号、3号、4号爬高无显著影响，而滑动面倾角、厚度、宽度对测点的爬高有显著影响，其中宽度的影响最为显著。再观察同一因素对各测点的影响程度也是不同的，滑动面倾角对距离滑坡入水点的4号测点爬高的影响较其他三个测点的影响较小；正对岸的2号测点爬高受到滑坡体厚度的影响比其他三个测点受到的影响小。
2.2单因素分析
分别以滑坡体宽度、滑坡体厚度、滑动面倾角、水深四个因素的每个水平下的爬高均值作图2。
图2测点爬高均值与各因素的关系
分析图2得出：（1）1号爬高均值随着滑坡体宽度、滑坡体厚度、滑动面倾角的增大而增大，随着水深的增加而减少。因为当滑坡体宽度、滑坡体厚度、滑动面倾角增大，均会使得激起的涌浪高度增加，进而涌浪引起的爬高也会增加。但涌浪高度随着水深的增大而减少，以致爬高随着水深增大而减小。（2）2号爬高均值随着滑坡体宽度、滑坡体厚度增大而增大。在滑动面倾角为40°水平下或者在水深088水平下2号均值最大。（3）3号爬高均值随着滑坡体宽度、滑坡体厚度增大而增大。在滑动面倾角为40°水平下时3号爬高均值最大，在水深088 m水平下时3号爬高均值最小。（4）4号爬高均值随着滑坡体宽度、滑坡体厚度、滑动面倾角、水深的增大而增大。
2.3爬高量纲分析与回归分析
由图2分析知1号、2号、3号、4号爬高均值随着滑坡体宽度、滑坡体厚度、滑动面倾角、水深四个因素的变化趋势不一致，所以再分析1号、2号、3号、4号的其他不同因素，分别有爬高测量点与滑坡体的入水点距离、爬高测量点岸坡坡度。考虑到滑坡体宽度、滑坡体厚度、滑动面倾角、水深四个因素直接影响滑坡体激起涌浪初始浪高，但水深还将影响涌浪的传播。因此综合考虑各影响因素的作用，可以得到爬高与初始浪高、水深、爬高测量点与滑坡体的入水点距离、爬高测量点岸坡坡度满足的关系式为
f（R，H，L，D，α）=0（1）
式中：R为爬高；H为涌浪初始高度；L为水深；D为爬高测量点与滑坡体的入水点距离；α为岸坡坡度。经量纲分析得到
RH=f（α，HL，LD）（2）
分别采用线性函数、幂函数进行多元线性回归（也采用了指数函数进行回归，但由于拟合出的公式平均相对误差在30%以上就不在此列出），可得到如下两个爬高的经验公式：
R=（-4.8532HL-0.0423LD+0.4781α+0.6028）H（3）
R=3.2169H（HL）-0.0864（LD）-0.9030（α）0.9602（4）
运用上述两个公式计算所有工况下爬高值并与试验值进行对比并绘制出图3与图4，由图3与图4知计算值与试验值的相对误差绝大多数都在20%以内。综合考虑，本文建议采用公式（3）计算爬高。
表5公式（3）与公式（4）平均相对误差与离差平方和
项目公式（3）公式（4）
平均相对误差%13.7415.04
离差平方和0.0390.048
图3公式（3）计算值与试验值对比
图4公式（4）计算值与试验值对比
3结论
通过本次试验发现，山区河道型水库发生滑坡涌浪时，其滑坡处对岸爬高最大。滑坡体宽度、滑坡体厚度、滑动面倾角、水深对爬高的影响依次减小，并且除水深外其余三个因素对爬高的有显著影响。无论同岸爬高还是对岸爬高均随着滑坡体宽度与厚度的增大而增大，但随滑动面倾角与水深的变化趋势与爬高位置有关。本文直接用初始涌浪高度、水深、爬高测量点与滑坡体的入水点距离、爬高测量点岸坡坡度拟合公式（3）较《海港水文规范》[7]采用坡前波陡来计算爬高方便，因为公式（3）需要的初始涌浪高度的数据较坡前波陡的数据更易获得。并且公式（3）计算简单，工程上应用方便。
参考文献：
[1]Valentin H，Willi H，Hager，F，et a1.Impulse product parameter in landslide generated impulse waves[J].Journal of Watewray，Port，Coastal and Ocean Engineering，2010，136（145）：145-155.
[2]J W KamPhis，R J Bowering.Impulse Waves Generated By Landslides.ASCE，Proceedingsofthe12thCoastalEngineeringConference，1971，1：689-699.
[3]任坤杰.散体滑坡体首浪高度模型试验研究[J].人民长江，2011，42（24）.
[4]，殷坤龙.水库库岸滑坡涌浪的传播与爬高研究[J].岩土力学与工程学报，2008，29（4）：1031-1034.
[5]庞昌俊.二维斜滑坡涌浪的试验研究[J].水利学报，1985（11）：54-59.
[6]SLI 65-2010，滑坡涌浪模型试验规程[S].
[7]JTJ 213-98，海港水文规范[S].