山区弯曲河道型水库异岸滑坡涌浪特性的试验对比研究

发布时间：2017-03-01 14:42

第一章 绪论

1.1 引言
水利水电工程中，水库库岸滑坡时有发生，滑坡涌浪是涌浪中的一种，它的波前间断性使其具有很大的破坏性。滑坡、崩塌体落入江河之中激起的巨大涌浪，产生极大的横向流速，形成局部回流和倒流，不仅能够推翻或击沉水中船只，造成人身伤亡和经济损失，而且可以使水标、岸标、整治建筑物、港口及航道设施受损，恶化航道水流条件；落入水中的土石有时形成激流险滩、堵塞航道，威胁过往船只、影响或中断航运[1]。1982 年长江鸡扒子 1000 万立方米大滑坡，180 万方的泥石滑坡坠入长江，把600 多米长的深水河槽填高 30 余米，使枯水期的过水断面由 2700 平方米缩小到320 平方米，最大流速增至 7.5 米/秒，局部水面比降达到 10.4‰，船舶航行十分困难；1992 年 4 月 30 日，乌江上边滩左岸鸡冠岭发生大面积大方量滑坡岩崩自然灾害，乌江上边滩岩崩总方量约 530 万立方米，其中倾入河道约 86 万立方米，形成两个岩崩堆积体，其顺流方向总长 320 m，河道中断。这些还使我国的水运、铁路、水库和电站等受到严重威胁。更为著名的是 1961 年 10 月发生于意大利瓦依昂水库左岸 2.4×108m3 的巨大滑坡，飞速滑入库区后，激起 250m 巨浪，涌浪传至 1.4km的坝址时，立波仍高达 70m，造成震惊世界的瓦依昂水库失事事件，这一事件除使经济上蒙受重大损失外，还残酷地夺走了 3000 多人的生命。为世人特别是工程界人士所铭记。为尽量减少滑坡对航运的影响，2010 年 11 月 12 日，交通运输部组织长江航道局等有关单位在巫山成功举行了三峡库区山体滑坡水上应急演习，切实加强对山体滑坡等地质灾害事故险情的预防和快速反应工作，提高应急处置能力，确保在水上人民生命财产安全和通航环境受到威胁时能做出快速反应并组织有效救助，以避免或减少人命伤亡。
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1.2 依托工程
万州港江南沱口集装箱码头工程是本项目研究的依托工程，为项目研究采集相关数据资料并进行现场测试。江南沱口作业区重点发展集装箱运输，主要为万州、梁平、垫江和四川达州、开江和湖北利川等县市提供运输服务。本作业区位于长江右岸，距宜昌航道里程 336.5 千米～335.7 千米，规划港口岸线长 555 米，已建江南沱口集装箱码头一期工程利用岸线 230 米，集装箱码头二期工程规划利用岸线 325 米。已建江南沱口集装箱码头一期工程有 2 个集装箱泊位，通过能力28 万 TEU，码头水工建筑物主要包括码头结构、护岸工程、陆域形成挡墙三大部分组成，其码头结构采用全直桩框架梁板结构。设计高低水位差 30 米。码头结构平台长 253 米，宽 30 米。三峡水库建成后，万州段水深加大数十米，水面有不同程度的拓宽，受蓄水淹没浸没的作用和三峡水位大变幅的影响，该河段大量涉水滑坡和崩塌更易发生，如有大型崩塌滑坡发生，将有碍航可能，其形成的涌浪对通航条件、港航工程和船舶安全航行造成极为不利的影响。2002 年，国务院批准了《三峡库区地质灾害防治总体规划》。截止 2011 年 1 月重庆市三峡库区三期地质灾害防治工作已基本完成，四期地质灾害防治工作目前已经在做前期工作，拟在四期地质灾害防治工作期间实施水位频繁变化下滑坡涌浪影响下的航道及港口相关工程。从依托工程的施工进度计划来看，工程进度与本项目科研进度是紧密配合的，依托工程可以为本项目研究采集相关数据资料并进行现场测试，研究成果可及时地指导整治工程和港口工程建设，同时根据依托工程的效果观测资料进行研究成果的检验，总结存在的问题，提出改进方法。总的来说，本项目研究与依托工程的进度是吻合的，通过实际工程的运用，与研究成果互相对比，既能达到研究目标，又能为依托工程提供技术支撑。
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第二章 概化模型试验设计及试验内容

2.1 模型比尺的确定
长江三峡库区万州港江南沱口集装箱码头段，上起航道里程 336km，下至航道里程 330km，长约 6km。三峡库区常年水位为 145m、155m、175m，依托工程库区段河床平均高程为 93.2m。本试验滑坡位于长江左岸。由于场地及经费的限制，也考虑到试验的方便性及操作性，选取模型比尺为 70 比较理想，可得：
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2.2 滑坡涌浪试验控制参数的确定及方案的设计
在滑坡体滑入水体后，固体与液体就会产生能量的交换，滑体的能量传给水体产生涌浪。在此过程中影响能量交换的因素包括滑体体积、滑体密度、下滑角度、滑体结构、库区水深、滑体与水面位置等。在滑坡体下滑过程中，滑坡体与水体接触开始，滑坡体不断把势能传递给水体，水体根据得到能量的多少和得到能量的快慢会产生形态、周期、波高不同的涌浪，涌浪的衰减与产生的爬高也会不一样。滑体体积与滑体能量密切相关，长、宽、高是决定体积的三个因素，根据滑坡的大量资料，统计分析后发现滑坡体宽厚比有一定的规律，考虑到试验操作的方便性和试验条件的限制，选取三组不同的滑体宽度值和滑体厚度值，把滑坡体的长定为 1m，具体尺寸的选取如表 2-1。滑坡体结构不是单一的，在滑体内部存在不同大小的裂隙，内部由多种不同结构面构成，在结构面之间存在裂隙，所以岩体结构是散体化的，根据裂隙大小、排列、组合程度不同，散体化程度不同。因此，在试验模型中滑坡体不能是单一的整块，这样与滑坡散体、散落、分裂情况不符，为了更好的模拟出滑坡，必须把滑坡体散体化。在操作中，制作出 5 种小块体，体积从小到大依次编号是：V1、V2、V3、V4、V5，长宽厚之比都为：1:0.667:0.333，然后由这 5 种小块体进行不同的排列和组合，具体的小块体及组合排列见下表 2-2。
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第三章 凹岸岩体滑坡涌浪特性....22
3.1 滑坡涌浪特征.........22
3.1.1 初始涌浪特征.........22
3.1.2 沿程涌浪的特征.....27
3.2 滑坡初始涌浪首浪高度分析.....30
3.3 滑坡涌浪的传播及衰减规律.....38
3.4 滑坡涌浪的爬高分析研究.........45
3.5 小结.....53
第四章 弯曲河道水库凹岸、凸岸滑坡涌浪特性对比研究.........55
4.1 凹、凸岸滑坡涌浪试验模型布置对比.........55
4.2 凹、凸异岸滑坡涌浪试验涌浪的特性对比...........57
4.2.1 初始涌浪波浪特征对比。.........57
4.2.2 沿程涌浪波浪特征对比.............60
4.2.3 初始涌浪首浪高度对比.............65
4.3 凹、凸岸滑坡涌浪传播及衰减规律对比.....70
4.4 凹、凸岸滑坡涌浪试验爬高对比.......74
4.5 小结.....80
第五章 总结及展望....82
5.1 主要成果.......82
5.2 后续展望.......83

第四章 弯曲河道水库凹、凸异岸滑坡涌浪特性对比研究

在以上章节中，滑坡体从凹岸下滑，，研究了凹岸滑坡涌浪的特性。重庆交通大学研究课题小组已对凸岸滑坡涌浪特性[46]进行过研究，本章就是将已研究过的凸岸滑坡涌浪特性与本章凹岸滑坡涌浪特性进行对比，通过对比分析找出凹凸岸涌浪特性的异同，使弯曲河道型水库滑坡涌浪特性研究更加完善，对以后滑坡涌浪的设计、计算起到一定的参考作用。

4.1 凹、凸岸滑坡涌浪试验模型布置对比

在凹岸、凸岸滑坡模型设计、测点布置、数据测量等方面存在相同与不同之处，本节从各方面进行对比。（1）模型比尺凹凸岸滑坡中几何比尺都为70l? ?，由几何比尺可以算出滑坡体面积、体积、比重、速度、时间、质量、力的比尺；波浪的高度、周期、速度、波长等的比尺。（2）影响因素凹凸岸滑坡中具有相同的影响因素，具体如下：滑体宽度，根据发生的滑坡资料的搜集与统计分析，为了试验的操作性和方便性选取宽度为三种：0.5m、1.0m、1.5m。滑体厚度，根据发生的滑坡资料的搜集与统计分析，把滑坡体的厚度选取三种：0.2m、0.4m、0.6m。滑体长度，为了试验的可操控性把滑坡体的长度都统一为 1m。库区水深，在三峡库区，常年的水位高程有三种：145m、155m、175m，河床水位高程取平均值 93.2m，根据几何比尺70l? ?可以算出模型中分别对应水深为：0.74m、0.88m、1.16m。

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结论

在对三峡库区滑坡资料的搜集、统计、分析的基础上，把三峡库区万州港江南沱口集装箱码头段作为依托工程，对库区凹岸滑坡涌浪进行实验室模拟，运用物理模型试验和理论分析相结合的技术手段分别对初始涌浪、沿程涌浪、涌浪的衰减、爬高等涌浪特性进行研究，拟合出相应的经验计算公式。然后将凹岸滑坡涌浪特性与凸岸滑坡涌浪特性对比，找出凹、凸两岸涌浪特性的异同。在本文中取得的主要研究成果有：
（1）以三峡库区万州港江南沱口集装箱码头段为依托工程，通过资料的搜集、统计、分析，归纳总结已发生滑坡的特征，将模型比尺确定为 1：70，将库区水深、滑体厚度、滑体宽度、滑体下滑角度确定为滑坡涌浪的控制参数，设计了 81 组试验工况。
（2）初始涌浪是振荡波和推移波合成的复杂波。初始涌浪的最大波高出现在第一个波；用跨零点法推分析模型的波高最大值在 2.33-14.73cm 之间、平均值8.44cm，周期最大值在 0.3-7.76s 之间，平均值为 1.56s。
（3）沿程涌浪包括原始波和合成波，传播中不断的发生反射叠加与衰减。经过分析把水库模型区域分成四个部分：直道区域、弯道区域、过弯道区域和直道远端区域。每个区域内涌浪最大波高都出现在第二个或第三个波上，都不是出现在第一个波上。简单揭示了沿程涌浪传播规律。
（4）分析首浪高度影响因素时，得出各因素对首浪高度的影响力由大到小依次为：滑体宽度，下滑角度，滑体厚度，库区水深。通过控制参数的无量纲化和多元回归分析，给出了不同区域内首浪高度的经验计算公式。
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参考文献(略)

本文编号：246613