Study on the surge induced by the collapse of dangerous rock mass in Longmen Village in Three Gorges reservoir area
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摘要:
长江两岸高耸的危岩体对航道、沿岸居民带来巨大安全隐患。大宁河属于长江一级支流，龙门寨危岩体位于大宁河上，距离巫山县城仅1 km。利用FLOW-3D软件，模拟了145 m、175 m两种水位工况下龙门寨危岩体崩塌产生涌浪过程和涌浪传播过程。模拟结果表明，涌浪在145 m水位工况下最大浪高约为17.9 m，175 m水位工况下最大浪高约为11.6 m；在巫山县的五个码头处，两种水位工况最大涌浪爬高分别约为10.9 m、3.8 m；根据涌浪高度，对大宁河进行危险分区，145 m水位工况下极高危险区长度约4.4 km，很高危险区长度约1.9 km；175 m水位工况下极高危险区长度约3.0 km，很高危险区长度约1.0 km。研究结果有助于防控龙门寨危岩体潜在涌浪灾害危害，保障大宁河航道和巫山县码头安全，同时也为三峡库区滑坡涌浪灾害提供了预警依据。
Abstract:The towering rock masses on both sides of the Yangtze River bring huge safety hazards to the waterway and residents along the river. The Daning River is a tributary of the Yangtze River. The dangerous rock mass in Longmen Village is located above the Daning River, only 1km away from Wushan County. In this paper, the FLOW-3D software model is used to simulate the generation and propagation processes of the surge induced by the collapse of the dangerous rock mass in Longmen Village under two water level conditions of 145 m and 175 m. The numerical simulation analysis shows that the maximum surge height at 145 m and 175 m water level is about 17.8 m and 11.6 m respectively. At the five wharfs in Wushan County, the maximum surge climbs as high as 6.4m and 2.1 m respectively under the two water level conditions. According to the surge height, the Daning River area is zoned based on the risk level. When the water level is 145 m high, the extremely high-risk zone is about 4.4 km and the very high-risk zone is about 1.9 km; when the water level is 175 m high, the extremely high-risk zone is about 3.0 km and the very high-risk zone is about 1 km. The potential surge hazard of the dangerous rock mass in Longmen Village endangers the safety of the Daning River waterway and the wharfs in Wushan county. This study provides a basis for the early warning of landslide-induced surge disasters in the Three Gorges reservoir area.
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0. 引言
长江作为中国重要水运航道，每年可带来巨大经济效益。据统计，仅长江上的三峡船闸，在2017年的过闸货运量就达到了1.38×108 t(刘涛，2019)。但长江两岸高耸的危岩体对航道通航及附近常住居民带来巨大安全隐患。例如，三峡库区红岩子滑坡产生的涌浪共导致13艘船只翻沉，2人死亡，4人受伤，直接经济损失500万元，若考虑停航、限航、整治等带来的影响，间接经济损失至少7000万元(Huang et al., 2016)；2008年11月在距离三峡大坝120 km、距巫山县城3.5 km的龚家坊发生崩塌，崩塌体落入江中形成大浪，冲过江面，涌浪最高至13 m，直接经济损失达600万人民币(Huang et al., 2012)。因此，开展危岩体崩塌产生的涌浪研究对保障人民群众生命财产安全极为重要。
国内外学者对涌浪灾害的研究总体上可分为两大类：①研究涌浪的自身特性，如涌浪高度、传播过程等。Fritz et al.(2004)对涌浪传播高度与传播距离的关系进行了探讨；郭洪巍和吴葱葱(2000)根据滑坡体模型和水流模型导出了滑坡-涌浪的计算方程；Ataie-Ashtiani and Nik-Khah(2008)研究了土质和岩质两种滑坡体在不同河床坡度、冲击速度、滑动几何形状等参数条件下对涌浪特征的影响，并提出了涌浪的预测公式；Koo and Kim(2008)基于非线性数值模拟技术，研究了不同水深下涌浪产生的特点，重点讨论了涌浪的最大高度以及沿岸爬高；彭辉等(2017)通过库岸滑坡-涌浪模型研究了涌浪由宽阔水库进入狭窄河道时浪高的变化；任兴伟等(2009)在潘家铮法的基础上改进形成了一种新的计算公式，并用该公式对新滩滑坡-涌浪初始高度进行了计算；谢海清等(2017)运用FLOW-3D模拟了狭窄库区河道滑坡-涌浪产生及传播的过程；汪洋等(2018)梳理了不同试验条件下所建立的最大波幅和波高的预测模型。②对受涌浪灾害影响的承灾体开展研究，如涌浪对水坝、码头等建筑物的影响。众多学者采用大尺寸水工物理模型试验研究涌浪对大坝安全的影响(陶孝铨，1994；余仁福，1995；黄波林等，2013)；杨龙伟等(2018)对滑坡的能量转化进行了研究；李静等(2018)运用SPH法分析滑体入水速度、水位深度对水坝坝面的冲击影响；王平义等(2016)通过水槽模型试验，对滑坡-涌浪作用下三峡库区船舶与高桩码头间的撞击力进行了研究；霍志涛等(2020)通过水波动力学数值模拟软件FAST建立滑坡-涌浪源模型，模拟了175 m水位工况下三峡库区黑石板滑坡-涌浪的浪高爬高；部分学者以一些典型城市为例，研究了涌浪传播影响范围并得出了危险性分布图以及预警区域(Yin et al., 2015；刘磊等，2016；黄波林和殷跃平，2018)；王天河等(2018)对宣汉地区进行地质灾害危险性评价研究。
以上研究在涌浪自身特性及其引发的灾害性等方面取得了重要成果，但鲜有学者以灾害性研究为重点，对三峡库区最高水位与最低水位下危岩体崩塌所产生的涌浪进行研究。本文运用FLOW-3D技术建立龙门寨危岩体数值模型，模拟145 m、175 m两种水位工况下涌浪的产生过程、传播过程、沿岸爬高等，并根据涌浪高度对大宁河进行危险性分区，以期为三峡库区类似涌浪灾害的防控提供依据。
1. 龙门寨危岩体模型构建
1.1 龙门寨危岩体概述
三峡库区龙门寨危岩体位于中国长江支流大宁河水域小三峡中的龙门峡右岸，与龙门峡口相距660 m，龙门峡口下游即为重庆市巫山县(图 1)。巫山县城距离重庆红岩子滑坡点约2.9 km，距重庆巫峡龚家坊滑坡点约5.0 km。大宁河小三峡是中国著名旅游景区，每年接待成千上万的国内外游客。这些数据均显示出龙门寨危岩体潜在的崩塌-涌浪危害较大、影响范围较广，值得重点关注。
图 1. 巫山县城周边典型滑坡-涌浪灾害点分布图Figure 1. Distribution map of typical landslide-induced surges near Wushan County大宁河龙门峡龙门寨处的岸坡由三叠系下统嘉陵江组三段(T1j3)薄层与中层状灰泥灰岩、嘉陵江组四段(T1j4)中厚层白云岩和粒泥灰岩夹白云岩所构成，基岩产状355°∠5°。构造上处于巫山向斜和七耀山背斜之间的龙门峡次级斜坡核部(刘新荣等，2020)，朝向约60°的高耸陡崖(图 2)。龙门峡处河谷宽约200 m，河床高程约85 m。
危岩体上游处为一条长约180 m，张开程度约2.3 m，并有块石填充的大型贯穿裂隙。该裂隙走向60°，并从山顶贯穿至基座。危岩体下部有一宽约0.3~1.0 m，厚约0.5 m的泥灰岩平台，泥灰岩平台下部为碎裂结构泥质灰岩陡崖，垂向劈理发育。该危岩体内部的局部岩块已经沿着这些裂缝发生了破坏。
龙门寨危岩体的总体积约为30.4×104 m3，高宽比为4.75，是典型的柱状危岩体(图 3)。危岩体基座处的岩体常年处于145~175 m水位变化中，受长期水位变化的影响，其岩体强度逐年降低。当前，160~177 m间岩体的劈裂说明基座压力和水岩作用已经开始对基座岩体产生压破坏。若基座岩体所遭受的破坏越来越强烈，基座则会被完全压碎，整个危岩体随即发生压溃式破坏。
1.2 龙门寨危岩体模型建立
岩质崩塌形成过程是一个岩土体与外界物理、化学环境相互作用的过程(王军朝和孙金辉，2019)。现阶段对危岩体崩塌可采用的计算简化模型有多种，例如刚性体、可变形体和颗粒体模型等。根据龙门寨危岩体可能的解体破坏特点，此次研究采用颗粒流模型(黄波林等，2019)。颗粒体的流动状运动特性可利用剪切应力τ或剪切率来描述(Teufelsbauer et al., 2011)。而剪切应力模型采用的Mih模型(Huang et al., 2017)是在Bagnold的颗粒流物理试验和相应等式基础上，通过试验而得到的球形颗粒的剪应力等式。颗粒内部剪切应力与颗粒间流体黏滞度、颗粒几何尺寸(直径)、密度、碰撞弹性恢复系数和运动速度密切相关。上述等式与Mih(1999)所做颗粒流试验结果吻合度很高。
颗粒与水体的相互作用采用了两相流模型。两相流模型通过假定同一单元内的不同相满足连续动量平衡而进行力和运动的传递。两相流模型由水和颗粒各自的速度和体积百分比、流体压力、拖曳系数等控制。单纯的水体运动所采用的是较为常用的RNG k-ε湍流模型(Zhang et al., 2008)，它有利于描述涌浪的复杂运动和能量耗散。
利用上述耦合数值模型(图 4)，构建出了长7280 m、宽3580 m、高305 m的龙门寨危岩体崩塌产生涌浪的计算模型。采用10 m×10 m×10 m的网格进行离散，共计7.8×106个网格单元，X、Y边界均为outflow外流边界，Z-是wall墙边界(不透水边界)，Z+是自由液面边界(零压力边界)。因为龙门寨危岩体岩性与龚家坊处、剑穿洞处岩体碎屑流性质(王文沛等，2016；黄波林等，2019)相同，所以模拟出龙门寨危岩体的物质参数如下：颗粒粒径0.3 m，颗粒弹性恢复系数0.2，颗粒摩擦角29°，颗粒休止角32°，颗粒堆积密度2860 kg/m3。龙门寨危岩体初始时为静止的原始柱状，水体初始时为静止状态。模型计算始终在重力作用下运行，重力加速度为9.8 m/s2，耦合计算时长为300 s，计算145 m、175 m两种水位工况。在龙门寨危岩体耦合数值模型处建立了23个监测点，巫山县各码头处的监测点分别为10、13、14、15、16号。各监测点具体位置见图 4。
2. 涌浪危险性分析
2.1 危岩体崩塌产生涌浪过程
根据上述龙门寨危岩体模型，分别分析145 m水位、175 m水位工况下，龙门寨危岩体崩塌后模型X-Z面及X-Y面危岩体入水产生涌浪以及涌浪传播特性。
在145 m水位工况下，当耦合计算时间t=2.9 s，危岩体失稳产生的少量碎屑物入水后作用于水体并逐步兴起涌浪波，在碎屑颗粒入水处水体平均速度约为0.2 m/s，但水体液面高度未见明显变化(图 5a)。t=4.9 s时危岩体入水，入水的危岩体冲击水体，涌浪产生，此时涌浪高度并未达到最高；且由于受到崩塌碎屑颗粒的冲击作用，入水处形成了明显“水坑”，并随着危岩体碎屑颗粒进一步入水，“水坑”深度逐渐增大(图 5b)。t=6.9 s时，自由液面呈现出S型(图 5c)，此时水体平均速度达到52.0 m/s，造成这一现象的原因可能是危岩体重力势能转化为动能，并将动能传给水体(图 5c侧视图红色部分)，所以传播速度快，而未与危岩体接触的水体得到的能量较小，所以传播速度较慢，形成浪头；此现象也有可能与河谷形状有关，从图 5c俯视图中也可看出涌浪携带大量动能向对岸以及四周传播。t=9.0 s时，涌浪高度达到最高值为17.9 m(图 5d)。t=11.9 s时，涌浪传播至对岸山体，并产生涌浪爬高(图 5e)；通过图 5e俯视图看出，当涌浪爬高至最大时，涌浪水体动能转化为重力势能，速度明显降低，在水体拍打对面岸坡耗尽动能之后，涌浪在重力作用下开始回落并向反方向运动，与暂未传播至岸坡的涌浪发生“冲撞”，形成“对冲浪”，这种“对冲浪”的出现对正在航道上行驶的船舶构成极大威胁。
图 5. 龙门寨危岩体模型X-Z面、X-Y面涌浪传播过程Figure 5. Propagation processes of the X-Z plane and X-Y plane of the surge by the dangerous rock mass model175 m水位工况下测得涌浪最大高度为11.6 m，最大爬高为15.2 m。当危岩体入水后，自由液面呈现出相同的S型。但由于175 m水位工况下的水体体积远远大于145 m水位，所以传播过程中所损失的能量也大大增加，导致涌浪的高度与沿岸爬高均小于145 m水位工况下涌浪的高度与沿岸爬高。
为进一步了解龙门寨危岩体崩塌所产生涌浪的传播过程，通过监测点距离与监测点所测涌浪的时间间隔的比值来确定涌浪的平均传播速度。因为7号监测点最先监测到涌浪，故以7号监测点为分界点，按上下游分组将涌浪传播平均速度做成曲线图(图 6)并形成河道深泓线最大涌浪图(图 7)。
图 6. 河道涌浪传播速度分布图Figure 6. Distribution diagram of the propagation velocity in the channel在两种水位工况下，涌浪速度在传播过程中具有一定相似性，即涌浪在向上游的传播过程中，会经历一个短暂的速度上升阶段，接着速度值会下降再上升，最后随着传播距离的增大涌浪速度出现下降(图 6)。在这个过程中，145 m水位工况下涌浪前期速度增加值会大于175 m水位工况下涌浪前期速度增加值。而在速度上升阶段，175 m水位工况下涌浪传播速度的增加值会大于145 m水位工况下涌浪速度的增加值。涌浪向下游的传播过程中，两种水位工况下，涌浪传播速度都会出现“下降—上升—再下降”的过程，并且速度变化较大。在整个传播过程中，涌浪传播速度在175 m水位工况下更大，表明175 m水位工况下，危岩体崩塌产生的涌浪传播至巫山县各码头所用时间更短，给人们反应的时间也更短。
2.2 危险区划分
为了解龙门寨危岩体崩塌产生的涌浪对整个河道的影响，将模型所模拟计算出的各监测点在两种水位工况下所得涌浪最大高度标记在模型上(图 8)。
根据各监测点监测的涌浪最大值可发现涌浪高度在145 m水位工况下会更高(图 7)。开阔河道处(3号监测点)涌浪高度比狭窄河道出口处(4号监测点)小很多；此现象在下游两监测点(9号、17号)处更为明显。涌浪高度的迅速变化，反映出波幅的增大，结合河道涌浪传播速度分布图(图 6)可知，上下游开阔河道处涌浪的传播速度均大于15 m/s。高速、高波幅的涌浪，对于船只具有极大的危险性。
根据各监测点涌浪高度，对龙门寨危岩体崩塌产生的涌浪在两种水位工况下的危险程度进行了危险区域划分。据《滑坡涌浪危险性评估》(送审稿)(中国岩石力学与工程学会，2019)的相关规定，涌浪高度低于0.5 m的河道划分为低危险区，涌浪高度在0.5~1.0 m之间的河道划分为中危险区，涌浪高度在1.0~1.5 m之间的河道划分为高危险区，涌浪高度在1.5~2.0 m之间的河道划分为很高危险区，涌浪高度大于2.0 m的河道则被划分为极高危险区(图 9)。
由危险分区图可以看出，龙门寨危岩体所在的狭窄河道在两种水位工况下均处于极高危险区；巫山县的五处码头，在145 m水位工况下，除海事码头处于中危险区外，货运、古城、旅游码头处于很高危险区，景区码头处于极高危险区；在175 m水位工况下，景区码头处于极高危险区，古城、货运、旅游码头均处于高危险区，海事码头仍然处于中危险区。从危险分区图中还可以看出长江主干道处于低危险区，表明龙门寨危岩体崩塌在两种不同水位工况下，对于长江主干道的影响较小。
为了解龙门寨危岩体崩塌所产生的涌浪对码头的影响，考虑船只停泊数量等因素绘制了巫山县景区、古城、旅游三处码头在145 m和175 m水位的涌浪高度曲线图(图 10、图 11)。
图 10. 145 m水位各码头涌浪高度过程线Figure 10. Hydrograph of the surge height of each wharf at 145 m water level
图 11. 175 m水位各码头涌浪高度过程线Figure 11. Hydrograph of the surge height of each wharf at 175 m water level龙门寨危岩体崩塌后，在175 m水位工况下，涌浪到达各码头所花费的时间小于145 m水位工况下(图 10、图 11)。这三个码头中，最危险的码头为10号监测点处的景区码头，该码头最先受到涌浪灾害的影响，涌浪爬高在145 m、175 m水位工况下分别达到了10.9 m与3.8 m。2008年发生在距离巫山县3.5 km的龚家坊滑坡，涌浪到达码头的最大爬高为2.0 m(黄波林等，2015)；2015年巫山县红岩子滑坡，距巫山县1.0 km，滑坡所产生的涌浪到达码头时涌浪爬高达到了1.9 m(Zhou et al., 2016)。这两起滑坡均造成了船只不同程度的翻沉与损坏。对比龙门寨危岩体崩塌产生涌浪抵达景区码头的最大爬高，推断出龙门寨危岩体对于景区码头是十分危险的。
14号、15号监测点设置在古城码头与旅游码头。古城码头在145 m、175 m水位工况下涌浪爬高分别为2.3 m与1.1 m；旅游码头在145 m、175 m水位工况下涌浪爬高分别为1.6 m与1.0 m。结合红岩子滑坡、龚家坊滑坡数据，这两处码头同样会受到龙门寨危岩体崩塌的影响，船只仍然会有翻沉损坏的可能；而且这两处码头人流量较大，人员组成复杂，龙门寨危岩体崩塌所产生的涌浪到达此处，还可能造成较大的人员伤亡。处于中危险区的海事码头在145 m、175 m两种水位工况下的爬高分别为0.8 m与0.7 m，这两种水位工况下的涌浪爬高对停泊在海事码头的船只存在一定危险性，导致船只颠覆、翻沉的可能性不大。
3. 结论及建议
(1) 通过模拟龙门寨危岩体崩塌所产生的涌浪，结合所得数据发现，涌浪产生的灾害体现在传播过程中对航行船只的颠覆翻沉、对码头及岸坡建筑物的冲击和对居民生命的威胁。
(2) 在145 m水位工况下，最大涌浪高度为17.9 m，最大爬高为27.5 m。涌浪在巫山县5个码头处的爬高，按景区码头、货运码头、古城码头、旅游码头、海事码头的顺序分别为10.9 m、2.3 m、2.3 m、1.6 m、0.8 m；在175 m水位工况下，最大涌浪高度为11.6 m，最大爬高为15.2 m，在这个码头处的爬高，按上述顺序分别为3.8 m、1.1 m、1.1 m、1.0 m、0.7 m。对比龚家坊滑坡、红岩子滑坡涌浪事件的受灾情况可得出，龙门寨危岩体崩塌所产生的涌浪可能导致巫山县上述码头的船只翻沉、损坏。
(3) 对大宁河进行危险性分区。在145 m水位工况下，极高危险区长度4.4 km，很高危险区长度1.9 km，高危险区长度1.9 km；在175 m水位工况下，极高危险区长度3.0 km，很高危险区长度1.0 km，高危险区1.5 km。
(4) 为降低涌浪的危害性，建议对涌浪实施消减应急工程。对于受涌浪影响的巫山县，应建立健全地质灾害应急体系。对于生活在潜在涌浪灾害影响范围的居民，应加强地质灾害教育。
责任编辑：吴芳
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