泄洪雾化边坡稳定性分析方法

　水电是清洁能源，可再生、无污染、运行费用低，便于电力调峰，有利于提高资源利用率和经济社会的综合效益。我国是世界上水能资源丰富的国家之一，在今后相当长的时间内，会一直处在水电开发的高峰期。目前已陆续建成了一大批坝高200m级、300m级、300m以上级巨型电站（如拉西瓦、小湾、龙滩、溪洛渡、糯扎渡、二滩、构皮滩等），这些电站位于高山峡谷区，泄洪水头高、流量大，加上泄洪消能采用分层出流，空中碰撞将产生强烈的泄洪雾化降雨。而泄洪雾化降雨所引起的高边坡稳定问题，是目前我国水电工程面临的一个重大技术难题。
　　泄洪雾化是水电站泄洪的高速水流，在消能过程中出现的一种较为复杂的物理现象。对于工程而言，主要关注的是泄洪雾化降雨所引起的高边坡稳定问题。据现有原型观测资料显示，泄洪雾化降雨的降雨强度（简称雨强）在4000～5000mm/h，大大超过气象学上有记载以来观测到的自然降雨雨强极值636mm/h，因此对下游边坡的安全稳定影响巨大。例如，1989年，龙羊峡水电站泄洪导致下游虎山坡滑坡。也就是在这次滑坡发生之后，泄洪雾化降雨开始引起学术界和工程界的高度重视。泄洪雾化降雨曾被列入“七五”“八五”国家重点科学技术项目（攻关），是国家科技重点发展规划中工程水力学的七大问题之一。
　　泄洪雾化的影响范围及雨强的确定，涉及紊动强烈且水相不连续的水气二相流，目前的研究主要集中在原型观测、物理模型试验，以及理论分析计算方面。由于泄洪雾化的影响范围及雨强不但与泄洪的流量、能量（高差）、消能方式有关，而且受当地地形、坝后风速场等诸多因素的影响，因此单纯采用理论分析或数值模拟的方法难以得到较为准确的结果，并且缩尺模型试验的相似条件、模拟手段及模型律尚不清楚。在工程设计时，由于拟建工程与已建工程的水文、气象、地形、地质条件和建筑物水力条件等，不可能完全相同，因此引用已建工程的原型观测资料预测拟建工程存在一定困难。本书采用数值方法、经验公式法，以及依据原型观测资料工程类比法，进行综合分析，确定泄洪雾化分区和雨强分布，详见第1、2章。
　　泄洪雾化降雨入渗与自然降雨入渗在物理过程中是相同的：在边坡非饱和带，入渗遵循Richards提出的延伸用于非饱和渗流的达西（Darcy）定律；当泄洪雾化的雨水到达潜水面，引起地下水位升高，则遵循饱和渗流的达西定律。其差别在于：自然降雨在整个入渗边界上的雨强是相等的，而泄洪雾化降雨在整个入渗边界上的雨强不相等。本书依据洪渡河石垭子水电站泄洪雾化模拟分析结果，将泄洪雾化区按雨强分为6个分区（Ⅰ级大雨区：雨强小于2.5mm/h；Ⅱ级暴雨区：雨强为2.5～5.8mm/h；Ⅲ级大暴雨区：雨强为5.8～11.7mm/h；Ⅳ级特大暴雨区：雨强为11.7～25mm/h；Ⅴ级强暴雨区：雨强为25～50 mm/h；Ⅵ级强溅水区：雨强大于50mm/h）。假定在每个分区内的雨强相等。泄洪雾化降雨入渗的具体分析方法，详见第3章。
　　入渗前的边坡初始基质吸力状态对泄洪雾化雨入渗影响很大。初始基质吸力剖面的获得有两种方法：一种是现场基质吸力的直接量测法；另一种是测定现场含水量剖面，结合相应土-水特征曲线的间接确定法。第4章以采用直接量测法对三峡库区湖北秭归泄滩滑坡现场基质吸力剖面量测为例，对直接量测法的基质吸力监测井、快拔型张力计、孔隙水压力传感器的布置，以及监测结果进行了阐述；间接确定法的实例是洪渡河石垭子水电站11号滑坡体的初始基质吸力剖面确定，详见第3章。
　　边坡失稳前往往经历一个位移变形期，雨量与边坡位移具有很强的相关性。因此，第5章对泄洪雾化降雨入渗过程的边坡变形问题进行了研究，并提出基质吸力变化引起的非饱和土应变，进而引起边坡变形，以及入渗作用下的边坡位移规律及其与雨量关系的框架模型。
　　第6章从由基质吸力引发的抗剪强度研究入手，对入渗（无论是泄洪雾化降雨入渗，还是自然降雨入渗）影响边坡稳定性的机理进行分析，并给出了考虑基质吸力对边坡稳定性的影响的Bishop法、Janbu法、不平衡推力传递法的计算公式。
　　本书得到绍兴文理学院出版基金、绍兴文理学院人才引进启动基金（项目编号：20155024）及贵州省科学技术基金项目“泄洪雾雨影响边坡稳定的机理及其控制研究”［黔科合J字（2010）2022］资助。
　　本书中的石垭子水电站泄洪雾化数值模拟由水力学与山区河流开发保护国家重点实验室（四川大学）的老师完成，非饱和土渗透参数的试验测试由河海大学丁国权老师完成。在此向他们表示衷心的感谢！
　　由于著者经验有限，书中难免存在不足之处，恳切希望读者批评指正。