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(1.河南省白龜山水庫管理局，河南 平頂山 467031； 2.南京水利科學(xué)研究院 大壩安全管理研究所，南京 210029)

極旱后強(qiáng)降雨條件下的黏土壩坡基質(zhì)吸力變化研究

魏恒志1，葉偉2，劉永強(qiáng)1，徐章耀1，杜玉娟1，馬福恒2，胡江2

(1.河南省白龜山水庫管理局，河南 平頂山 467031； 2.南京水利科學(xué)研究院 大壩安全管理研究所，南京 210029)

為跟蹤極旱過程中黏土壩坡裂縫發(fā)展過程，以白龜山2014年遭遇極端干旱為例，通過模型試驗，模擬強(qiáng)降雨及極干旱天氣，測得試樣土體在吸濕-脫濕過程中的基質(zhì)吸力值并研究其變化情況，由此獲得土樣的土-水特征曲線用以分析壩坡穩(wěn)定。研究結(jié)果顯示：短期的干旱導(dǎo)致壩體表面失水，并不會影響到壩坡的穩(wěn)定，而長期干旱生成的裂縫會在強(qiáng)降雨時成為雨水滲入壩體的快捷通道，使得壩坡土體的強(qiáng)度急速降低，嚴(yán)重影響大壩的穩(wěn)定。當(dāng)不斷遭遇干旱降雨循環(huán)后，壩坡土體會變得松散，即使不遭遇極干旱天氣也會很容易產(chǎn)生裂縫，給壩坡穩(wěn)定埋下隱患?？紤]到裂縫發(fā)展與含水率的變化密不可分，且裂縫又直接影響到壩坡土體的強(qiáng)度，因此可根據(jù)不同時段的土-水特征曲線判定大壩的穩(wěn)定情況，據(jù)此可提出相應(yīng)的保護(hù)措施。

極干旱；強(qiáng)降雨；基質(zhì)吸力；裂縫；壩坡穩(wěn)定

1 研究背景

全球氣候變化和變異將加大極端水文氣候事件發(fā)生的頻次和強(qiáng)度。近年來，受全球氣候變化的影響，我國氣候變化反常、不確定性顯著增加，極度干旱頻發(fā)，多座水庫水位處于死水位以下，甚至部分水庫干涸。水庫干涸進(jìn)而引起黏土壩坡水平鋪蓋大范圍產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重時裂縫貫穿、防滲體系破壞，嚴(yán)重影響水庫大壩安全[1-2]。

針對壩坡裂縫及壩坡非飽和土特性的研究,已有學(xué)者對此作出了貢獻(xiàn)：張我華等[3]運用現(xiàn)代非線性分析中的突變論方法，研究了在降雨裂縫滲透影響下山體邊坡可能發(fā)生突發(fā)性失穩(wěn)滑坡和漸進(jìn)演化性失穩(wěn)滑坡的機(jī)理；安民等[4]利用非飽和非穩(wěn)定滲流理論，計算了某均質(zhì)土壩在庫水位升降條件下的滲流場，以此分析壩坡的穩(wěn)定性；降雨入滲會導(dǎo)致邊坡表層出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)并形成暫態(tài)水壓力。為了研究暫態(tài)水壓力對邊坡穩(wěn)定性的影響，蔣中明等[5]通過文獻(xiàn)研究，總結(jié)歸納了邊坡暫態(tài)飽和區(qū)存在形態(tài)類型及暫態(tài)水壓力分布特點，并定義了暫態(tài)水壓力分布比例系數(shù)；張家俊等[6]通過室內(nèi)試驗，發(fā)現(xiàn)影響裂隙張開程度的關(guān)鍵因素并非土體含水率，而是含水率梯度。在遭遇干濕循環(huán)土體特性的研究方面，張俊然等[7]結(jié)合已有的試驗數(shù)據(jù),總結(jié)脫濕曲線與吸濕曲線隨著干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，通過引入一個與干濕循環(huán)次數(shù)有關(guān)的函數(shù)，提出能預(yù)測多次干濕循環(huán)后土-水特征曲線的方法；李文杰等[8]在室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)，對壤質(zhì)黏土干濕循環(huán)過程中土壤干縮裂縫網(wǎng)絡(luò)幾何形態(tài)特征進(jìn)行了定量分析，研究干濕循環(huán)過程中農(nóng)田土壤干縮裂縫的開閉規(guī)律。

以往的研究結(jié)果大多考慮單點的基質(zhì)吸力變化以及土-水特征曲線，而對于大壩這類大型工程而言，單點的分析難以描述壩坡整體性態(tài)。因此，本文通過室內(nèi)模型試驗，模擬干旱-降雨條件，研究壩坡內(nèi)基質(zhì)吸力變化，繪制不同部位土-水特征曲線并分析不同部位的土體開裂規(guī)律。

2 試驗過程與分析

2.1 模型制作

受極端天氣的影響，2014年白龜山水庫遭遇63 a來最大干旱，以極端低水位運行，壩坡出現(xiàn)大面積裂縫。試驗參照白龜山水庫的均質(zhì)土壩,按1∶150的比例制作，壩高1 m，壩頂寬30 cm，上游壩坡比1∶3，下游壩坡比1∶2,如圖1(a)所示，土體均取自原壩坡?，F(xiàn)場土體體積含水率31.4%，淺表層含水率受降雨影響明顯，土質(zhì)堅硬。模型制樣密度1.64 g/cm3，制樣含水率23%。在模型的壩體頂面、底部、上游壩坡中部、上游壩腳4個部位埋設(shè)吸力傳感器,如圖1(b)所示，隨時監(jiān)測壩體內(nèi)部的基質(zhì)吸力變化情況。

圖1 試驗?zāi)Ｐ图皞鞲衅魑恢肍ig.1 Test model and position of sensors

模型制作密度、含水率均以現(xiàn)場取樣所獲得的密度和含水率為準(zhǔn)，制作完成后吊裝到環(huán)境箱中(如圖2(a))，在環(huán)境箱上方安裝長弧疝燈和調(diào)速風(fēng)機(jī)，用來模擬白天的日光照射和自然風(fēng)；多個霧化噴頭均勻置于模型上方，用來模擬降雨，降雨量的大小可通過調(diào)節(jié)噴頭出水量和增減噴頭個數(shù)來實現(xiàn)(如圖2(d))。

圖2 試驗設(shè)備Fig.2 Test devices

2.2 試驗過程

試驗過程如表1所示。

表1 試驗過程Table 1 Test procedures

2.3 重塑壩坡自然干旱-降雨條件下基質(zhì)吸力變化與分析

重塑后的壩坡是在天然含水率和密度條件下制作而成，土質(zhì)均勻，各部位含水率基本相同，壩體表面均無明顯裂縫，如圖3(a)所示。模型就位后，首先進(jìn)行人工降雨，降雨強(qiáng)度控制在上游壩坡始終有表面徑流，見圖3(b)。歷時約1 h后，上游水位增長至壩坡中部(此位置模型隔板上小孔，控制水位不再上漲)，對壩體形成浸泡濕潤后停止。此后，環(huán)境箱中的模型受光照和風(fēng)力綜合作用，控制內(nèi)部溫度不低于30 ℃，促使模型在光照和風(fēng)力作用下逐漸失水。

圖3 壩體模型上游坡面和降雨過程上游坡面Fig.3 Upstream slope of dam model and in rainfall process

埋設(shè)在各部位的吸力傳感器測得的基質(zhì)吸力隨時間的變化曲線見圖4。蒸發(fā)干燥開始的前幾天，因各部位含水率較高，表面均無裂縫出現(xiàn)，除壩頂面干燥強(qiáng)度略大、基質(zhì)吸力稍有增加，其余各部位基質(zhì)吸力增加不明顯。

圖4 各部位基質(zhì)吸力隨時間的變化曲線Fig.4 Curves of suction at different positions against time

圖5 干燥至第7天上游壩坡Fig.5 Cracks after drying for seven days

干燥至第7天，上游壩坡中部首先出現(xiàn)裂縫(如圖5)，此處的含水率迅速降低，導(dǎo)致基質(zhì)吸力短時間內(nèi)增長至極值(該傳感器的最大量程為1 500 kPa)。上游壩腳處吸力增長稍滯后于壩坡中部，在第9—12天期間基質(zhì)吸力才迅速增長并達(dá)到極值。壩頂面基質(zhì)吸力從第7天左右開始也逐漸增大，但從第13天左右開始，吸力呈逐漸降低趨勢并趨于穩(wěn)定。壩體底部因失水較慢，吸力增長均滯后于其他部位，且增長速率也相對較低。

出現(xiàn)上述趨勢的主要原因是初期壩腳位置含水率逐漸蒸發(fā)減少，但上部土體中的自由水會逐漸下滲至壩腳形成補(bǔ)充，因此，壩腳部位吸力增長較壩中部滯后；壩頂面干燥逐漸失水而造成吸力增長，周圍土體含水率對基質(zhì)吸力的變化起主導(dǎo)作用，但當(dāng)其頂部因干燥出現(xiàn)拉裂縫后，含水率已降低到極小值，此時基質(zhì)吸力主要受環(huán)境條件影響，因干燥冷風(fēng)沿裂縫進(jìn)入，直接吹拂到傳感器，使得測量到的吸力有所降低，且該變化過程在一段時間后達(dá)到穩(wěn)定，測量的基質(zhì)吸力基本保持不變。

2.4 蒸發(fā)出現(xiàn)裂縫后降雨-再蒸發(fā)條件下基質(zhì)吸力變化與分析

試驗持續(xù)進(jìn)行到第19天，各部位吸力基本穩(wěn)定，對比近幾日裂縫寬度、個數(shù)，基本呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，裂縫發(fā)展情況如圖6(a)所示。隨后對模型進(jìn)行人工降雨，強(qiáng)度仍保持壩面有徑流，降雨約30 min后，壩體表面裂縫基本愈合，如圖6(b)所示。待上游水位漲至壩中位置后停止降雨，讓雨水自由入滲，并開啟疝燈和風(fēng)機(jī)進(jìn)行干燥蒸發(fā)。

圖6 干燥至第19天上游壩坡和再降雨后的上游壩坡Fig.6 Cracks after drying at the nineteenth day and crack healing during the second rainfall

從圖4上看，降雨后4個部位的基質(zhì)吸力全部陡降，其中上游壩中和壩腳位置吸力接近0，壩頂面及壩底部吸力仍有約100 kPa。隨著干燥的持續(xù)，各部位吸力開始逐漸增加，但可以明顯看出，除壩體底部外，其余各部位吸力增長速率均遠(yuǎn)低于模型制作完成后的第一次降雨-蒸發(fā)后吸力的增長速率。另外，從2次降雨后干燥形成的基質(zhì)吸力曲線上看，上游壩中吸力增長仍是最快，基本上干燥2 d后就達(dá)到極值，壩腳處經(jīng)過約10 d干燥后才最終達(dá)到極值；壩頂面和壩底部吸力增長較為緩慢，且受外界氣候影響顯著。降雨后因黏土裂縫愈合，干燥時吸力增長較快，但裂縫出現(xiàn)后，吸力增長受外界影響程度增加，壩頂面后期吸力變化最為明顯：每天中午11—12時和晚上0時基本上是吸力的最高和最低值點，且裂縫開裂越多、越大，氣候影響越明顯。壩底部和壩頂面吸力在干燥18 d后，基本上不再大幅波動、相對穩(wěn)定。

總體規(guī)律可總結(jié)如下：

(1)干燥蒸發(fā)促使各部位吸力逐漸增長，各部位因失水速率不同而呈現(xiàn)不同的增長速率；降雨后各部位吸力均迅速降低，且因干燥產(chǎn)生的裂縫形成雨水入滲的通道，隨降雨次數(shù)的增加，吸力降低速率逐漸增大。

(2)裂縫的出現(xiàn)加速干燥蒸發(fā)的失水速率，并形成土體內(nèi)部與外界交換的通道，吸力變化受外界環(huán)境影響程度增加。

(3)經(jīng)歷過一次干旱后，壩體模型各處留有拉裂縫，再次經(jīng)歷一段時間降雨將會使得模型整體的含水率比初次經(jīng)歷降雨后的含水率略大，在同樣的干燥環(huán)境下，最初的基質(zhì)吸力的增長相比第一次干燥呈現(xiàn)出增長較緩的現(xiàn)象。

2.5 壩頂面和壩坡中部土-水特征曲線

考慮到黏土壩在經(jīng)歷多次極端干燥后產(chǎn)生縱橫交錯的裂縫，為雨水滲入土體提供了良好的通道，導(dǎo)致裂縫深度范圍內(nèi)土體基質(zhì)吸力急速降低。因基質(zhì)吸力降低導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低而引發(fā)壩體滑坡的可能性增大，為此，針對第3次降雨后的壩頂面、上游壩坡中部的吸力隨時間的變化曲線及干燥階段含水率變化曲線分別繪制如圖7、圖8所示。

圖7 第3次降雨后吸力隨時間的變化曲線Fig.7 Curves of suction against time after the third cycle of rainfall

圖8 干燥階段壩坡面和坡中部含水率變化曲線Fig.8 Variations of water content on the surface and in middle of the slope in drying stage

從2個不同部位含水率隨時間的變化規(guī)律來看，降雨達(dá)到飽和狀態(tài)后，短時間內(nèi)壩頂和壩坡處含水率都呈迅速降低的趨勢，隨后趨勢逐漸變緩，其主要原因是壩頂面降雨后表面形成的徑流將多余雨水帶走，并因多次干濕循環(huán)后土體較為松散，雨水下滲速度加快；壩坡中部因干燥產(chǎn)生的多條裂縫降雨后無法完全閉合，雨水沿裂縫入滲要比直接從土體表面入滲速度快得多，因而，含水率降低速度均較快。當(dāng)壩頂和壩坡面裂縫中的自由水基本下滲完畢后，通過環(huán)境條件的干燥蒸發(fā)對黏土顆粒周邊的結(jié)合水的影響很小，失水速率明顯變慢。

從壩坡中部和壩頂面土-水特征曲線(圖9)來看，壩坡處進(jìn)氣值約為9.7 kPa，壩頂面處進(jìn)氣值則高達(dá)97 kPa，是壩坡處的約10倍，而進(jìn)氣值大小與該處顆粒的疏密程度有關(guān)[9]，進(jìn)氣值高、顆?？讖叫?，持水能力強(qiáng)[10]。這也說明因為經(jīng)歷了干濕循環(huán)，在壩坡中部產(chǎn)生了拉裂縫(實際工程中壩坡裂縫情況見圖10)，造成該處土體松散，持水能力降低，與壩頂面處相比，基質(zhì)吸力隨飽和度的降低增加速度更快。這一點，從圖9中曲線的增長趨勢也可以明顯看出來。

圖9 壩坡中部及壩頂面土-水特征曲線(脫濕過程)Fig.9 Soil and water characteristic curves of the middle part and the top surface of dam slope (in dehydration process)

圖10 白龜山水庫壩坡裂縫情況Fig.10 Cracks on dam slope of Baiguishan Reservoir

3 結(jié) 論

通過對室內(nèi)縮尺模型的干燥-降雨循環(huán)過程中各部位基質(zhì)吸力監(jiān)測數(shù)據(jù)的反饋分析，結(jié)合第3次降雨后壩頂面和壩坡中部土-水特征曲線反映出來的特點，對白龜山水庫均質(zhì)黏土壩在極端干旱后遭遇強(qiáng)降雨的穩(wěn)定性研究得出如下結(jié)論。

(1) 壩體歷經(jīng)長時間的沉積，自身穩(wěn)定性較好，短期內(nèi)的干旱蒸發(fā)使壩體表面失水較多，但不影響自身穩(wěn)定；長期干旱蒸發(fā)導(dǎo)致壩體局部出現(xiàn)拉裂縫，一旦經(jīng)歷強(qiáng)降雨過程，上游壩坡處產(chǎn)生的裂縫會形成雨水入滲的優(yōu)勢流，迅速滲入壩體內(nèi)部，而表層坡面因雨水浸泡，基質(zhì)吸力迅速降低，和壩體內(nèi)部裂縫未能深入到達(dá)的部位形成軟硬不均的結(jié)構(gòu)面，在黏土和雨水重力綜合作用下，極易造成上游壩坡局部溜滑，形成滑坡，危及水庫安全。

(2) 隨著干旱蒸發(fā)-降雨入滲這一干濕循環(huán)次數(shù)的增加，壩體表層黏土?xí)饾u松散，上游壩坡在重力和雨水入滲作用下更為明顯；干旱形成的拉裂縫降雨后可能會部分閉合，但因該位置閉合后土體顆粒無法凝聚形成黏聚力，再次干旱時該處土體將會最先開裂形成裂縫，并促使該裂縫深度范圍內(nèi)的含水率迅速降低。

(3) 從不同位置的含水率變化及壩頂面、壩坡中部土-水特征曲線來看，經(jīng)歷干燥蒸發(fā)后的壩坡中部出現(xiàn)裂縫，裂縫深度范圍內(nèi)含水率變化隨降雨、蒸發(fā)作用變化明顯，其土體強(qiáng)度也隨著裂縫的擴(kuò)展而不斷降低，但壩頂面的變化滯后于壩坡中部。因此，極端干旱后的突然降雨情況下，壩坡中部土體強(qiáng)度降低幅度會相對大，危及壩體安全，因此該部位的大壩監(jiān)測工作急需得到重視。

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Variation of Matric Suction of Clay Dam in Heavy Rainfall Conditionafter Extreme Drought

WEI Heng-zhi1, YE Wei2, LIU Yong-qiang1, XU Zhang-yao1, DU Yu-juan1, MA Fu-heng2, HU Jiang2

(1.Management Bureau of Baiguishan Reservoir in Henan, Pingdingshan 467031, China; 2.Dam Safety Management Department, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nangjing 210029, China)

To track the development of cracks in clay dam slope in extreme drought, we conducted model test to simulate the heavy rainfall and extreme drought condition at Baiguishan reservoir in 2014 as a case study. We obtained the changes in matric suction of slope soil during wetting and drying cycles, and analyzed the stability of dam slope according to the obtained soil-water characteristic curves (SWCCs). We conclude that the loss of water in dam surface caused by short-term drought does not affect the stability of dam slope; but cracks generated by long-term drought would become fast channels of rainfall infiltration in heavy rainfall, which drastically reduces the strength of slope soil and severely affects dam stability. Slope soil is loosened by continuous dry-wet cycles, and cracks are easily generated even not in extreme drought, both posing potential risk to the dam. Since crack development is closely related to the change of water content and has a direct impact on slope soil strength, we recommend to determine the slope stability and to propose corresponding protective measures according to SWCCs in different periods.

extreme drought; heavy rainfall; matric suction; crack; stability of dam slope

2016-09-07；

2016-10-17

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項(Y716007，Y715009，Y715012，Y715018，Y714014，Y714015)；河南省水利科技攻關(guān)項目(GG201532，GG201546)

魏恒志(1964-)，男，河南平頂山人，高級工程師，研究方向為水利水電施工與管理。E-mail：437535045@qq.com

10.11988/ckyyb.20160918

TV64

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1001-5485(2018)01-0107-05

(編輯:陳 敏)