魏雪林

(南昌縣棠墅港左堤河道堤防管理站，江西 南昌 330200)

1 工程背景

某水庫(kù)是一座以防洪和發(fā)電為主，兼具養(yǎng)殖和旅游等多種功能的綜合性大型水利工程。水庫(kù)庫(kù)區(qū)上游兩岸的地質(zhì)環(huán)境較差，存在范圍較大的碎石土岸坡。由于部分碎石土岸坡位于庫(kù)水位的消落帶內(nèi)，受到水位反復(fù)升降變化的影響，極易發(fā)生塌岸[1]。一旦發(fā)生大規(guī)模的塌岸，必然會(huì)造成大量的巖土體進(jìn)入庫(kù)區(qū)，不僅會(huì)影響水庫(kù)庫(kù)容，還會(huì)對(duì)上部的交通、建筑設(shè)施以及農(nóng)田造成顯著影響[2]。水庫(kù)水位的變動(dòng)會(huì)對(duì)岸坡內(nèi)部滲流場(chǎng)產(chǎn)生明顯的作用，進(jìn)而影響到邊坡的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)誘發(fā)塌岸現(xiàn)象的發(fā)生[3]?；诖耍恼乱晕锢砟Ｐ驮囼?yàn)的方法，以含水率和孔隙水壓力為代表性指標(biāo)[4]，展開(kāi)水位變動(dòng)對(duì)碎石帶岸坡內(nèi)部水文響應(yīng)影響規(guī)律的研究，進(jìn)而分析水位變化對(duì)塌岸的實(shí)際影響。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

本次試驗(yàn)使用的設(shè)備主要有兩部分，分別是試驗(yàn)池和水文數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)(主要是孔隙水壓力和含水率數(shù)據(jù)采集的傳感器)。其中，試驗(yàn)池為有機(jī)玻璃制作，長(zhǎng)和寬分別為140、50cm。水池的兩側(cè)高度不同，分別為80cm和60cm。測(cè)定含水率的傳感器型號(hào)為EC- 5，在坡體內(nèi)的不同位置布置6個(gè)傳感器，編號(hào)為M1～M6，并與外部的Em50 數(shù)據(jù)采集儀相連?？紫端畨毫Φ臏y(cè)定采用CYSBG- 20 微型傳感器，布置9個(gè)，編號(hào)為P1～P9，并與外部的XS18- V 多路信號(hào)采集儀相連。

為了獲取巖土體的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)，研究中通過(guò)庫(kù)區(qū)實(shí)地采樣，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的方法獲取。由于試驗(yàn)箱的尺寸較小，在進(jìn)行試驗(yàn)前首先對(duì)采樣后的巖土體過(guò)篩，以除去其中粒徑較大的碎石。按照測(cè)定的天然邊坡的相關(guān)參數(shù)，在試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行邊坡還原設(shè)計(jì)，按照1∶100的比例堆砌出試驗(yàn)岸坡[5]。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在研究之前對(duì)庫(kù)區(qū)上游的典型塌岸現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，結(jié)果顯示，碎石土邊坡塌岸現(xiàn)象主要集中在水庫(kù)死水位上的消落帶內(nèi)，這也說(shuō)明了水位變化對(duì)岸坡穩(wěn)定性存在比較顯著的影響。鑒于水庫(kù)庫(kù)水位變化范圍為5～35m，將岸坡的高度設(shè)定為40m，按照比例折算，模型邊坡的高度為40cm，根據(jù)研究需要，將坡頂?shù)钠脚_(tái)寬度設(shè)定為15cm。研究中還對(duì)庫(kù)區(qū)上游現(xiàn)有的23處碎石土塌岸的坡度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示主要集中在30°～40°，因此在試驗(yàn)過(guò)程中將模型邊坡的坡度設(shè)計(jì)為30°、35°和40°三種。

根據(jù)相關(guān)研究成果，水庫(kù)水位的變動(dòng)會(huì)對(duì)岸坡內(nèi)部滲流場(chǎng)造成比較顯著的影響。根據(jù)水庫(kù)資料，正常蓄水位和死水位之間的落差為25m，但是水位的變化速度較小，難以按照實(shí)際變化情況進(jìn)行試驗(yàn)[6]。因此在研究中按照水庫(kù)的蓄水和排水過(guò)程，將水庫(kù)的水位設(shè)為死水位、中水位和高水位三個(gè)階段，水位高度分別折算為5、20、35cm。在試驗(yàn)過(guò)程中，模擬水庫(kù)的水位高度由死水位升高到正常蓄水位再降低到死水位的完整周期，共5個(gè)水位變化階段。其中兩個(gè)階段之間的變化時(shí)間為0.5h，每個(gè)水位階段的保持時(shí)間為2h，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程需要12.5h，試驗(yàn)過(guò)程中的水位變化示意圖如圖1所示。按照比例模型試驗(yàn)中的水位高度設(shè)置為2cm。由于水庫(kù)所處的地形為河谷盆地地形，因此風(fēng)浪的能量不大，庫(kù)區(qū)波浪的高度較小，因此研究中將波浪高度固定為0.5cm[7]。

圖1 試驗(yàn)水位變化曲線

2.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾?/h3>

根據(jù)本次研究的目的和需要，在試驗(yàn)池的一側(cè)堆積起岸坡模型，為了便于收集塌岸之后的流失物，在岸坡的坡腳和水池的底部鋪上一層土工布，在試驗(yàn)水池中布設(shè)造浪系統(tǒng)，以模擬水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中的天然工況[8]。將各種傳感器預(yù)先埋設(shè)在坡體內(nèi)部，通過(guò)連接線與數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測(cè)設(shè)備相連，其布設(shè)位置如圖2所示。

圖2 傳感器布設(shè)位置示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 含水率變化規(guī)律

利用試驗(yàn)裝置對(duì)不同坡度工況下的岸坡含水率進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)結(jié)果整理獲取如圖3所示的各測(cè)點(diǎn)含水率變化特征。整體來(lái)看，不同測(cè)點(diǎn)部位的岸坡內(nèi)部含水率變化速度和庫(kù)水位的變化特征之間具有比較明顯的一致性，也就是庫(kù)水位的升降變化會(huì)引起含水率變化速度的增大或減小。

圖3 各點(diǎn)位含水率速度峰值變化曲線

在同一坡度條件下，除了岸坡深部的M5和M6測(cè)點(diǎn)之外，其余的4個(gè)測(cè)點(diǎn)在水位上升階段的含水率變化速度較慢，而在水位下降階段的含水率變化速度較快。究其原因，主要是水位下降階段岸坡中的細(xì)顆粒會(huì)隨著排水過(guò)程而流失，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡內(nèi)部的過(guò)水面積明顯增加，滲透的速度有所加快。而邊坡深部的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)受此影響較小，因此變化并不明顯。在不同坡度條件下，坡度越大，含水率的變化速度越快，其原因是在水頭一定的情況下，坡度較大時(shí)的入滲距離會(huì)縮短，滲透的速度也會(huì)隨之加快。

從水平方向來(lái)看，測(cè)點(diǎn)位置越高，含水率變化速度的峰值越大，也就是M1和M2測(cè)點(diǎn)最大，M3和M4測(cè)點(diǎn)次之，M5和M6測(cè)點(diǎn)最小。究其原因，主要是測(cè)點(diǎn)位置越高，入滲的距離就會(huì)明顯縮短，變化速度也就越大。例如，距離岸坡表面最近的M2測(cè)點(diǎn)的含水率的變化速度最大，而位于岸坡深部的M5和M6測(cè)點(diǎn)的變化波動(dòng)明顯偏小?；谙嗤脑?，在豎直方向上看，位于邊坡內(nèi)部的3個(gè)測(cè)點(diǎn)，其含水率變化速度和峰值較外部的3個(gè)測(cè)點(diǎn)明顯偏小。

3.2 孔隙水壓力變化規(guī)律

利用試驗(yàn)裝置對(duì)不同坡度工況下的岸坡孔隙水壓力進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)結(jié)果整理獲取如圖4所示的各測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力變化曲線。與上節(jié)的含水率變化類似，岸坡的坡度主要通過(guò)岸坡形態(tài)的改變對(duì)孔隙水壓力的大小造成影響。整體來(lái)看，不同測(cè)點(diǎn)部位的岸坡內(nèi)部孔隙水壓力和庫(kù)水位的變化特征之間具有比較明顯的一致性，也就是庫(kù)水位的升降變化會(huì)引起孔隙水壓力變化速度的增大或減小。

圖4 各點(diǎn)位孔隙水壓力反應(yīng)時(shí)間研究

在同一坡度條件下，測(cè)點(diǎn)位置距離岸坡的表面越近，孔隙水壓力的變化速率就會(huì)越快。究其原因，主要是與岸坡表面越近，就能夠越快獲得庫(kù)水的排泄或補(bǔ)給。與含水率變化特征類似，在不同坡度條件下，坡度越大，孔隙水壓力的變化速度越快，其原因是在水頭一定的情況下，坡度較大時(shí)的入滲距離會(huì)縮短，孔隙水壓力的變化速度也會(huì)隨之加快。

從水平方向的變化特征來(lái)看。P1和P2測(cè)點(diǎn)位于高水位部位，雖然補(bǔ)給和排泄比較迅速，但是由于僅接受庫(kù)水位的側(cè)向補(bǔ)給，在試驗(yàn)過(guò)程中并沒(méi)有達(dá)到飽和程度。因此，這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)部位的含水率變化比較迅速，但是孔隙水壓力的變化并不十分明顯。P3、P4和P5三個(gè)測(cè)點(diǎn)位于中水位高度，受到水位下降階段岸坡中的細(xì)顆粒會(huì)隨著排水過(guò)程流失而導(dǎo)致邊坡內(nèi)部的過(guò)水面積增大的影響，排泄階段的孔隙水壓力變化速度明顯較快。位于死水位部位的P6～P9四個(gè)測(cè)點(diǎn)，由于試驗(yàn)過(guò)程中的水位不會(huì)低于死水位，因此孔隙水壓力變化不明顯。從豎向來(lái)看，與含水率變化特征類似，基本符合由外到內(nèi)逐漸減小的特征。

4 結(jié)論

(1)岸坡內(nèi)部含水率變化速度和庫(kù)水位的變化特征之間具有比較明顯的一致性，也就是庫(kù)水位的升降變化會(huì)引起含水率變化速度的增大或減??；且含水率變化速度在水位下降階段要大于水位上升階段。

(2)位置越高，越靠近岸坡表面部位的含水率變化速率就會(huì)越快；反之，含水率變化速率就會(huì)越慢。

(3)孔隙水壓力和庫(kù)水位的變化特征之間具有比較明顯的一致性，也就是庫(kù)水位的升降變化會(huì)引起孔隙水壓力變化速度的增大或減??；距離岸坡的表面越近，孔隙水壓力的變化速率就會(huì)越快，基本符合由外到內(nèi)逐漸減小的特征。

(4)庫(kù)水位變化會(huì)對(duì)碎石土岸坡內(nèi)部水文響應(yīng)規(guī)律造成顯著影響，在岸坡穩(wěn)定性研究中要注意到上述影響。