加筋無黏性土石壩漫頂潰壩試驗研究

王秋生，王洪洋，蘇瑞林

（北京工業(yè)大學 建筑工程學院，北京 100124）

加筋無黏性土石壩漫頂潰壩試驗研究

王秋生，王洪洋，蘇瑞林

（北京工業(yè)大學 建筑工程學院，北京 100124）

研制了封閉式循環(huán)供水土石壩潰壩模型試驗裝置，并應用該裝置開展了室內模型試驗，對加筋無黏性均質土壩的潰壩過程進行了系統(tǒng)研究，探討了壩體加筋對潰壩流量過程線的影響規(guī)律。研究結果表明：在水泵出水口設置消能彎管和擋水隔板可保證模型上游供水的穩(wěn)定性，在試驗裝置側面設置連接上下游的U型測流彎管，把明渠流轉化為滿管管流，在U型彎管下側平直段安裝電磁式流量計量測潰口流量，可有效提高流量過程線的測量精度；加筋無黏性均質土壩的漫頂潰壩過程可分為壩體下游未加筋區(qū)域、加筋嵌固區(qū)和上游未加筋區(qū)域破壞3個階段；隨著加筋體埋深的增加，峰值流量呈現(xiàn)先增大、后減小，再增大的變化規(guī)律，在壩高的35%～50%范圍內埋設加筋體，能夠降低潰壩峰值流量；減小加筋體豎向間距能有效延滯潰壩峰現(xiàn)時間。

加筋；土石壩；漫頂；潰壩；模型試驗

1 研究背景

土石壩一旦發(fā)生潰壩，將嚴重影響下游居民的生命財產安全。比如河北“63.8”暴雨造成中小型水庫垮壩失事319座，沖毀村莊106個，致使1 467人死亡［1］；河南“75.8”暴雨造成板橋、石漫灘兩座大型水庫，田崗、竹溝兩座中型水庫和58座小型水庫垮壩，造成12 000 km2土地受淹，1 100萬人受災；青海省溝后水庫潰壩造成下游居民死亡288人，失蹤40人［2］。據(jù)統(tǒng)計［3］，1954—2007年，我國共有3 503座水庫發(fā)生潰決，所潰大壩中98%以上是土石壩，年均潰壩率為7.6×10-4，遠高于世界平均潰壩率（2×10-4）。盡管2007年我國啟動了大規(guī)模的病險水庫除險加固，但在2010—2013年間，仍有20余座水庫大壩發(fā)生潰壩。漫頂潰壩是土石壩潰壩的重要破壞形式［4］。漫頂潰壩的計算模型主要有機理模型和統(tǒng)計模型兩類［5-9］，盡管近年來發(fā)展了大量的土石壩漫頂潰壩計算模型，但是由于潰壩實測資料匱乏，這些模型沒有得到系統(tǒng)的實際工程事故驗證。模型試驗是研究土石壩潰壩機理、提出并驗證計算模型的重要手段。近年來，國內外學者開展了大量的土石壩漫頂潰壩模型試驗［10-17］，對均質土石壩的漫頂潰壩過程進行了劃分［18］，探討了均質土石壩的漫頂潰壩機理。但是這些模型試驗主要針對均質土石壩。土工合成材料作為一種經濟有效的加筋材料，在土石壩抗震加固中得到了廣泛應用［19-20］。由于壩體結構對地震波的放大效應，壩體上部加速度反應較大，一般對壩體上部1/5～1/4范圍內鋪設土工合成材料進行抗震加固。本文應用自行研制的封閉式循環(huán)供水模型試驗裝置開展了土石壩加筋漫頂潰壩模型試驗，研究了內部加筋對土石壩漫頂潰壩的影響，分析加筋土石壩的潰壩過程和潰壩機理，提出減小洪峰流量的土石壩加筋有效埋置深度范圍。

2 試驗設備及試驗方案

2.1 試驗設備試驗在自行研制的封閉式循環(huán)供水模型試驗裝置內進行。該裝置長1.4 m，寬0.6 m，高1.125 m，沿高度方向分上中下3層，下層放置離心泵，中層儲水，上層放置試驗模型，設備細部構造及實物如圖1和圖2所示。離心泵揚程108 m，最大轉速2 900 rpm，可提供的最大流量為4.0 L/s。水泵標定結果表明，轉速和流量呈現(xiàn)線性關系，在本次開展的系列模型試驗中，水泵出水流量設定為1.15 L/s。中層和上層側面設置透明有機玻璃，以便觀察儲水區(qū)水位變化和觀測潰壩過程。

圖1 循環(huán)供水系統(tǒng)（單位：mm）

圖2 循環(huán)供水系統(tǒng)

在模型上游設置消能彎管和溢流板，用于減少水面波動；下游設置儲土槽和攔土板，用于攔截漫頂水流沖蝕到下游的土體。攔土板后設置連接模型放置區(qū)和儲水區(qū)的U型測流彎管，測流彎管的下側平直段裝滿水，并安裝電磁式流量計。試驗過程中，通過離心泵抽取儲水區(qū)的水，經消能彎管和溢流板后沖蝕壩體，水流再經儲土槽、攔土板和測流彎管返回儲水區(qū)，實現(xiàn)水流循環(huán)。該裝置通過U型測流彎管把模型下游的明渠流轉換為滿管管流，應用電磁流量計測量下游流量，顯著提高了潰口下游流量的測量精度。

2.2 試驗方案為針對性的研究加筋位置和層數(shù)對土石壩潰壩過程的影響，設計了13組模型試驗方案，每組試驗都應用同一砂土作為壩體材料，一組試驗完成后，晾干并按預定含水率重新配制土樣。為防止試驗過程中壩體首先發(fā)生滲透破壞，應用連續(xù)級配的砂土制作模型，級配曲線如圖3所示。其有效粒徑d10=0.15 mm，d30=0.62 mm，控制粒徑d60=1.65 mm，不均勻系數(shù)Cu=11，曲率系數(shù)Cc=1.55，含水率為7%，濕密度為2 050 kg/m3。

13組室內試驗方案如表1所示，其中T0為不加筋的均質土石壩，T5至T12為一層加筋土石壩，下角標表示加筋體至壩頂?shù)呢Q向距離（埋深）；T4/6、T4/8、T6/8為二層加筋土石壩，下角標表示兩層加筋體各自埋深；T4/6/8為3層加筋土石壩，下角標表示3層加筋體各自埋深。所有的13組試驗具有相同的壩體外形尺寸。

Wang等［21］在應用離心模型試驗研究加筋土石壩的地震響應時采用醫(yī)用紗布模擬加筋材料，考慮到醫(yī)用紗布剛度小，且在上述模型試驗工況下不至于產生破壞，本文同樣選用醫(yī)用紗布模擬加筋材料，所選紗布厚度為0.15 mm，經紗密度和緯紗密度分別為21和32。鑒于試驗模型尺寸較小，將紗布從上游壩坡到下游壩坡通寬埋設。

通過分層壓實再削坡的方法制備模型，模型尺寸如圖4所示。壩體模型分4層壓實，層高5 cm。由于紗布埋設深度可能與模型制備時每層壓實高度的位置不同，每當紗布鋪設于設計埋深前，均需將埋設位置土體壓實，并將鋪設面打毛，確保紗布和砂土之間均勻嵌固。在實際工程中，土工合成材料是根據(jù)土石壩邊坡穩(wěn)定性驗算得出的潛在滑裂面布置的，考慮到試驗模型尺寸較小，作為簡化，將紗布從上游壩坡到下游壩坡通寬埋設。初始試樣尺寸為50 cm×56.5 cm×20 cm，受試驗設備沿河道方向尺寸的制約，采用上游0.5∶1、下游1.5∶1的坡比削坡。壩頂?shù)闹虚g位置預設8 cm×4 cm的初始潰口，引導土石壩發(fā)生由壩頂中部的初始缺陷導致的潰壩破壞。為便于觀察下游潰口的橫向擴展過程，在下游坡面撒布6 cm×6 cm的石灰網(wǎng)格。

圖3 顆粒級配曲線

表1 試驗方案

圖4 壩體模型制備

3 土石壩漫頂潰壩過程分析

3.1 均質土石壩漫頂潰壩過程為對比分析加筋土石壩的潰壩過程，首先進行了不加筋條件下均質土石壩的漫頂潰壩試驗，潰壩過程如圖5所示。壩體漫頂后首先在下游形成寬度與初始潰口寬度相近的沖溝。壩體沖蝕速率自下游坡腳向上逐漸增大，下游潰口坡度逐漸變陡，潰口內坡角（潰口內坡與水平方向夾角，初始值為下游坡度）逐漸增大到某一臨界值。隨后潰口自下游向上游發(fā)展，形成潰口內坡角保持不變的溯源沖刷現(xiàn)象，順河道方向的壩體寬度逐漸變窄，直到潰口發(fā)展至上游壩肩，在此過程中壩體高程無明顯變化，潰壩水流流速保持為常量。接下來水流沖蝕上游壩坡，壩高快速下降，庫容在較短時間內迅速釋放，出現(xiàn)洪峰流量。隨著庫容釋放殆盡，水流流速由大變小，當流速小于砂土的啟動流速時，沖蝕過程結束，潰口不再發(fā)生變化。

圖5 均質土石壩漫頂潰壩

3.2 加筋土石壩漫頂潰壩過程土石壩加筋后，漫頂水流首先沖蝕加筋體上部壩體，并在壩體下游形成紡錘形的沖溝，由于加筋體阻滯水流向下沖蝕壩體，且約束了下部土體的上表面，使得潰口側面和加筋體結合部位的側向淘刷加劇，引起潰口側壁坍塌，相比不加筋條件下，壩前水位有所抬升。隨后水流逐漸沖蝕加筋體下部土體，潰口自下游向上游發(fā)展，當發(fā)展到上游壩坡時，庫容水位小于加筋體埋深，水流沖蝕上游壩坡，壩高快速降低，潰口的流量迅速增加，當庫容越來越小，流速隨之減小，當水流流速小于壩體材料的抗沖流速時，潰壩過程結束。三層加筋土石壩（T4/6/8）的漫頂潰壩過程如圖6所示。

圖6 3層加筋土石壩漫頂潰壩

可將加筋土石壩的橫向漫頂潰壩過程分為如下3個階段：

（1）土石壩下游未加筋部分的沖蝕破壞。初始沖溝的中部較寬、壩肩和壩腳相對較窄，呈現(xiàn)基本對稱的紡錘形。水流沖蝕壩體至加筋體裸露，一部分滲過加筋體，一部分沿加筋體形成射流，射流沖擊下游壩坡形成類似于黏土壩的“陡坎”，如圖7（a）所示。下游未加筋部分的沖刷以溯源“陡坎”的方式進行。

（2）土石壩加筋嵌固區(qū)的沖蝕破壞。加筋體和其嵌固壩體形成一道抗沖增強區(qū)，使得壩體的豎向沖蝕速率降低減慢，潰口發(fā)展變緩。同時，漫溢水流在下游對壩體產生強烈的基蝕，導致“陡坎”產生倒坡，如圖7（b）所示。潰口的豎向沖蝕緩慢而橫向擴展顯著，伴隨有潰口的側壁坍塌。

（3）土石壩上游未加筋部分的沖蝕破壞。潰口經過前兩階段的發(fā)展，漫溢水流從加筋體下部通過，沖刷上游壩坡，如圖7（c）所示。由于壩體上游未設置護堤等抗沖設施，抗沖性能差，沖蝕速率較大。此階段和無黏性均質土石壩漫頂潰壩的第三階段類似，主要是削低壩高，釋放庫容。當壩前水位和尾水水位接近時，水流速度小于砂土啟動流速，漫頂潰壩過程結束，如圖7（d）所示。

圖7 3層加筋土石壩漫壩橫斷面示意

3.3 加筋土石壩潰口的橫向擴展漫頂水流對潰口側壁的持續(xù)淘刷以及由此引起的潰口側壁坍塌導致潰口橫向擴展，由于加筋體對壩體的局部約束，使得加筋土石壩潰口的橫向擴展更加顯著。分別截取潰壩過程中T0、T5、T6、T8、T4/6、T6/8、T4/8和T4/6/8模型試驗下游坡面4個典型時刻圖像，分析土壩漫頂潰壩的橫向擴展過程，壩體下游沖溝輪廓線變化情況如圖8所示。其中，橫坐標表示下游壩坡坡面的橫向，沿該方向均布9個石灰網(wǎng)格，初始潰口位于壩體中部；縱坐標表示下游壩坡坡面的縱向，沿該方向均布6個石灰網(wǎng)格，其值從6～36 cm變化。在t=25s、t=50s以及t=100s時，由于尾水抬升，靠近壩基下游坡面被淹沒而無法量測，因此潰口下側部分輪廓缺失。

T0的潰口范圍在22.25～33.12 cm之間，10 s時的潰口最大寬度為9.77 cm，100 s時的最大潰口寬度為10.87 cm，增長了11.2%，在整個潰壩過程中，潰口擴展比較均勻。T5、T6和T8試驗10 s時的潰口寬度最大值分別為14.8、12.5和14.6 cm，且均出現(xiàn)在各自的加筋區(qū)域，潰口先增大后減小，呈現(xiàn)基本對稱的紡錘形，在土壩潰決過程中，潰口側壁發(fā)生土塊坍塌現(xiàn)象，潰口寬度有不同程度的擴展。以T6的潰口擴展圖為例，其在100 s時的潰口輪廓線明顯遠離前一階段，說明潰口在此階段發(fā)生了大范圍的側壁坍塌。T5、T6和T8試驗100 s時的潰口寬度最大值達到16.8、18.5和22.8 cm，分別增長了13.5%、48%和56.1%，和T0的均質土壩試驗相比，潰口橫向擴展更加明顯；T4/6、T6/8、T4/8和T4/6/8試驗的橫向潰口寬度更大，100s時初始潰口的最大寬度分別為17.6、18.8、18.2和19 cm，而最終潰口的最大寬度分別為19.3、21.4、20和22 cm，且整個過程只發(fā)生體積較小的側壁坍塌。

4 加筋位置和間距對流量過程線的影響

4.1 單層加筋位置對流量過程線的影響圖9為一層加筋均質土石壩在加筋體埋深不同時的漫頂潰壩流量過程線，不加筋條件下T0的峰值流量為2.0 L/s。而T5的峰值流量為2.16 L/s，和T0相比，增大8%，這是因為在潰壩的初始時刻，加筋體埋設位置和壩前庫容液位相差不大，潰口內的漫頂水流深度較小，潰口流量較小，庫容得不到及時釋放使得壩前液位不斷抬升，當水流從加筋體下部穿過時，潰口水深較大，從而使得峰值流量增加；T6和T7的峰值流量分別為2.08和1.94 L/s，從整個試驗結果分析，此時加筋體埋深位于最終潰口中部；T8和T9的峰值流量分別為1.67和1.7 L/s，比2.0 L/s降低16%，此時加筋體埋設于最終潰口中下部，相當于壩高的35%～50%范圍內，潰壩水流從加筋體下部穿過時，壩前液位較低，潰口流量較小；T10、T11和T12的峰值流量分別為1.93、2.01和1.99 L/s，此時加筋體位于最終潰口底部，只有少量的潰壩水流最終穿過加筋體，整個潰壩過程和均質土石壩大致相同。

圖8 潰口橫向擴展過程

圖9 加筋體埋深對流量過程線的影響

加筋體埋設深度與峰值流量的關系如圖10所示，隨著加筋體埋設位置下移，潰壩峰值流量先減小后增大，倘若把峰值流量顯著減小的加筋區(qū)定義為有效加筋區(qū)，其位于最終潰口的中下部，距壩頂7～10 cm，為壩高的35%～50%。土石壩抗震中加固中的通常加筋體埋置范圍為壩高的20%～25%，根據(jù)上述試驗結果，要使加筋體同時發(fā)揮抗震和抗沖的作用，應將土工合成材料的埋設范圍加大。

圖10 峰值流量和加筋埋深的關系

4.2 多層加筋對流量過程線的影響如圖11所示，T4/6的峰值流量為2.42 L/s，大于T4和T6的峰值流量；T4/8的峰值流量為1.77 L/s，和T0相比，降低11.5%，和T8相比，其值增大6%；T6/8和T4/6/8的峰值流量分別為1.88和1.78 L/s，和T0相比，分別降低6%和11%。上述試驗結果進一步說明土石壩內存在一個有效加筋埋置深度，加筋體埋置在有效深度范圍內，可降低潰口峰值流量，埋置在有效深度以上，會增大潰口的峰值流量。

T4/6、T6/8和T4/6/8的峰現(xiàn)時間分別為30、90和77s，比T0的峰現(xiàn)時間24s，延后25%、275%和220%，表明加筋體對其中間土體有良好的嵌固力，對延滯峰現(xiàn)時間有利。另外，T6/8和T4/6/8的流量過程線在出現(xiàn)峰值流量前，都有不同程度的波動（次峰），這和加筋體的層數(shù)有關，由于2層或3層加筋土石壩潰壩時庫容的小幅度分段釋放，使得峰值流量顯著降低，峰現(xiàn)時間明顯延后。

圖11 多層對流量過程線的影響

5 結論

應用自行研制的封閉式循環(huán)供水土石壩潰壩試驗裝置開展了13組均質無黏性均質土壩漫頂潰壩試驗，得出如下主要結論：所研制的封閉式循環(huán)供水土石壩潰壩模型試驗裝置，在水泵出水口設置消能彎管和擋水隔板，在裝置側面設置連接上下游的測流彎管，在彎管平直段安裝電磁式流量計，有效保證了上游供水的穩(wěn)定性和潰口流量過程線的量測精度。加筋無黏性均質土壩的漫頂破壞過程可分為土石壩下游未加筋部分沖蝕破壞、加筋嵌固區(qū)沖蝕破壞和上游未加筋部分沖蝕破壞三個階段。加筋材料對壩體局部具有約束作用，使得加筋土石壩潰口的橫向擴展更加顯著。未加筋壩體潰口擴展比較均勻；加筋土石壩潰口形狀主要表現(xiàn)為對稱的紡錘形，潰口寬度最大值均出現(xiàn)在各自的加筋區(qū)域。另外，加筋壩體在潰決過程中，潰口側壁發(fā)生土塊坍塌現(xiàn)象，并且隨著加筋體埋深及層數(shù)的增加，潰口寬度增加。隨著壩體加筋體埋置深度的增大，潰口峰值流量呈現(xiàn)先增大，后減小，再增大的變化規(guī)律。存在一個有效加筋區(qū)，本文的試驗成果顯示為壩高的35%～50%范圍。

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Abstract：A circulating water supply device was developed and thirteen small-scale embankments overtop?ping breach tests were conducted with the device.The breaching process of geotextile-reinforced noncohe?sive embankments was studied and the influence of dam geotextile reinforcement on flow process line of dam break was discussed.Conclusions can be drawn that：Using a folded energy dissipation pipe installed following the valve can guarantee the stability of upstream discharge，and using a U-bend pipe with flowme?ter installed laterally connecting the circulating flow can effectively improve the measurement accuracy of downstream discharge.The breaching process of the reinforced noncohesive embankment can be divided into three stages：erosion of the downstream unreinforced part，erosion of the geotextile stiffened part and ero?sion of the upstream unreinforced part，respectively.An effective reinforcement zone to reduce the peak dis?charge is found at 35%to 50%of the dam height.A decrease in geotextile spacing can enhance the antierosion properties and delay the peak time.

Keywords：geotextile-reinforced；embankment；overtopping；dam failure；model test

（責任編輯：韓 昆）

Experimental study on overtopping of geotextile-reinforced noncohesive embankments

WANG Qiusheng，WANG Hongyang，SU Ruilin
（College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

TV131.61

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.04.004

1672-3031（2017）04-0263-09

2017-06-15

國家自然科學基金項目（51679003）

王秋生（1977-），男，山東昌樂人，博士，副教授，主要從事巖土材料本構關系和強度理論、土石壩潰壩機理和風險控制等研究。E-mail：wangqs@bjut.edu.cn。