庫水位變化對上游碎石土岸坡內部水文響應影響的實驗研究

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。水庫庫區(qū)上游兩岸的地質環(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水位的消落帶內，受到水位反復升降變化的影響，極易發(fā)生塌岸[1]。一旦發(fā)生大規(guī)模的塌岸，必然會造成大量的巖土體進入庫區(qū)，不僅會影響水庫庫容，還會對上部的交通、建筑設施以及農田造成顯著影響[2]。水庫水位的變動會對岸坡內部滲流場產生明顯的作用，進而影響到邊坡的穩(wěn)定性，嚴重時還會誘發(fā)塌岸現(xiàn)象的發(fā)生[3]?；诖?，文章以物理模型試驗的方法，以含水率和孔隙水壓力為代表性指標[4]，展開水位變動對碎石帶岸坡內部水文響應影響規(guī)律的研究，進而分析水位變化對塌岸的實際影響。

2 試驗設計

2.1 試驗設備與材料

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

為了獲取巖土體的相關物理力學參數(shù)，研究中通過庫區(qū)實地采樣，然后通過實驗室測定的方法獲取。由于試驗箱的尺寸較小，在進行試驗前首先對采樣后的巖土體過篩，以除去其中粒徑較大的碎石。按照測定的天然邊坡的相關參數(shù)，在試驗箱內進行邊坡還原設計，按照1∶100的比例堆砌出試驗岸坡[5]。

2.2 試驗方案設計

在研究之前對庫區(qū)上游的典型塌岸現(xiàn)場進行實地調查，結果顯示，碎石土邊坡塌岸現(xiàn)象主要集中在水庫死水位上的消落帶內，這也說明了水位變化對岸坡穩(wěn)定性存在比較顯著的影響。鑒于水庫庫水位變化范圍為5～35m，將岸坡的高度設定為40m，按照比例折算，模型邊坡的高度為40cm，根據研究需要，將坡頂?shù)钠脚_寬度設定為15cm。研究中還對庫區(qū)上游現(xiàn)有的23處碎石土塌岸的坡度進行統(tǒng)計，結果顯示主要集中在30°～40°，因此在試驗過程中將模型邊坡的坡度設計為30°、35°和40°三種。

根據相關研究成果，水庫水位的變動會對岸坡內部滲流場造成比較顯著的影響。根據水庫資料，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，難以按照實際變化情況進行試驗[6]。因此在研究中按照水庫的蓄水和排水過程，將水庫的水位設為死水位、中水位和高水位三個階段，水位高度分別折算為5、20、35cm。在試驗過程中，模擬水庫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個水位變化階段。其中兩個階段之間的變化時間為0.5h，每個水位階段的保持時間為2h，整個試驗過程需要12.5h，試驗過程中的水位變化示意圖如圖1所示。按照比例模型試驗中的水位高度設置為2cm。由于水庫所處的地形為河谷盆地地形，因此風浪的能量不大，庫區(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 試驗水位變化曲線

2.3 試驗模型布置

根據本次研究的目的和需要，在試驗池的一側堆積起岸坡模型，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，在試驗水池中布設造浪系統(tǒng)，以模擬水庫運行過程中的天然工況[8]。將各種傳感器預先埋設在坡體內部，通過連接線與數(shù)據的采集和監(jiān)測設備相連，其布設位置如圖2所示。

圖2 傳感器布設位置示意圖

3 試驗結果與分析

3.1 含水率變化規(guī)律

利用試驗裝置對不同坡度工況下的岸坡含水率進行測定，根據結果整理獲取如圖3所示的各測點含水率變化特征。整體來看，不同測點部位的岸坡內部含水率變化速度和庫水位的變化特征之間具有比較明顯的一致性，也就是庫水位的升降變化會引起含水率變化速度的增大或減小。

圖3 各點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測點之外，其余的4個測點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顆粒會隨著排水過程而流失，進而導致邊坡內部的過水面積明顯增加，滲透的速度有所加快。而邊坡深部的兩個測點受此影響較小，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，坡度較大時的入滲距離會縮短，滲透的速度也會隨之加快。

從水平方向來看，測點位置越高，含水率變化速度的峰值越大，也就是M1和M2測點最大，M3和M4測點次之，M5和M6測點最小。究其原因，主要是測點位置越高，入滲的距離就會明顯縮短，變化速度也就越大。例如，距離岸坡表面最近的M2測點的含水率的變化速度最大，而位于岸坡深部的M5和M6測點的變化波動明顯偏小?；谙嗤脑?，在豎直方向上看，位于邊坡內部的3個測點，其含水率變化速度和峰值較外部的3個測點明顯偏小。

3.2 孔隙水壓力變化規(guī)律

利用試驗裝置對不同坡度工況下的岸坡孔隙水壓力進行測定，根據結果整理獲取如圖4所示的各測點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岸坡形態(tài)的改變對孔隙水壓力的大小造成影響。整體來看，不同測點部位的岸坡內部孔隙水壓力和庫水位的變化特征之間具有比較明顯的一致性，也就是庫水位的升降變化會引起孔隙水壓力變化速度的增大或減小。

圖4 各點位孔隙水壓力反應時間研究

在同一坡度條件下，測點位置距離岸坡的表面越近，孔隙水壓力的變化速率就會越快。究其原因，主要是與岸坡表面越近，就能夠越快獲得庫水的排泄或補給。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，坡度較大時的入滲距離會縮短，孔隙水壓力的變化速度也會隨之加快。

從水平方向的變化特征來看。P1和P2測點位于高水位部位，雖然補給和排泄比較迅速，但是由于僅接受庫水位的側向補給，在試驗過程中并沒有達到飽和程度。因此，這兩個測點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P5三個測點位于中水位高度，受到水位下降階段岸坡中的細顆粒會隨著排水過程流失而導致邊坡內部的過水面積增大的影響，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～P9四個測點，由于試驗過程中的水位不會低于死水位，因此孔隙水壓力變化不明顯。從豎向來看，與含水率變化特征類似，基本符合由外到內逐漸減小的特征。

4 結論

(1)岸坡內部含水率變化速度和庫水位的變化特征之間具有比較明顯的一致性，也就是庫水位的升降變化會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越快；反之，含水率變化速率就會越慢。

(3)孔隙水壓力和庫水位的變化特征之間具有比較明顯的一致性，也就是庫水位的升降變化會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越快，基本符合由外到內逐漸減小的特征。

(4)庫水位變化會對碎石土岸坡內部水文響應規(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。