堤外水位升降條件下非穩(wěn)定滲流模型試驗(yàn)研究

詹美禮，蹤金梁，嚴(yán) 飛，羅玉龍，盛金昌

（河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098）

1 引 言

在升降條件下，特別是水位驟升或驟降時(shí)，壩體內(nèi)滲流場短時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生較大的變化，影響壩體尤其是上游迎水坡的穩(wěn)定性。水位驟升時(shí)，導(dǎo)致上游坡面的孔隙水壓力短時(shí)間內(nèi)急劇上升，堤岸邊坡的穩(wěn)定性降低[1]；水位驟降時(shí)，壩體內(nèi)孔隙水壓力來不及消散，上游壩坡溢出點(diǎn)很高，往往會(huì)發(fā)生深層的整體滑動(dòng)[2－3]。水位下降速度越大，上游壩坡穩(wěn)定性降低速度越快，降低幅度越大[4]。因此，對(duì)水位升降條件下的非穩(wěn)定滲流復(fù)雜流態(tài)開展研究非常重要。赤井浩一等[5]通過室內(nèi)砂槽模型試驗(yàn)，研究了堤壩非穩(wěn)定滲流的浸潤線變化規(guī)律。詹美禮等[6]通過設(shè)計(jì)不同水位組合的工況，綜合研究了非穩(wěn)定滲流作用下堤壩的浸潤線變化情況及其非飽和區(qū)負(fù)壓的變化規(guī)律。朱偉等[7]在河流土堤內(nèi)進(jìn)行了非穩(wěn)定滲流的現(xiàn)場試驗(yàn)，實(shí)測了洪水來臨時(shí)河堤內(nèi)的滲流進(jìn)展過程。段祥寶等[8－9]開展了非穩(wěn)定滲流作用下的邊坡穩(wěn)定模型試驗(yàn)，模擬了不同土力學(xué)條件和水力學(xué)條件下堤岸的非穩(wěn)定滲流物理過程。李邵軍等[10]以離心模型試驗(yàn)為手段，模擬了三峽庫區(qū)邊坡在水位升降作用下的失穩(wěn)過程。由于基質(zhì)吸力測量的困難，前人在非穩(wěn)定滲流試驗(yàn)研究中，對(duì)非飽和區(qū)負(fù)壓變化規(guī)律研究較少。為此，本次開展了水位驟升、驟降工況下堤壩壩體非穩(wěn)定滲流模型試驗(yàn)，重點(diǎn)討論了非飽和區(qū)基質(zhì)吸力的變化規(guī)律及其影響因素，進(jìn)而為堤防穩(wěn)定性分析及安全評(píng)價(jià)提供參考。

2 堤壩模型與試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 堤壩模型設(shè)計(jì)

堤壩模型布置在水槽中，水槽長 3.75 m，寬0.5 m，高0.8 m。模型的斷面布置：壩頂寬0.3 m，壩底寬2.1 m，壩高0.75 m，上游壩坡1∶1，下游壩坡1∶1.4。在堤壩下游側(cè)設(shè)置排水砂石褥墊，伸入壩體1.05 m，厚0.05 m。堤壩模型設(shè)計(jì)為均質(zhì)土壩，土質(zhì)為重粉質(zhì)壤土。土樣濕重度為1.90 g/cm3，干重度控制為1.52 g/cm3，飽和滲透系數(shù)為2.19×10-5cm/s。在壩體內(nèi)不同位置布置了20個(gè)水勢傳感器用來測定基質(zhì)吸力，測點(diǎn)總體呈對(duì)稱布置，各傳感器布置的具體位置及堤壩模型的幾何斷面如圖 1所示。該堤壩模型在文獻(xiàn)[6]中也有相關(guān)介紹。

圖1 堤壩模型斷面尺寸及傳感器的位置布置Fig.1 Section of dike model and the disposal of sensors

非飽和區(qū)基質(zhì)吸力的量測采用中國科學(xué)院南京土壤研究所開發(fā)的 BS-1型壩體監(jiān)測系統(tǒng)。整套監(jiān)測系統(tǒng)包括硬件和軟件部分，硬件部分由監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)和傳感器組成，軟件部分的主要功能是數(shù)據(jù)采集、顯示及處理、參數(shù)設(shè)定等。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為研究堤壩內(nèi)測點(diǎn)的基質(zhì)吸力在上游水位驟升、驟降下的變化規(guī)律，上游水位分0.65 m及0.30 m兩組情況，下游水位分無水及0.25 m兩組情況。在放置模型的水槽中，上下游均有溢流口，并有閥門控制，這樣不僅可以控制水位，還可以得到實(shí)測流量。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了水位兩種組合：（1）水位驟升，初始時(shí)刻上下游無水，2 h后上游水位驟升至 0.65 m，下游不變。測試時(shí)間段為7月14日－7月21日。（2）水位驟降，初始時(shí)刻上游水位0.65 m，下游水位 0.25 m，90 min后上游水位降至0.30 m。測試時(shí)間段為8月6日－8月21日。

測試的主要內(nèi)容是堤壩模型內(nèi)各點(diǎn)的非飽和基質(zhì)吸力，由 BS-1型壩體監(jiān)測系統(tǒng)自動(dòng)采集、量測埋入壩體中傳感器的水勢值得到。為了檢驗(yàn)本監(jiān)測系統(tǒng)量測的準(zhǔn)確性和可靠性，試驗(yàn)前分別進(jìn)行了水桶驗(yàn)證試驗(yàn)和水銀張力計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)測數(shù)據(jù)的最大偏差在0.2 kPa之內(nèi)，并且具有反映1 cm水深變化的靈敏度。另外，還分時(shí)段觀察記錄了試驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度和濕度，以便研究外界環(huán)境因素對(duì)堤壩內(nèi)測點(diǎn)基質(zhì)吸力的影響。

3 堤壩非穩(wěn)定滲流試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 堤壩典型部位測點(diǎn)的非穩(wěn)定滲流過程

將堤壩模型典型部位測點(diǎn)分為上游側(cè)、中游側(cè)及下游側(cè)三部分進(jìn)行分析。限于篇幅，這里選擇位于上游側(cè)代表性測點(diǎn)1、10，中游側(cè)測點(diǎn)3，下游側(cè)測點(diǎn)5、15的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行描述，現(xiàn)分別按水位驟升與驟降加以論述。

3.1.1 水位驟升時(shí)堤壩非飽和滲流特性

對(duì)于水位驟升條件下的堤壩非飽和滲流試驗(yàn)，經(jīng)歷了約7 d時(shí)間的滲流測試，成果如圖2所示。從圖中可以看出，①堤壩上游側(cè)，當(dāng)?shù)虊紊嫌卧? h內(nèi)蓄水0.65 m后，1號(hào)測點(diǎn)（見圖2(a)）基質(zhì)吸力從蓄水前的38.9 kPa降到0 kPa僅需5.5 h，吸力下降速率為7.1 kPa/h，10 h后降到-0.7 kPa（即正壓），隨后吸力穩(wěn)定在該值附近的范圍內(nèi)，數(shù)值上下波動(dòng)不超過0.2 kPa。上游壩坡中部的10號(hào)測點(diǎn)（見圖2(b)）從蓄水前23.9 kPa經(jīng)3.2 h降到0 kPa，下降速率為7.5 kPa/h。12 h后降到-1.6 kPa后趨于穩(wěn)定。②中游側(cè)測點(diǎn)（見圖2(c)），上游開始蓄水后，3號(hào)測點(diǎn)基質(zhì)吸力并沒有立刻下降，先是穩(wěn)定在42 kPa附近，14 h后吸力明顯下降，下降速率為2.1 kPa/h，明顯低于上游側(cè)測點(diǎn)吸力的下降速率。24 h后3號(hào)測點(diǎn)吸力穩(wěn)定在2.6 kPa附近，而上游側(cè)測點(diǎn)基質(zhì)吸力穩(wěn)定的時(shí)間約為 12 h。③下游側(cè)測點(diǎn)（見圖2(d)），在上游蓄水水位穩(wěn)定后，基質(zhì)吸力也沒有立刻驟降至某一值，而是先穩(wěn)定在30 kPa附近，20 h后以1.13 kPa/h的速率下降至6.2 kPa后速率變緩，60 h后穩(wěn)定在1.2 kPa附近。由此可見，當(dāng)?shù)虊紊嫌蝹?cè)水位驟升時(shí)，受水分運(yùn)移作用的主要影響，堤壩內(nèi)各處的基質(zhì)吸力存在不同幅度和不同速率的下降。上游側(cè)測點(diǎn)基質(zhì)吸力的下降速率明顯大于中游側(cè)測點(diǎn)基質(zhì)吸力的下降速率，中游側(cè)測點(diǎn)基質(zhì)吸力的下降速率大于下游側(cè)測點(diǎn)基質(zhì)吸力的下降速率。另外，對(duì)應(yīng)同一高程，堤壩上游側(cè)基質(zhì)吸力的降幅大于中游側(cè)基質(zhì)吸力的降幅，中游側(cè)基質(zhì)吸力的降幅大于下游側(cè)基質(zhì)吸力的降幅。這些都與理論分析結(jié)果一致。

3.1.2 水位驟降時(shí)堤壩非飽和滲流特性

對(duì)于水位驟降條件下的堤壩非飽和滲流試驗(yàn)，經(jīng)歷了約15 d時(shí)間的滲流測試，成果如圖3所示。

圖3 水位驟降時(shí)堤壩典型測點(diǎn)吸力變化過程圖Fig.3 Suction changing process of typical measuring points within dam under the condition of water level rapid drawdown

從圖3可以看出，①堤壩上游側(cè)，當(dāng)下游水位維持0.25 m，上游水位從0.65 m降至0.30 m時(shí)，1號(hào)測點(diǎn)（圖3(a)）基質(zhì)吸力由-0.4 kPa增大到3.4 kPa用了12 h，上升速率為0.32 kPa/h。30 h后趨于穩(wěn)定后，雖然吸力有一定幅度的波動(dòng)，但上下波動(dòng)不超過0.5 kPa。位于上游壩坡中部的10號(hào)測點(diǎn)（見圖3(b)）12 h內(nèi)基質(zhì)吸力由-0.7 kPa增大到1.2 kPa，上升速率為0.16 kPa/h。30 h后穩(wěn)定在1.6 kPa，上下吸力波動(dòng)變化不超過 0.2 kPa。②中游測點(diǎn)（圖3(c)），基質(zhì)吸力由1.6 kPa經(jīng)36 h上升到7.8 kPa，上升速率為0.17 kPa/h。70 h后，3號(hào)測點(diǎn)吸力逐漸穩(wěn)定在10 kPa附近，125 h后吸力繼續(xù)增大，175 h達(dá)到最大值10.9 kPa后逐漸下降，315 h后又逐漸增大。③下游測點(diǎn)（見圖3(d)），5號(hào)測點(diǎn)從3 kPa開始以約0.1 kPa/h的速率經(jīng)75 h后上升到10.7 kPa，隨后吸力上下波動(dòng)變化規(guī)律同中游測點(diǎn)（見圖3(c)）。由此可見，當(dāng)?shù)虊紊嫌蝹?cè)水位驟降時(shí)，受水分運(yùn)移和外界環(huán)境因素的雙重影響，堤壩內(nèi)各處的基質(zhì)吸力存在不同幅度和不同速率的上升。對(duì)應(yīng)同一高程，上游側(cè)測點(diǎn)基質(zhì)吸力的上升速率明顯大于中游側(cè)測點(diǎn)基質(zhì)吸力的上升速率，中游側(cè)測點(diǎn)基質(zhì)吸力的上升速率大于下游側(cè)測點(diǎn)基質(zhì)吸力的上升速率。水位驟降后，堤壩壩頂處基質(zhì)吸力的升幅明顯大于壩體中部和底部的升幅。這些都與理論分析結(jié)果一致。除此之外，發(fā)現(xiàn)水位驟降之后，待水位穩(wěn)定了很長一段時(shí)間，堤壩內(nèi)各測點(diǎn)的基質(zhì)吸力大致趨于穩(wěn)定，但有一定幅度的波動(dòng)，上游側(cè)波動(dòng)幅度較小，中游側(cè)壩頂和下游側(cè)壩頂處基質(zhì)吸力波動(dòng)幅度較大，影響因素不容忽視?；|(zhì)吸力波動(dòng)原因及其影響因素的具體分析見下文。

3.2 大氣溫度、濕度與吸力的變化規(guī)律

室內(nèi)模型試驗(yàn)在七八月份進(jìn)行，晝夜溫差較大，室內(nèi)氣溫和濕度受外界天氣變化的影響。為探究環(huán)境因素對(duì)堤壩非飽和區(qū)基質(zhì)吸力的影響作用，這里選擇水位驟降全過程中的5號(hào)測點(diǎn)基質(zhì)吸力與大氣溫度、相對(duì)濕度對(duì)應(yīng)關(guān)系的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析。試驗(yàn)成果如圖4所示，其中溫度為水位驟降過程中的日平均氣溫。由圖 4(a)可以得出，水位穩(wěn)定后，基質(zhì)吸力的大小變化與外界氣溫的升降變化相關(guān)。前文已分析前70 h測點(diǎn)基質(zhì)吸力主要受水位驟降影響逐漸增大，70 h后趨于穩(wěn)定。96～144 h，外界氣溫由28.3 ℃持續(xù)上升到了30.2 ℃，測點(diǎn)吸力在120～170 h由10 kPa持續(xù)增大到12.7 kPa；144～240 h氣溫由 30.2 ℃持續(xù)下降到25.4 ℃，測點(diǎn)吸力180～280 h由12.7 kPa一直下降到7 kPa；氣溫在240 h后又持續(xù)上升，測點(diǎn)吸力則在320 h開始逐漸增大。由此可見，外界氣溫對(duì)基質(zhì)吸力的影響是非常明顯的，但在時(shí)間上又存在一定的“滯后”。由圖 4(b)可以得出，基質(zhì)吸力的變化與外界大氣相對(duì)濕度也存在一定的關(guān)系。從70 h基質(zhì)吸力趨于穩(wěn)定時(shí)刻開始分析，70～150 h濕度有較小幅度下降，基質(zhì)吸力在120～170 h有較小幅度上升；150～220 h濕度有較大幅 度上升，而基質(zhì)吸力在180～280 h有較大幅度下降；250 h之后濕度持續(xù)減小，而基質(zhì)吸力則在320 h之后持續(xù)增大。由此可見，濕度變化對(duì)堤壩內(nèi)測點(diǎn)基質(zhì)吸力也有一定的影響，在時(shí)間上也存在“滯后性”。

圖4 水位驟降時(shí)5號(hào)測點(diǎn)基質(zhì)吸力與氣溫、相對(duì)濕度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4 Relative relationships of the matrix suction of the point 5,atmospheric temperature and humidity under the condition of water level rapid drawdown

筆者認(rèn)為，應(yīng)該從堤壩土體含水率的變化的角度來解釋上述堤壩內(nèi)測點(diǎn)基質(zhì)吸力與大氣溫度、濕度之間的變化規(guī)律。大氣溫度上升、空氣濕度較小時(shí)，蒸發(fā)作用加劇，當(dāng)?shù)虊文Ｐ偷臏y點(diǎn)靠近堤壩表面，測點(diǎn)處土體的水分容易受到蒸發(fā)，使得測點(diǎn)處土體的含水率降低，對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力增大。當(dāng)大氣溫度下降時(shí)，測點(diǎn)處土體的含水率不可能隨著溫度降低而立刻增大，而是在以后的時(shí)間內(nèi)，由于蒸發(fā)作用減小，大氣濕度增加，測點(diǎn)處土體的水分從空氣中直接得到補(bǔ)給，或是從堤壩模型其他非飽和區(qū)因水分運(yùn)移作用緩慢得到補(bǔ)給，從而含水率緩慢增大，基質(zhì)吸力緩慢降低；當(dāng)大氣溫度又回升時(shí)，測點(diǎn)處土體的含水率同樣不會(huì)因蒸發(fā)而立刻減少，而是“滯后”一段時(shí)間后，基質(zhì)吸力才緩慢升高。

3.3 水位升降條件下堤壩內(nèi)水頭場分布變化

上游水位的升降將會(huì)引起堤壩內(nèi)水頭場的變化，這里選擇典型時(shí)刻的堤壩內(nèi)水頭場分布監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行描述，現(xiàn)按水位驟升與驟降加以論述。

3.3.1 水位驟升時(shí)的水頭場分布變化

對(duì)于水位驟升條件下的堤壩水頭場分布，這里選取了距蓄水1、30、72 h三個(gè)典型時(shí)刻的實(shí)測數(shù)據(jù)，試驗(yàn)成果如圖5所示（壓力水頭與壓力單位的換算關(guān)系為0.1 m水渠=1 kPa）。圖5反映出水位驟升時(shí)堤壩內(nèi)水頭場的分布變化：①距蓄水初始時(shí)刻1 h（見圖5(a)）時(shí)，上游水的滲透是從堤壩的壩腳開始，水頭場基質(zhì)吸力的最大值在下游壩頂處。②距蓄水初始時(shí)刻30 h（見圖5(b)）時(shí)，浸潤線已經(jīng)推進(jìn)到了排水砂墊處，下游非飽和區(qū)基質(zhì)吸力進(jìn)一步減小，水頭場的基質(zhì)吸力最大值由下游壩頂移動(dòng)到了下游壩坡中部。③距蓄水初始時(shí)刻72 h（見圖5(c)）時(shí)，浸潤線依然在排水砂墊處，與圖5(b)相比，可知浸潤線已經(jīng)穩(wěn)定下來，圖 5(c)浸潤峰面前方土體接近飽和的范圍比圖5 (b)中的大，圖中基質(zhì)吸力的最大值仍然在下游側(cè)的中部，與圖5(b)相比，位置沒變但最大值減小的幅度較大，表明堤壩非飽和區(qū)的含水率隨著時(shí)間不斷增大。

3.3.2 水位驟降時(shí)的水頭場分布變化

對(duì)于水位驟降條件下的堤壩水頭場分布，這里選取了距蓄水12 h和48 h兩個(gè)典型時(shí)刻的實(shí)測數(shù)據(jù)，試驗(yàn)成果如圖6所示。圖6顯示，堤壩在較長時(shí)間高水位滲透作用下，上游水位驟降后滲流場變化情況。比較圖6兩個(gè)典型時(shí)刻的水頭場分布，發(fā)現(xiàn)水位驟降后，水頭場基質(zhì)吸力的最大值始終在下游壩頂處。距壩頂 0.2 m以上范圍內(nèi)的水頭負(fù)壓隨時(shí)間增加緩慢增大；而距壩頂0.2 m以下范圍的各點(diǎn)負(fù)壓均保持穩(wěn)定。這和水位驟升情況下表現(xiàn)的規(guī)律不同，水位驟升水位穩(wěn)定以后，隨著時(shí)間的增加，整個(gè)水頭場的負(fù)壓總體趨勢都在減?。ㄒ妶D5）。

圖5 水位驟升后典型時(shí)刻模型堤壩內(nèi)壓力水頭等值線分布(單位：m)Fig.5 The pressure head contour distribution of the dam model at typical moment after water level sudden raise (unit: m)

圖6 水位驟降后典型時(shí)刻模型堤壩內(nèi)壓力水頭等值線分布(單位：m)Fig.6 The pressure head contour distribution of the dam model at typical moment after water level rapid drawdown (unit: m)

筆者認(rèn)為，壩體中任一土體單元同時(shí)受蒸發(fā)和水分運(yùn)移雙重因素的影響，水位變化因素占優(yōu)還是蒸發(fā)因素占優(yōu)，決定著非飽和區(qū)負(fù)壓的變化發(fā)展方向。圖6中，距壩頂0.2 m以上范圍內(nèi)的土體主要受蒸發(fā)因素的影響作用，故土體的負(fù)壓隨時(shí)間呈緩慢升高的趨勢；距壩頂0.2 m以下范圍內(nèi)的土體，在蒸發(fā)和水分運(yùn)移兩者作用下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，故負(fù)壓保持穩(wěn)定。而在水位驟升至0.65 m的情況中，由于水位相對(duì)壩體很高，受上游高水位滲透作用的影響，整個(gè)壩體歷經(jīng)較長時(shí)間后，水分逐漸影響到壩體每一處。此時(shí)壩頂處的土體受水分運(yùn)移影響程度比蒸發(fā)因素更大，土體含水率逐漸增大，故該處土體的負(fù)壓隨時(shí)間增加呈緩慢降低的趨勢。

4 結(jié) 論

（1）上游水位驟升時(shí)，堤壩上游側(cè)基質(zhì)吸力隨水位迅速變化，下降速率和下降幅度均較大，吸力穩(wěn)定時(shí)間較短；下游側(cè)的基質(zhì)吸力變化明顯遲于上游側(cè)，減小幅度較小，穩(wěn)定所需時(shí)間較長。在上游高水位滲透作用下，堤壩主要受水分運(yùn)移影響，土體含水率逐漸增大，負(fù)壓隨時(shí)間增加緩慢降低。在此過程中，堤壩非飽和區(qū)負(fù)壓最大值由壩頂逐步向下游壩坡中部移動(dòng)。

（2）上游水位驟降時(shí)，堤壩上游側(cè)和下游側(cè)基質(zhì)吸力均隨水位下降而增大，上游側(cè)增大速率明顯大于下游側(cè)，下游側(cè)基質(zhì)吸力穩(wěn)定所需時(shí)間較長。在此過程中，水位變動(dòng)區(qū)土體負(fù)壓有較大程度的變化，非飽和負(fù)壓區(qū)最大值始終在壩頂處，浸潤線附近的負(fù)壓基本不變。壩頂處非飽和土體主要受蒸發(fā)作用的影響，含水率隨時(shí)間減小，負(fù)壓值逐漸增大。

（3）堤壩模型中各點(diǎn)的吸力不僅與各點(diǎn)所處的位置、水位變化因素有關(guān)，同時(shí)也受外界氣溫、大氣濕度、蒸發(fā)等環(huán)境因素的影響。在水位穩(wěn)定的情況下，距壩體表面較深，上游水位補(bǔ)給較近的測點(diǎn)的基質(zhì)吸力主要受土壤中水份含量的控制，在水位穩(wěn)定時(shí)基質(zhì)吸力變化較小；而距壩體下游表面較近，上游水位補(bǔ)給較遠(yuǎn)的測點(diǎn)基質(zhì)吸力同時(shí)受到土壤中的水份運(yùn)移和外界大氣溫度、濕度的影響，在水位穩(wěn)定時(shí)基質(zhì)吸力容易變化。另外，基質(zhì)吸力受溫度、濕度的影響在時(shí)間上存在明顯的“滯后性”。

（4）本堤壩模型下游設(shè)置了排水砂墊，當(dāng)水位驟升浸潤線位置推進(jìn)到該位置時(shí)，盡管在隨后的時(shí)間里浸潤線位置不再推進(jìn)，但是上游水的長時(shí)間滲透一直對(duì)下游非飽和區(qū)有著較大的影響，使得下游側(cè)非飽和負(fù)壓區(qū)一定范圍內(nèi)的含水率增大，基質(zhì)吸力明顯減小。

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