靖邊縣淤地壩滲透破壞機理研究

官君紅，安亞明

(1.西安市長安區(qū)水土保持監(jiān)督站，陜西西安 710100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊凌 712100)

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靖邊縣淤地壩滲透破壞機理研究

官君紅1，安亞明2

(1.西安市長安區(qū)水土保持監(jiān)督站，陜西西安 710100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊凌 712100)

摘要：本試驗旨在掌握陜北淤地壩壩體滲透破壞發(fā)展過程。試驗表明：整個滲透破壞過程可以分為三個階段：第一階段，滲流階段，該階段隨著水頭高度的增加，滲流速度與水頭高成良好的線性關(guān)系；第二階段，發(fā)展階段，在該階段滲流中開始出現(xiàn)泥沙顆粒；第三階段，破壞階段，隨著水頭的繼續(xù)增加，滲透破壞進(jìn)一步發(fā)展，滲流中泥沙含量也不斷增加，最終當(dāng)水頭達(dá)到破壞坡降時，滲流速度突然迅猛增加，滲透破壞最終形成。

關(guān)鍵詞：滲透破壞；坡降；滲透破壞過程

淤地壩是水土流失綜合治理中一項重要的工程措施。陜北淤地壩絕大部分修建于上世紀(jì)六七十年代，由于種種原因，淤地壩的病險問題十分嚴(yán)重。尤其是靖邊及定邊地區(qū)尤為嚴(yán)重，淤地壩有40%的淤地壩存在不同程度的滲透破壞問題[1]，主要是由于該地區(qū)相當(dāng)一部分已建淤地壩由于特殊的地理位置，加之多數(shù)淤地壩未設(shè)置反濾設(shè)施，導(dǎo)致出現(xiàn)淤地壩壩后產(chǎn)生滲透破壞而造成病險壩，該問題早在80年代就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，但一直未得到解決，給當(dāng)?shù)氐挠俚貕喂こ處韲?yán)重安全隱患，如何治理淤地壩壩后滲透破壞成為制約當(dāng)?shù)赜俚貕谓ㄔO(shè)的一個重要問題。

針對存在的問題，本研究采用室內(nèi)模擬實驗，探討淤地壩滲透破壞的發(fā)生發(fā)展過程，為陜北靖定地區(qū)產(chǎn)生滲透破壞的淤地壩進(jìn)行除險加固提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1研究內(nèi)容與方法

1.1取樣地概況

本次選擇取樣淤地壩所屬達(dá)連溝屬北溫帶干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫7.8℃，極端最高氣溫36℃，極端最低氣溫-28.5℃，日間氣溫差異大，來霜早，無霜期130 d左右，作物以早熟作物為主。年最大降水量為744.6 mm，年最小降水量為205 mm，多年平均降水395.4 mm，且多年集中在七、八、九三個月份中，占年全降雨量的60%，溝道內(nèi)有常流水，多年平均徑流深為50 mm，最大凍層深為1.10 m，多年平均侵蝕模數(shù)1.3萬t·km-2·a-1。

1.2研究內(nèi)容

取壩體土樣進(jìn)行滲透破壞試驗，通過一套南55型滲透儀改進(jìn)試驗裝置，模擬整個土體的滲透破壞過程。通過記錄整個過程滲流速度及滲流泥沙量的變化過程，用以分析土體內(nèi)部在水頭不斷加高的過程中，滲透破壞發(fā)生前、發(fā)生中、發(fā)生后各個階段的變化情況。

按照《土工實驗規(guī)程》(SD-128-84)的相關(guān)要求制備，將土樣進(jìn)行風(fēng)干，過5 mm篩，測其風(fēng)干含水率。測定原土樣的含水率為5.52%，然后按照該含水率配置成與原壩體土相同的含水率值，配置后含水率為11.5%，然后密封覆蓋，靜置24h，以備擊實使用。

采用手動(輕型)擊實儀，分3層裝土擊實，試樣密度取1.70 g/cm3。之后采用滲透儀配套環(huán)刀取樣、稱重并安裝試樣。

1.3試驗裝置本試驗采用的試驗裝置如圖1。

圖1　試驗裝置組成圖

試驗裝置如圖1，整個試驗裝置分為四部分，裝置1為供水裝置；裝置2為直徑300 mm水頭控制裝置，主要是為整個試驗提供相對定水頭；裝置3是南55型滲透儀；裝置4為真空測壓裝置，其主要作用是測定第三部分和第二部分的水頭差，即第三部分中試樣上下的水頭差。由于裝置2和裝置3直徑相差較大，同時滲流速度相對較小。因此，在試驗過程中，將裝置3的水頭高度視為不變。

1.4試驗方法及觀測指標(biāo)選定

試驗開始后首先調(diào)整測壓裝置，并記錄測壓裝置的起始讀數(shù)，之后打開第二部分的總開關(guān)通水，之后打開滲透儀下部的開關(guān)，以排出裝置內(nèi)部的空氣，待水均勻流出后關(guān)閉開關(guān)。之后打開裝置1的開關(guān)，對裝置2的水頭進(jìn)行調(diào)整，同時觀測裝置4測壓裝置的讀數(shù)。初始水頭調(diào)整至11 cm。之后關(guān)閉開關(guān)。靜置2h后，觀測滲透儀上部出口開始出現(xiàn)滲流開始，用鋁盒收集滲流，開始時每隔5分鐘讀一次數(shù)并記錄水重，直至每次讀數(shù)都不再增加為止，打開裝置2上部的開關(guān)增加水頭，起始時每次水頭增加高度為0.5 cm，之后重復(fù)以上讀數(shù)過程。當(dāng)觀測到滲流中有少量泥沙出現(xiàn)時，記錄此時的水頭高度，之后每次添加水頭高度改為0.3 cm，同時每隔1分鐘收集一組數(shù)據(jù)，直至最終整個滲流變?yōu)橛苛鞔罅苛鞒?，整個土樣破壞為止，結(jié)束試驗。之后將含有泥沙的滲流收集，放入烘箱烘干。本階段試驗的主要測定指標(biāo)為滲流速度及滲流中的泥沙含量。

2試驗結(jié)果及分析

2.1滲流速度與坡降的關(guān)系分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制水力坡降與滲流速度的關(guān)系曲線如下圖：

根據(jù)試驗所得的滲透破壞過程曲線可知，整個過程曲線開始階段都比較平穩(wěn)，起伏較小，但是在后半段，隨著水頭的不斷升高，滲流速度有一個下降的階段，之后恢復(fù)原來的上升趨勢，最終至試樣完全破壞。

根據(jù)試驗的觀察，在開始出現(xiàn)滲流速度下降的時刻，滲流開始出現(xiàn)少量渾濁，有泥沙流出，說明此時土樣表層土顆粒剛剛開始出現(xiàn)跳動，即達(dá)到了滲透破壞的發(fā)生條件，此時的坡降為滲透破壞的臨界坡降[2]，之后滲透破壞開始發(fā)生，隨著水頭的進(jìn)一步升高，滲透破壞進(jìn)一步發(fā)展，最終形成滲透破壞，此時的坡降為滲透破壞的破壞坡降。

試驗開始階段，隨著水頭高度的增加，滲流速度與水頭高成良好的線性關(guān)系，此時土樣整體比較穩(wěn)定，沒有發(fā)生顆粒移動，滲流中沒有泥沙；之后隨著水力坡降不斷增加，滲流量進(jìn)一步加大，當(dāng)水力坡降達(dá)到2.65時，滲流中開始出現(xiàn)泥沙顆粒，滲流速度在此時開始出現(xiàn)小幅度的下降，之后滲流速度恢復(fù)正常，滲流中的泥沙含量也隨著滲流速度的增加而增加；隨著坡降的繼續(xù)增加，滲透破壞進(jìn)一步發(fā)展，滲流速度增加，滲流中泥沙含量也不斷增加，最終當(dāng)坡降達(dá)到2.80時，滲流速度突然迅猛增加，滲透破壞最終形成，試驗終止。

圖2　試樣的滲透破壞過程

圖3　試樣泥沙出流量的變化規(guī)律

2.2滲流速度與泥沙量的關(guān)系分析

在滲流的中后期，滲流中開始出現(xiàn)泥沙，隨著滲流速度的增加，泥沙出流速度的變化如圖3。

根據(jù)圖3滲流中泥沙含量的變化規(guī)律可知，滲流速度和泥沙出流量成線性相關(guān)關(guān)系，即隨滲流速度的增大，滲流中泥沙含量也增大。對于陜北淤地壩，發(fā)生滲透破壞的大部分都沒有溢洪道和防水洞，因此，造成滲透破壞的原因主要是地基的相對不透水和缺乏反濾體，即排水不暢。而增加排水就必須從提高滲流速度出發(fā)。但從上述試驗表明，在滲流速度增加的同時，滲流在通過滲流通道時的沖刷能力也增強，滲流中泥沙含量隨之增加，因此，增加壩體滲流速度是解決壩后滲透破壞的一種有效途徑，但在同時，也必須解決壩體細(xì)小顆粒流失的問題。

3小結(jié)

根據(jù)以上結(jié)論，試驗用土樣滲透破壞的發(fā)生發(fā)展過程，可分為三個階段：第一階段，滲流階段，該階段隨著水頭高度的增加，滲流速度與水頭高呈良好的線性關(guān)系，此時土樣整體比較穩(wěn)定，沒有發(fā)生顆粒移動；第二階段，發(fā)生發(fā)展階段，即滲流速度開始出現(xiàn)降低的階段，此時水力坡降達(dá)到臨界坡降，在該階段滲流中開始出現(xiàn)泥沙顆粒，滲流速度在該階段剛開始時出現(xiàn)下降，之后恢復(fù)增長，滲流中泥沙含量也隨著滲流速度的增加而增加。該階段土壤的顆粒組成開始發(fā)生變化，土壤表層的細(xì)小顆粒開始出現(xiàn)流失，但試樣的整體結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生破壞；第三階段，破壞階段，隨著水頭的繼續(xù)增加，滲透破壞進(jìn)一步發(fā)展，滲流速度增加，滲流中泥沙含量也不斷增加，最終當(dāng)水頭達(dá)到破壞坡降時，滲流速度突然迅猛增加，滲透破壞最終形成。

參 考 文 獻(xiàn):

[1]何瑾.解決陜北土壩背水坡“流泥”問題的思考[M]. 陜西水利, 2008,(03):70-71.

[2]吳良驥.無粘性土管涌臨界坡降的計算[M]. 水利水運科學(xué)研究, 1980,(04):90-95.

收稿日期：2016-02-18

作者簡介：官君紅(1967-)，女，工程師，研究方向：水土保持工程；郵箱：403326544@qq.com。

中圖分類號:TU641.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1001-2117(2016)03-0027-03

The Mechanism of Seepage Failure of Dam in Jingbian County

GUAN Jun-Hong1，AN Ya-Ming2*

(1.SoilandWaterConservationMonitoringStationofChang’anDistrict,Xi’an,Shaanxi710100;2.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100)

Abstract:This test is intended to understand the development process of seepage failure. Experiments showed that the whole process of infiltration can be divided into three stages: the first is the seepage stage, at which with the height of water head increased, seepage velocity was in linear relationship with the height of head；the second stage is development stage, at which sediment particles began to appear in seepage; the third is the destruction, at which continuous increase of the water head and sediment participles keeps going in seepage, causing final seepage failure.

Key words:Seepage failure; gradient; seepage failure process