不同坡度對庫區(qū)碎石土岸坡內(nèi)部水文響應(yīng)影響規(guī)律的試驗研究

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

1 工程背景

錦凌水庫壩址位于錦州市近郊的后山河營子村，距離錦州市區(qū)約9.5km，壩址以上控制流域面積3029km2，占小凌河流域面積的58.8%，大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高48.3m，壩頂高程64.80m，壩長1148.0m。設(shè)計庫容8.5億m3[1]。錦凌水庫是一座以防洪和城市供水為主，兼有改善當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境的綜合性大型水利工程，同時也是遼西重要河流小凌河上的唯一控制性樞紐工程[2]。錦凌水庫建成后可以大幅提升下游河段的防洪標(biāo)準(zhǔn)，錦州市區(qū)的防洪設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)可以由當(dāng)前的50年一遇提高到200年一遇[3]。同時，水庫還可以發(fā)揮出重要的徑流調(diào)節(jié)作用，每年可以向下游的錦州市供水0.98億m3。

錦凌水庫位于水土流失比較嚴(yán)重的遼西地區(qū)，庫區(qū)上游存在大范圍以殘崩坡積物為主的碎石土岸坡，部分部位的岸坡受庫水位消落的影響，變得極不穩(wěn)定，極易發(fā)生塌岸[4]。水庫岸坡塌岸會造成大量巖土體進(jìn)入庫區(qū)，會對水庫庫容和正常運行造成嚴(yán)重影響，而塌岸發(fā)生后的庫岸線變化還會對附近的交通、建筑、農(nóng)田等造成嚴(yán)重威脅[5]。本文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(biāo)，展開坡度對碎石帶岸坡內(nèi)部水文響應(yīng)影響規(guī)律的研究，進(jìn)而分析坡度對塌岸的實際影響。

2 試驗設(shè)計

坡度是水庫岸坡的重要形態(tài)特征，對碎石土岸坡的塌岸發(fā)育存在顯著影響，主要表現(xiàn)在坡度越大下滑力也就越大，更容易發(fā)生塌岸破壞；坡度會對內(nèi)部滲流場產(chǎn)生直接影響，造成不同的內(nèi)部水文響應(yīng)，從而對岸坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[6]。

2.1 試驗設(shè)備與材料

本次試驗使用的設(shè)備主要包括試驗池刻度尺、含水率和孔隙水壓力數(shù)據(jù)監(jiān)測采集系統(tǒng)。其中，試驗池長140cm、寬50cm，兩側(cè)高度分別為80cm和60cm。在試驗池的內(nèi)側(cè)池壁設(shè)有觀察水位高度的刻度尺。研究中坡體內(nèi)部含水率的測定利用6個EC-5傳感器和Em50數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行，傳感器編號為M1～M6。孔隙水壓力的測定利用9個CYSBG-20微型傳感器和XS18-V多路信號采集儀進(jìn)行，傳感器編號為P1～P9。

研究中在錦凌水庫庫區(qū)的碎石土岸坡塌岸部位進(jìn)行取樣，并對獲取的樣本進(jìn)行實驗室試驗，以獲取天然密度、初始含水率、黏聚力等相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)。考慮到試驗?zāi)Ｐ偷某叽绮淮?，篩去樣本中的粒徑在40mm以上的碎石，在試驗過程中按照天然岸坡的參數(shù)進(jìn)行配制和還原，然后作為試驗堆砌材料。

2.2 試驗方案設(shè)計

研究中根據(jù)水庫水位變化值和塌岸現(xiàn)場的實際調(diào)查情況，庫區(qū)碎石土塌岸現(xiàn)象的塌岸高度為死水位上20～40m范圍，并主要集中于30～55m的水庫消落帶內(nèi)。因此，研究中將坡高設(shè)定為40m，根據(jù)相似比設(shè)定為40cm，坡頂?shù)钠脚_寬度設(shè)定為15cm。鑒于本文主要研究坡度的影響，研究中對庫區(qū)所有23處碎石土塌岸的坡度進(jìn)行調(diào)查和統(tǒng)計(見圖1)。由統(tǒng)計結(jié)果可知，庫區(qū)發(fā)生塌岸的岸坡坡度主要分布在30°～40°之間，因此，試驗中將坡度設(shè)置為30°、35°和40°三種。

圖1 庫區(qū)塌岸原始坡度統(tǒng)計

水庫的正常蓄水位和死水位之間的落差為25m，根據(jù)水庫建成后的2010—2015年水位變化統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在運行期間水位的變化幅度并不大。為了使研究過程不受水位變化因素的干擾，研究中將死水位高度設(shè)定為5cm、實際水位高度設(shè)定為20m、正常蓄水位高度設(shè)定為35cm，按照比例模型試驗中的水位高度設(shè)置為2cm。由于錦凌水庫所處的地形為河谷盆地地形，因此風(fēng)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]。

2.3 試驗?zāi)Ｐ筒贾?/h3>

根據(jù)本次研究的目的和需要，在試驗池一側(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，在試驗水池中布設(shè)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(yù)先埋設(shè)于坡體內(nèi)部，通過連接線與數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測設(shè)備相連，其布設(shè)位置見圖2。

圖2 傳感器布設(shè)位置

3 試驗結(jié)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(jìn)行測定，根據(jù)結(jié)果整理獲取各測點含水率變化特征(見圖3)。整體來看，在坡度相同的情況下，岸坡含水率的變化一般遵循由內(nèi)到外、由高到低，也就是沿著M6、M5、M4、M3、M2、M1的順序變化。變化的規(guī)律是初始反應(yīng)時間和飽和時間均逐次變短。從不同岸坡角度的視角來看，岸坡的坡度越大，初始反應(yīng)時間和飽和時間就越短。究其原因，主要是坡度的增大會導(dǎo)致水流入滲距離的縮短，因此相同位置的反應(yīng)時間也會變短。

圖3 各點位含水率反應(yīng)時間

從水平方向上來看，岸坡的坡度越大，初始反應(yīng)時間和飽和時間就越短。因為坡度的增大會導(dǎo)致監(jiān)測點與岸坡表面的距離縮小，因此，初始反應(yīng)時間以及飽和時間會有相應(yīng)的縮短。同時，在三種不同坡度工況下M1和M2兩個點位的初始反應(yīng)時間十分接近，而其余點位的差距則比較明顯。究其原因，這兩個點位位置較高，僅受側(cè)向入滲作用的影響，而其余點位除了受到側(cè)向入滲的影響，還會受到更快速的豎向入滲影響。

從豎向上看，位于岸坡深部的M1、M3和M5點位的初始反應(yīng)時間和飽和時間均比同高度的M2、M4和M6點位長。究其原因，主要是岸坡內(nèi)部的滲流是由外到內(nèi)進(jìn)行的，到達(dá)岸坡深部點位需要更長的時間。

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(jìn)行測定，根據(jù)結(jié)果整理各測點孔隙水壓力變化曲線(見圖4)。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，在坡度相同的情況下，岸坡內(nèi)孔隙水壓力的變化與含水率類似，主要表現(xiàn)為由內(nèi)到外、由高到低，也就是沿著P9、P8、P7、P6、P5、P4、P3、P2、P1的順序變化。變化的規(guī)律是初始反應(yīng)時間均逐次變短。從不同岸坡角度的視角來看，岸坡的坡度越大，初始反應(yīng)時間越短。但是，孔隙水壓力達(dá)到峰值的時間并不完全遵循上述規(guī)律，主要是P5和P6這兩個點位達(dá)到峰值的時間明顯較短。究其原因，P5點位靠近岸坡表面，可以同時受到水平和豎向入滲作用的影響，因此達(dá)到峰值的時間較P7和P8點位短。P6點位位于岸坡的最深處，其孔隙水的峰值壓力明顯偏小，因此達(dá)到上述峰值的時間也相對較短。

從水平方向上來看，按照水平位置的高低，可以將岸坡內(nèi)部的孔隙水壓力傳感器分為三組：最上部為P1和P2；中間為P3、P4和P5；下部為P6、P7、P8和P9。由圖4可知，除了最深部的點位P6外，每一組傳感器的初始反應(yīng)時間和達(dá)到峰值時間均呈現(xiàn)出由外到內(nèi)逐次增大的特征，同時岸坡的坡度越大，相對應(yīng)的時間也越短。

圖4 各點位孔隙水壓力反應(yīng)時間

在豎向上看，按照傳感器的豎向分布，也可以分為三組：內(nèi)部的P1、P3和P6；中部的P2、P4和P7；外部的P5、P8和P9。每一組傳感器的初始反應(yīng)時間和達(dá)到峰值時間均呈現(xiàn)出由低到高逐次增大的特征，同時岸坡的坡度越大，相對應(yīng)的時間也越短。此外，雖然點位P7距離岸坡表面的距離要明顯大于點位P5，但是點位P7可以更多地受到豎向滲流的補給作用，因此，反應(yīng)更快，達(dá)到峰值的時間也更短。

4 結(jié) 論

本文以遼寧省錦凌水庫庫區(qū)的碎石土邊坡為例，利用實驗室模型試驗的方法，對碎石土塌岸邊坡不同坡度工況下的岸坡內(nèi)部水文響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究，獲得的主要結(jié)論如下：岸坡的坡度越大，相同部位的含水率和孔隙水壓力兩個水文參數(shù)的響應(yīng)越迅速；在岸坡坡度相同情況下，距離岸坡表面越近或能夠受到更多豎向滲流補給的部位水文響應(yīng)越迅速；岸坡由于孔隙水壓力峰值較小，可更快達(dá)到峰值；岸坡坡度對岸坡內(nèi)部水文響應(yīng)存在顯著影響，應(yīng)十分關(guān)注坡度較大的碎石土岸坡的穩(wěn)定性。