堤外水位升降條件下非穩定滲流模型試驗研究

詹美禮，蹤金梁，嚴 飛，羅玉龍，盛金昌

（河海大學 水利水電學院，南京 210098）

1 引 言

在升降條件下，特別是水位驟升或驟降時，壩體內滲流場短時間內會發生較大的變化，影響壩體尤其是上游迎水坡的穩定性。水位驟升時，導致上游坡面的孔隙水壓力短時間內急劇上升，堤岸邊坡的穩定性降低[1]；水位驟降時，壩體內孔隙水壓力來不及消散，上游壩坡溢出點很高，往往會發生深層的整體滑動[2－3]。水位下降速度越大，上游壩坡穩定性降低速度越快，降低幅度越大[4]。因此，對水位升降條件下的非穩定滲流復雜流態開展研究非常重要。赤井浩一等[5]通過室內砂槽模型試驗，研究了堤壩非穩定滲流的浸潤線變化規律。詹美禮等[6]通過設計不同水位組合的工況，綜合研究了非穩定滲流作用下堤壩的浸潤線變化情況及其非飽和區負壓的變化規律。朱偉等[7]在河流土堤內進行了非穩定滲流的現場試驗，實測了洪水來臨時河堤內的滲流進展過程。段祥寶等[8－9]開展了非穩定滲流作用下的邊坡穩定模型試驗，模擬了不同土力學條件和水力學條件下堤岸的非穩定滲流物理過程。李邵軍等[10]以離心模型試驗為手段，模擬了三峽庫區邊坡在水位升降作用下的失穩過程。由于基質吸力測量的困難，前人在非穩定滲流試驗研究中，對非飽和區負壓變化規律研究較少。為此，本次開展了水位驟升、驟降工況下堤壩壩體非穩定滲流模型試驗，重點討論了非飽和區基質吸力的變化規律及其影響因素，進而為堤防穩定性分析及安全評價提供參考。

2 堤壩模型與試驗方案設計

2.1 堤壩模型設計

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。在堤壩下游側設置排水砂石褥墊，伸入壩體1.05 m，厚0.05 m。堤壩模型設計為均質土壩，土質為重粉質壤土。土樣濕重度為1.90 g/cm3，干重度控制為1.52 g/cm3，飽和滲透系數為2.19×10-5cm/s。在壩體內不同位置布置了20個水勢傳感器用來測定基質吸力，測點總體呈對稱布置，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[6]中也有相關介紹。

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

非飽和區基質吸力的量測采用中國科學院南京土壤研究所開發的 BS-1型壩體監測系統。整套監測系統包括硬件和軟件部分，硬件部分由監測系統主機和傳感器組成，軟件部分的主要功能是數據采集、顯示及處理、參數設定等。

2.2 試驗方案設計

為研究堤壩內測點的基質吸力在上游水位驟升、驟降下的變化規律，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，還可以得到實測流量。本次試驗設計了水位兩種組合：（1）水位驟升，初始時刻上下游無水，2 h后上游水位驟升至 0.65 m，下游不變。測試時間段為7月14日－7月21日。（2）水位驟降，初始時刻上游水位0.65 m，下游水位 0.25 m，90 min后上游水位降至0.30 m。測試時間段為8月6日－8月21日。

測試的主要內容是堤壩模型內各點的非飽和基質吸力，由 BS-1型壩體監測系統自動采集、量測埋入壩體中傳感器的水勢值得到。為了檢驗本監測系統量測的準確性和可靠性，試驗前分別進行了水桶驗證試驗和水銀張力計驗證試驗，發現實測數據的最大偏差在0.2 kPa之內，并且具有反映1 cm水深變化的靈敏度。另外，還分時段觀察記錄了試驗過程中實驗室內的溫度和濕度，以便研究外界環境因素對堤壩內測點基質吸力的影響。

3 堤壩非穩定滲流試驗結果及分析

3.1 堤壩典型部位測點的非穩定滲流過程

將堤壩模型典型部位測點分為上游側、中游側及下游側三部分進行分析。限于篇幅，這里選擇位于上游側代表性測點1、10，中游側測點3，下游側測點5、15的監測結果進行描述，現分別按水位驟升與驟降加以論述。

3.1.1 水位驟升時堤壩非飽和滲流特性

對于水位驟升條件下的堤壩非飽和滲流試驗，經歷了約7 d時間的滲流測試，成果如圖2所示。從圖中可以看出，①堤壩上游側，當堤壩上游在2 h內蓄水0.65 m后，1號測點（見圖2(a)）基質吸力從蓄水前的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），隨后吸力穩定在該值附近的范圍內，數值上下波動不超過0.2 kPa。上游壩坡中部的10號測點（見圖2(b)）從蓄水前23.9 kPa經3.2 h降到0 kPa，下降速率為7.5 kPa/h。12 h后降到-1.6 kPa后趨于穩定。②中游側測點（見圖2(c)），上游開始蓄水后，3號測點基質吸力并沒有立刻下降，先是穩定在42 kPa附近，14 h后吸力明顯下降，下降速率為2.1 kPa/h，明顯低于上游側測點吸力的下降速率。24 h后3號測點吸力穩定在2.6 kPa附近，而上游側測點基質吸力穩定的時間約為 12 h。③下游側測點（見圖2(d)），在上游蓄水水位穩定后，基質吸力也沒有立刻驟降至某一值，而是先穩定在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后穩定在1.2 kPa附近。由此可見，當堤壩上游側水位驟升時，受水分運移作用的主要影響，堤壩內各處的基質吸力存在不同幅度和不同速率的下降。上游側測點基質吸力的下降速率明顯大于中游側測點基質吸力的下降速率，中游側測點基質吸力的下降速率大于下游側測點基質吸力的下降速率。另外，對應同一高程，堤壩上游側基質吸力的降幅大于中游側基質吸力的降幅，中游側基質吸力的降幅大于下游側基質吸力的降幅。這些都與理論分析結果一致。

3.1.2 水位驟降時堤壩非飽和滲流特性

對于水位驟降條件下的堤壩非飽和滲流試驗，經歷了約15 d時間的滲流測試，成果如圖3所示。

圖3 水位驟降時堤壩典型測點吸力變化過程圖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，當下游水位維持0.25 m，上游水位從0.65 m降至0.30 m時，1號測點（圖3(a)）基質吸力由-0.4 kPa增大到3.4 kPa用了12 h，上升速率為0.32 kPa/h。30 h后趨于穩定后，雖然吸力有一定幅度的波動，但上下波動不超過0.5 kPa。位于上游壩坡中部的10號測點（見圖3(b)）12 h內基質吸力由-0.7 kPa增大到1.2 kPa，上升速率為0.16 kPa/h。30 h后穩定在1.6 kPa，上下吸力波動變化不超過 0.2 kPa。②中游測點（圖3(c)），基質吸力由1.6 kPa經36 h上升到7.8 kPa，上升速率為0.17 kPa/h。70 h后，3號測點吸力逐漸穩定在10 kPa附近，125 h后吸力繼續增大，175 h達到最大值10.9 kPa后逐漸下降，315 h后又逐漸增大。③下游測點（見圖3(d)），5號測點從3 kPa開始以約0.1 kPa/h的速率經75 h后上升到10.7 kPa，隨后吸力上下波動變化規律同中游測點（見圖3(c)）。由此可見，當堤壩上游側水位驟降時，受水分運移和外界環境因素的雙重影響，堤壩內各處的基質吸力存在不同幅度和不同速率的上升。對應同一高程，上游側測點基質吸力的上升速率明顯大于中游側測點基質吸力的上升速率，中游側測點基質吸力的上升速率大于下游側測點基質吸力的上升速率。水位驟降后，堤壩壩頂處基質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果一致。除此之外，發現水位驟降之后，待水位穩定了很長一段時間，堤壩內各測點的基質吸力大致趨于穩定，但有一定幅度的波動，上游側波動幅度較小，中游側壩頂和下游側壩頂處基質吸力波動幅度較大，影響因素不容忽視。基質吸力波動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律

室內模型試驗在七八月份進行，晝夜溫差較大，室內氣溫和濕度受外界天氣變化的影響。為探究環境因素對堤壩非飽和區基質吸力的影響作用，這里選擇水位驟降全過程中的5號測點基質吸力與大氣溫度、相對濕度對應關系的監測結果進行分析。試驗成果如圖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，水位穩定后，基質吸力的大小變化與外界氣溫的升降變化相關。前文已分析前70 h測點基質吸力主要受水位驟降影響逐漸增大，70 h后趨于穩定。96～144 h，外界氣溫由28.3 ℃持續上升到了30.2 ℃，測點吸力在120～170 h由10 kPa持續增大到12.7 kPa；144～240 h氣溫由 30.2 ℃持續下降到25.4 ℃，測點吸力180～280 h由12.7 kPa一直下降到7 kPa；氣溫在240 h后又持續上升，測點吸力則在320 h開始逐漸增大。由此可見，外界氣溫對基質吸力的影響是非常明顯的，但在時間上又存在一定的“滯后”。由圖 4(b)可以得出，基質吸力的變化與外界大氣相對濕度也存在一定的關系。從70 h基質吸力趨于穩定時刻開始分析，70～150 h濕度有較小幅度下降，基質吸力在120～170 h有較小幅度上升；150～220 h濕度有較大幅 度上升，而基質吸力在180～280 h有較大幅度下降；250 h之后濕度持續減小，而基質吸力則在320 h之后持續增大。由此可見，濕度變化對堤壩內測點基質吸力也有一定的影響，在時間上也存在“滯后性”。

圖4 水位驟降時5號測點基質吸力與氣溫、相對濕度的對應關系Fig.4 Relative relationships of the matrix suction of the point 5,atmospheric temperature and humidity under the condition of water level rapid drawdown

筆者認為，應該從堤壩土體含水率的變化的角度來解釋上述堤壩內測點基質吸力與大氣溫度、濕度之間的變化規律。大氣溫度上升、空氣濕度較小時，蒸發作用加劇，當堤壩模型的測點靠近堤壩表面，測點處土體的水分容易受到蒸發，使得測點處土體的含水率降低，對應的基質吸力增大。當大氣溫度下降時，測點處土體的含水率不可能隨著溫度降低而立刻增大，而是在以后的時間內，由于蒸發作用減小，大氣濕度增加，測點處土體的水分從空氣中直接得到補給，或是從堤壩模型其他非飽和區因水分運移作用緩慢得到補給，從而含水率緩慢增大，基質吸力緩慢降低；當大氣溫度又回升時，測點處土體的含水率同樣不會因蒸發而立刻減少，而是“滯后”一段時間后，基質吸力才緩慢升高。

3.3 水位升降條件下堤壩內水頭場分布變化

上游水位的升降將會引起堤壩內水頭場的變化，這里選擇典型時刻的堤壩內水頭場分布監測結果進行描述，現按水位驟升與驟降加以論述。

3.3.1 水位驟升時的水頭場分布變化

對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三個典型時刻的實測數據，試驗成果如圖5所示（壓力水頭與壓力單位的換算關系為0.1 m水渠=1 kPa）。圖5反映出水位驟升時堤壩內水頭場的分布變化：①距蓄水初始時刻1 h（見圖5(a)）時，上游水的滲透是從堤壩的壩腳開始，水頭場基質吸力的最大值在下游壩頂處。②距蓄水初始時刻30 h（見圖5(b)）時，浸潤線已經推進到了排水砂墊處，下游非飽和區基質吸力進一步減小，水頭場的基質吸力最大值由下游壩頂移動到了下游壩坡中部。③距蓄水初始時刻72 h（見圖5(c)）時，浸潤線依然在排水砂墊處，與圖5(b)相比，可知浸潤線已經穩定下來，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，圖中基質吸力的最大值仍然在下游側的中部，與圖5(b)相比，位置沒變但最大值減小的幅度較大，表明堤壩非飽和區的含水率隨著時間不斷增大。

3.3.2 水位驟降時的水頭場分布變化

對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兩個典型時刻的實測數據，試驗成果如圖6所示。圖6顯示，堤壩在較長時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6兩個典型時刻的水頭場分布，發現水位驟降后，水頭場基質吸力的最大值始終在下游壩頂處。距壩頂 0.2 m以上范圍內的水頭負壓隨時間增加緩慢增大；而距壩頂0.2 m以下范圍的各點負壓均保持穩定。這和水位驟升情況下表現的規律不同，水位驟升水位穩定以后，隨著時間的增加，整個水頭場的負壓總體趨勢都在減小（見圖5）。

圖5 水位驟升后典型時刻模型堤壩內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 水位驟降后典型時刻模型堤壩內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)

筆者認為，壩體中任一土體單元同時受蒸發和水分運移雙重因素的影響，水位變化因素占優還是蒸發因素占優，決定著非飽和區負壓的變化發展方向。圖6中，距壩頂0.2 m以上范圍內的土體主要受蒸發因素的影響作用，故土體的負壓隨時間呈緩慢升高的趨勢；距壩頂0.2 m以下范圍內的土體，在蒸發和水分運移兩者作用下達到動態平衡，故負壓保持穩定。而在水位驟升至0.65 m的情況中，由于水位相對壩體很高，受上游高水位滲透作用的影響，整個壩體歷經較長時間后，水分逐漸影響到壩體每一處。此時壩頂處的土體受水分運移影響程度比蒸發因素更大，土體含水率逐漸增大，故該處土體的負壓隨時間增加呈緩慢降低的趨勢。

4 結 論

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

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

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

（4）本堤壩模型下游設置了排水砂墊，當水位驟升浸潤線位置推進到該位置時，盡管在隨后的時間里浸潤線位置不再推進，但是上游水的長時間滲透一直對下游非飽和區有著較大的影響，使得下游側非飽和負壓區一定范圍內的含水率增大，基質吸力明顯減小。

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