极旱后强降雨条件下的黏土坝坡基质吸力变化研究

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(1.河南省白龟山水库管理局，河南 平顶山 467031； 2.南京水利科学研究院 大坝安全管理研究所，南京 210029)

极旱后强降雨条件下的黏土坝坡基质吸力变化研究

魏恒志1，叶伟2，刘永强1，徐章耀1，杜玉娟1，马福恒2，胡江2

(1.河南省白龟山水库管理局，河南 平顶山 467031； 2.南京水利科学研究院 大坝安全管理研究所，南京 210029)

为跟踪极旱过程中黏土坝坡裂缝发展过程，以白龟山2014年遭遇极端干旱为例，通过模型试验，模拟强降雨及极干旱天气，测得试样土体在吸湿-脱湿过程中的基质吸力值并研究其变化情况，由此获得土样的土-水特征曲线用以分析坝坡稳定。研究结果显示：短期的干旱导致坝体表面失水，并不会影响到坝坡的稳定，而长期干旱生成的裂缝会在强降雨时成为雨水渗入坝体的快捷通道，使得坝坡土体的强度急速降低，严重影响大坝的稳定。当不断遭遇干旱降雨循环后，坝坡土体会变得松散，即使不遭遇极干旱天气也会很容易产生裂缝，给坝坡稳定埋下隐患。考虑到裂缝发展与含水率的变化密不可分，且裂缝又直接影响到坝坡土体的强度，因此可根据不同时段的土-水特征曲线判定大坝的稳定情况，据此可提出相应的保护措施。

极干旱；强降雨；基质吸力；裂缝；坝坡稳定

1 研究背景

全球气候变化和变异将加大极端水文气候事件发生的频次和强度。近年来，受全球气候变化的影响，我国气候变化反常、不确定性显著增加，极度干旱频发，多座水库水位处于死水位以下，甚至部分水库干涸。水库干涸进而引起黏土坝坡水平铺盖大范围产生裂缝，严重时裂缝贯穿、防渗体系破坏，严重影响水库大坝安全[1-2]。

针对坝坡裂缝及坝坡非饱和土特性的研究,已有学者对此作出了贡献：张我华等[3]运用现代非线性分析中的突变论方法，研究了在降雨裂缝渗透影响下山体边坡可能发生突发性失稳滑坡和渐进演化性失稳滑坡的机理；安民等[4]利用非饱和非稳定渗流理论，计算了某均质土坝在库水位升降条件下的渗流场，以此分析坝坡的稳定性；降雨入渗会导致边坡表层出现暂态饱和区并形成暂态水压力。为了研究暂态水压力对边坡稳定性的影响，蒋中明等[5]通过文献研究，总结归纳了边坡暂态饱和区存在形态类型及暂态水压力分布特点，并定义了暂态水压力分布比例系数；张家俊等[6]通过室内试验，发现影响裂隙张开程度的关键因素并非土体含水率，而是含水率梯度。在遭遇干湿循环土体特性的研究方面，张俊然等[7]结合已有的试验数据,总结脱湿曲线与吸湿曲线随着干湿循环次数的变化规律，通过引入一个与干湿循环次数有关的函数，提出能预测多次干湿循环后土-水特征曲线的方法；李文杰等[8]在室内试验的基础上，结合数字图像处理技术，对壤质黏土干湿循环过程中土壤干缩裂缝网络几何形态特征进行了定量分析，研究干湿循环过程中农田土壤干缩裂缝的开闭规律。

以往的研究结果大多考虑单点的基质吸力变化以及土-水特征曲线，而对于大坝这类大型工程而言，单点的分析难以描述坝坡整体性态。因此，本文通过室内模型试验，模拟干旱-降雨条件，研究坝坡内基质吸力变化，绘制不同部位土-水特征曲线并分析不同部位的土体开裂规律。

2 试验过程与分析

2.1 模型制作

受极端天气的影响，2014年白龟山水库遭遇63 a来最大干旱，以极端低水位运行，坝坡出现大面积裂缝。试验参照白龟山水库的均质土坝,按1∶150的比例制作，坝高1 m，坝顶宽30 cm，上游坝坡比1∶3，下游坝坡比1∶2,如图1(a)所示，土体均取自原坝坡。现场土体体积含水率31.4%，浅表层含水率受降雨影响明显，土质坚硬。模型制样密度1.64 g/cm3，制样含水率23%。在模型的坝体顶面、底部、上游坝坡中部、上游坝脚4个部位埋设吸力传感器,如图1(b)所示，随时监测坝体内部的基质吸力变化情况。

图1 试验模型及传感器位置Fig.1 Test model and position of sensors

模型制作密度、含水率均以现场取样所获得的密度和含水率为准，制作完成后吊装到环境箱中(如图2(a))，在环境箱上方安装长弧疝灯和调速风机，用来模拟白天的日光照射和自然风；多个雾化喷头均匀置于模型上方，用来模拟降雨，降雨量的大小可通过调节喷头出水量和增减喷头个数来实现(如图2(d))。

图2 试验设备Fig.2 Test devices

2.2 试验过程

试验过程如表1所示。

表1 试验过程Table 1 Test procedures

2.3 重塑坝坡自然干旱-降雨条件下基质吸力变化与分析

重塑后的坝坡是在天然含水率和密度条件下制作而成，土质均匀，各部位含水率基本相同，坝体表面均无明显裂缝，如图3(a)所示。模型就位后，首先进行人工降雨，降雨强度控制在上游坝坡始终有表面径流，见图3(b)。历时约1 h后，上游水位增长至坝坡中部(此位置模型隔板上小孔，控制水位不再上涨)，对坝体形成浸泡湿润后停止。此后，环境箱中的模型受光照和风力综合作用，控制内部温度不低于30 ℃，促使模型在光照和风力作用下逐渐失水。

图3 坝体模型上游坡面和降雨过程上游坡面Fig.3 Upstream slope of dam model and in rainfall process

埋设在各部位的吸力传感器测得的基质吸力随时间的变化曲线见图4。蒸发干燥开始的前几天，因各部位含水率较高，表面均无裂缝出现，除坝顶面干燥强度略大、基质吸力稍有增加，其余各部位基质吸力增加不明显。

图4 各部位基质吸力随时间的变化曲线Fig.4 Curves of suction at different positions against time

图5 干燥至第7天上游坝坡Fig.5 Cracks after drying for seven days

干燥至第7天，上游坝坡中部首先出现裂缝(如图5)，此处的含水率迅速降低，导致基质吸力短时间内增长至极值(该传感器的最大量程为1 500 kPa)。上游坝脚处吸力增长稍滞后于坝坡中部，在第9—12天期间基质吸力才迅速增长并达到极值。坝顶面基质吸力从第7天左右开始也逐渐增大，但从第13天左右开始，吸力呈逐渐降低趋势并趋于稳定。坝体底部因失水较慢，吸力增长均滞后于其他部位，且增长速率也相对较低。

出现上述趋势的主要原因是初期坝脚位置含水率逐渐蒸发减少，但上部土体中的自由水会逐渐下渗至坝脚形成补充，因此，坝脚部位吸力增长较坝中部滞后；坝顶面干燥逐渐失水而造成吸力增长，周围土体含水率对基质吸力的变化起主导作用，但当其顶部因干燥出现拉裂缝后，含水率已降低到极小值，此时基质吸力主要受环境条件影响，因干燥冷风沿裂缝进入，直接吹拂到传感器，使得测量到的吸力有所降低，且该变化过程在一段时间后达到稳定，测量的基质吸力基本保持不变。

2.4 蒸发出现裂缝后降雨-再蒸发条件下基质吸力变化与分析

试验持续进行到第19天，各部位吸力基本稳定，对比近几日裂缝宽度、个数，基本呈现稳定状态，裂缝发展情况如图6(a)所示。随后对模型进行人工降雨，强度仍保持坝面有径流，降雨约30 min后，坝体表面裂缝基本愈合，如图6(b)所示。待上游水位涨至坝中位置后停止降雨，让雨水自由入渗，并开启疝灯和风机进行干燥蒸发。

图6 干燥至第19天上游坝坡和再降雨后的上游坝坡Fig.6 Cracks after drying at the nineteenth day and crack healing during the second rainfall

从图4上看，降雨后4个部位的基质吸力全部陡降，其中上游坝中和坝脚位置吸力接近0，坝顶面及坝底部吸力仍有约100 kPa。随着干燥的持续，各部位吸力开始逐渐增加，但可以明显看出，除坝体底部外，其余各部位吸力增长速率均远低于模型制作完成后的第一次降雨-蒸发后吸力的增长速率。另外，从2次降雨后干燥形成的基质吸力曲线上看，上游坝中吸力增长仍是最快，基本上干燥2 d后就达到极值，坝脚处经过约10 d干燥后才最终达到极值；坝顶面和坝底部吸力增长较为缓慢，且受外界气候影响显著。降雨后因黏土裂缝愈合，干燥时吸力增长较快，但裂缝出现后，吸力增长受外界影响程度增加，坝顶面后期吸力变化最为明显：每天中午11—12时和晚上0时基本上是吸力的最高和最低值点，且裂缝开裂越多、越大，气候影响越明显。坝底部和坝顶面吸力在干燥18 d后，基本上不再大幅波动、相对稳定。

总体规律可总结如下：

(1)干燥蒸发促使各部位吸力逐渐增长，各部位因失水速率不同而呈现不同的增长速率；降雨后各部位吸力均迅速降低，且因干燥产生的裂缝形成雨水入渗的通道，随降雨次数的增加，吸力降低速率逐渐增大。

(2)裂缝的出现加速干燥蒸发的失水速率，并形成土体内部与外界交换的通道，吸力变化受外界环境影响程度增加。

(3)经历过一次干旱后，坝体模型各处留有拉裂缝，再次经历一段时间降雨将会使得模型整体的含水率比初次经历降雨后的含水率略大，在同样的干燥环境下，最初的基质吸力的增长相比第一次干燥呈现出增长较缓的现象。

2.5 坝顶面和坝坡中部土-水特征曲线

考虑到黏土坝在经历多次极端干燥后产生纵横交错的裂缝，为雨水渗入土体提供了良好的通道，导致裂缝深度范围内土体基质吸力急速降低。因基质吸力降低导致土体强度降低而引发坝体滑坡的可能性增大，为此，针对第3次降雨后的坝顶面、上游坝坡中部的吸力随时间的变化曲线及干燥阶段含水率变化曲线分别绘制如图7、图8所示。

图7 第3次降雨后吸力随时间的变化曲线Fig.7 Curves of suction against time after the third cycle of rainfall

图8 干燥阶段坝坡面和坡中部含水率变化曲线Fig.8 Variations of water content on the surface and in middle of the slope in drying stage

从2个不同部位含水率随时间的变化规律来看，降雨达到饱和状态后，短时间内坝顶和坝坡处含水率都呈迅速降低的趋势，随后趋势逐渐变缓，其主要原因是坝顶面降雨后表面形成的径流将多余雨水带走，并因多次干湿循环后土体较为松散，雨水下渗速度加快；坝坡中部因干燥产生的多条裂缝降雨后无法完全闭合，雨水沿裂缝入渗要比直接从土体表面入渗速度快得多，因而，含水率降低速度均较快。当坝顶和坝坡面裂缝中的自由水基本下渗完毕后，通过环境条件的干燥蒸发对黏土颗粒周边的结合水的影响很小，失水速率明显变慢。

从坝坡中部和坝顶面土-水特征曲线(图9)来看，坝坡处进气值约为9.7 kPa，坝顶面处进气值则高达97 kPa，是坝坡处的约10倍，而进气值大小与该处颗粒的疏密程度有关[9]，进气值高、颗粒孔径小，持水能力强[10]。这也说明因为经历了干湿循环，在坝坡中部产生了拉裂缝(实际工程中坝坡裂缝情况见图10)，造成该处土体松散，持水能力降低，与坝顶面处相比，基质吸力随饱和度的降低增加速度更快。这一点，从图9中曲线的增长趋势也可以明显看出来。

图9 坝坡中部及坝顶面土-水特征曲线(脱湿过程)Fig.9 Soil and water characteristic curves of the middle part and the top surface of dam slope (in dehydration process)

图10 白龟山水库坝坡裂缝情况Fig.10 Cracks on dam slope of Baiguishan Reservoir

3 结 论

通过对室内缩尺模型的干燥-降雨循环过程中各部位基质吸力监测数据的反馈分析，结合第3次降雨后坝顶面和坝坡中部土-水特征曲线反映出来的特点，对白龟山水库均质黏土坝在极端干旱后遭遇强降雨的稳定性研究得出如下结论。

(1) 坝体历经长时间的沉积，自身稳定性较好，短期内的干旱蒸发使坝体表面失水较多，但不影响自身稳定；长期干旱蒸发导致坝体局部出现拉裂缝，一旦经历强降雨过程，上游坝坡处产生的裂缝会形成雨水入渗的优势流，迅速渗入坝体内部，而表层坡面因雨水浸泡，基质吸力迅速降低，和坝体内部裂缝未能深入到达的部位形成软硬不均的结构面，在黏土和雨水重力综合作用下，极易造成上游坝坡局部溜滑，形成滑坡，危及水库安全。

(2) 随着干旱蒸发-降雨入渗这一干湿循环次数的增加，坝体表层黏土会逐渐松散，上游坝坡在重力和雨水入渗作用下更为明显；干旱形成的拉裂缝降雨后可能会部分闭合，但因该位置闭合后土体颗粒无法凝聚形成黏聚力，再次干旱时该处土体将会最先开裂形成裂缝，并促使该裂缝深度范围内的含水率迅速降低。

(3) 从不同位置的含水率变化及坝顶面、坝坡中部土-水特征曲线来看，经历干燥蒸发后的坝坡中部出现裂缝，裂缝深度范围内含水率变化随降雨、蒸发作用变化明显，其土体强度也随着裂缝的扩展而不断降低，但坝顶面的变化滞后于坝坡中部。因此，极端干旱后的突然降雨情况下，坝坡中部土体强度降低幅度会相对大，危及坝体安全，因此该部位的大坝监测工作急需得到重视。

[1] 张建云,王国庆.气候变化与水库大坝安全[J].中国水利, 2008, (20):17-19.

[2] 张建云,王国庆,刘九夫,等.国内外关于气候变化对水的影响的研究进展[J].人民长江, 2009, 40(8):39-41.

[3] 张我华,陈合龙,陈云敏.降雨裂缝渗透影响下山体边坡失稳灾变分析[J].浙江大学学报(工学版),2007,41(9):1429-1435,1442.

[4] 安 民,张世勤,陈国平.库水位升降对某均质土坝坝坡稳定影响分析[J].中国农村水利水电,2008,(11):87-89.

[5] 蒋中明,伍忠才,冯树荣，等.考虑暂态饱和区的边坡稳定性极限平衡分析方法[J].水利学报,2015,46(7):773-782.

[6] 张家俊,龚壁卫,胡 波，等.干湿循环作用下膨胀土裂隙演化规律试验研究[J].岩土力学,2011,32(9):2729-2734.

[7] 张俊然,许 强,孙德安.多次干湿循环后土-水特征曲线的模拟[J].岩土力学,2014,35(3):689-695.

[8] 李文杰,张展羽,王 策，等.干湿循环过程中壤质黏土干缩裂缝的开闭规律[J].农业工程学报,2015,31(8):126-132.

[9] 张芳枝,梁志松,周秋娟.非饱和土性状及其边坡稳定性[M].北京:中国水利水电出版社,2011.

[10] 卢 宁, LIKOS W J. 非饱和土力学[M]. 韦昌富,侯 龙,简文星,译.北京:高等教育出版社,2012.

Variation of Matric Suction of Clay Dam in Heavy Rainfall Conditionafter Extreme Drought

WEI Heng-zhi1, YE Wei2, LIU Yong-qiang1, XU Zhang-yao1, DU Yu-juan1, MA Fu-heng2, HU Jiang2

(1.Management Bureau of Baiguishan Reservoir in Henan, Pingdingshan 467031, China; 2.Dam Safety Management Department, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nangjing 210029, China)

To track the development of cracks in clay dam slope in extreme drought, we conducted model test to simulate the heavy rainfall and extreme drought condition at Baiguishan reservoir in 2014 as a case study. We obtained the changes in matric suction of slope soil during wetting and drying cycles, and analyzed the stability of dam slope according to the obtained soil-water characteristic curves (SWCCs). We conclude that the loss of water in dam surface caused by short-term drought does not affect the stability of dam slope; but cracks generated by long-term drought would become fast channels of rainfall infiltration in heavy rainfall, which drastically reduces the strength of slope soil and severely affects dam stability. Slope soil is loosened by continuous dry-wet cycles, and cracks are easily generated even not in extreme drought, both posing potential risk to the dam. Since crack development is closely related to the change of water content and has a direct impact on slope soil strength, we recommend to determine the slope stability and to propose corresponding protective measures according to SWCCs in different periods.

extreme drought; heavy rainfall; matric suction; crack; stability of dam slope

2016-09-07；

2016-10-17

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(Y716007，Y715009，Y715012，Y715018，Y714014，Y714015)；河南省水利科技攻关项目(GG201532，GG201546)

魏恒志(1964-)，男，河南平顶山人，高级工程师，研究方向为水利水电施工与管理。E-mail：437535045@qq.com

10.11988/ckyyb.20160918

TV64

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1001-5485(2018)01-0107-05

(编辑:陈 敏)