库水位变化对上游碎石土岸坡内部水文响应影响的实验研究

魏雪林

(南昌县棠墅港左堤河道堤防管理站，江西 南昌 330200)

1 工程背景

某水库是一座以防洪和发电为主，兼具养殖和旅游等多种功能的综合性大型水利工程。水库库区上游两岸的地质环境较差，存在范围较大的碎石土岸坡。由于部分碎石土岸坡位于库水位的消落带内，受到水位反复升降变化的影响，极易发生塌岸[1]。一旦发生大规模的塌岸，必然会造成大量的岩土体进入库区，不仅会影响水库库容，还会对上部的交通、建筑设施以及农田造成显著影响[2]。水库水位的变动会对岸坡内部渗流场产生明显的作用，进而影响到边坡的稳定性，严重时还会诱发塌岸现象的发生[3]。基于此，文章以物理模型试验的方法，以含水率和孔隙水压力为代表性指标[4]，展开水位变动对碎石带岸坡内部水文响应影响规律的研究，进而分析水位变化对塌岸的实际影响。

2 试验设计

2.1 试验设备与材料

本次试验使用的设备主要有两部分，分别是试验池和水文数据监测采集系统(主要是孔隙水压力和含水率数据采集的传感器)。其中，试验池为有机玻璃制作，长和宽分别为140、50cm。水池的两侧高度不同，分别为80cm和60cm。测定含水率的传感器型号为EC- 5，在坡体内的不同位置布置6个传感器，编号为M1～M6，并与外部的Em50 数据采集仪相连。孔隙水压力的测定采用CYSBG- 20 微型传感器，布置9个，编号为P1～P9，并与外部的XS18- V 多路信号采集仪相连。

为了获取岩土体的相关物理力学参数，研究中通过库区实地采样，然后通过实验室测定的方法获取。由于试验箱的尺寸较小，在进行试验前首先对采样后的岩土体过筛，以除去其中粒径较大的碎石。按照测定的天然边坡的相关参数，在试验箱内进行边坡还原设计，按照1∶100的比例堆砌出试验岸坡[5]。

2.2 试验方案设计

在研究之前对库区上游的典型塌岸现场进行实地调查，结果显示，碎石土边坡塌岸现象主要集中在水库死水位上的消落带内，这也说明了水位变化对岸坡稳定性存在比较显著的影响。鉴于水库库水位变化范围为5～35m，将岸坡的高度设定为40m，按照比例折算，模型边坡的高度为40cm，根据研究需要，将坡顶的平台宽度设定为15cm。研究中还对库区上游现有的23处碎石土塌岸的坡度进行统计，结果显示主要集中在30°～40°，因此在试验过程中将模型边坡的坡度设计为30°、35°和40°三种。

根据相关研究成果，水库水位的变动会对岸坡内部渗流场造成比较显著的影响。根据水库资料，正常蓄水位和死水位之间的落差为25m，但是水位的变化速度较小，难以按照实际变化情况进行试验[6]。因此在研究中按照水库的蓄水和排水过程，将水库的水位设为死水位、中水位和高水位三个阶段，水位高度分别折算为5、20、35cm。在试验过程中，模拟水库的水位高度由死水位升高到正常蓄水位再降低到死水位的完整周期，共5个水位变化阶段。其中两个阶段之间的变化时间为0.5h，每个水位阶段的保持时间为2h，整个试验过程需要12.5h，试验过程中的水位变化示意图如图1所示。按照比例模型试验中的水位高度设置为2cm。由于水库所处的地形为河谷盆地地形，因此风浪的能量不大，库区波浪的高度较小，因此研究中将波浪高度固定为0.5cm[7]。

图1 试验水位变化曲线

2.3 试验模型布置

根据本次研究的目的和需要，在试验池的一侧堆积起岸坡模型，为了便于收集塌岸之后的流失物，在岸坡的坡脚和水池的底部铺上一层土工布，在试验水池中布设造浪系统，以模拟水库运行过程中的天然工况[8]。将各种传感器预先埋设在坡体内部，通过连接线与数据的采集和监测设备相连，其布设位置如图2所示。

图2 传感器布设位置示意图

3 试验结果与分析

3.1 含水率变化规律

利用试验装置对不同坡度工况下的岸坡含水率进行测定，根据结果整理获取如图3所示的各测点含水率变化特征。整体来看，不同测点部位的岸坡内部含水率变化速度和库水位的变化特征之间具有比较明显的一致性，也就是库水位的升降变化会引起含水率变化速度的增大或减小。

图3 各点位含水率速度峰值变化曲线

在同一坡度条件下，除了岸坡深部的M5和M6测点之外，其余的4个测点在水位上升阶段的含水率变化速度较慢，而在水位下降阶段的含水率变化速度较快。究其原因，主要是水位下降阶段岸坡中的细颗粒会随着排水过程而流失，进而导致边坡内部的过水面积明显增加，渗透的速度有所加快。而边坡深部的两个测点受此影响较小，因此变化并不明显。在不同坡度条件下，坡度越大，含水率的变化速度越快，其原因是在水头一定的情况下，坡度较大时的入渗距离会缩短，渗透的速度也会随之加快。

从水平方向来看，测点位置越高，含水率变化速度的峰值越大，也就是M1和M2测点最大，M3和M4测点次之，M5和M6测点最小。究其原因，主要是测点位置越高，入渗的距离就会明显缩短，变化速度也就越大。例如，距离岸坡表面最近的M2测点的含水率的变化速度最大，而位于岸坡深部的M5和M6测点的变化波动明显偏小。基于相同的原因，在竖直方向上看，位于边坡内部的3个测点，其含水率变化速度和峰值较外部的3个测点明显偏小。

3.2 孔隙水压力变化规律

利用试验装置对不同坡度工况下的岸坡孔隙水压力进行测定，根据结果整理获取如图4所示的各测点孔隙水压力变化曲线。与上节的含水率变化类似，岸坡的坡度主要通过岸坡形态的改变对孔隙水压力的大小造成影响。整体来看，不同测点部位的岸坡内部孔隙水压力和库水位的变化特征之间具有比较明显的一致性，也就是库水位的升降变化会引起孔隙水压力变化速度的增大或减小。

图4 各点位孔隙水压力反应时间研究

在同一坡度条件下，测点位置距离岸坡的表面越近，孔隙水压力的变化速率就会越快。究其原因，主要是与岸坡表面越近，就能够越快获得库水的排泄或补给。与含水率变化特征类似，在不同坡度条件下，坡度越大，孔隙水压力的变化速度越快，其原因是在水头一定的情况下，坡度较大时的入渗距离会缩短，孔隙水压力的变化速度也会随之加快。

从水平方向的变化特征来看。P1和P2测点位于高水位部位，虽然补给和排泄比较迅速，但是由于仅接受库水位的侧向补给，在试验过程中并没有达到饱和程度。因此，这两个测点部位的含水率变化比较迅速，但是孔隙水压力的变化并不十分明显。P3、P4和P5三个测点位于中水位高度，受到水位下降阶段岸坡中的细颗粒会随着排水过程流失而导致边坡内部的过水面积增大的影响，排泄阶段的孔隙水压力变化速度明显较快。位于死水位部位的P6～P9四个测点，由于试验过程中的水位不会低于死水位，因此孔隙水压力变化不明显。从竖向来看，与含水率变化特征类似，基本符合由外到内逐渐减小的特征。

4 结论

(1)岸坡内部含水率变化速度和库水位的变化特征之间具有比较明显的一致性，也就是库水位的升降变化会引起含水率变化速度的增大或减小；且含水率变化速度在水位下降阶段要大于水位上升阶段。

(2)位置越高，越靠近岸坡表面部位的含水率变化速率就会越快；反之，含水率变化速率就会越慢。

(3)孔隙水压力和库水位的变化特征之间具有比较明显的一致性，也就是库水位的升降变化会引起孔隙水压力变化速度的增大或减小；距离岸坡的表面越近，孔隙水压力的变化速率就会越快，基本符合由外到内逐渐减小的特征。

(4)库水位变化会对碎石土岸坡内部水文响应规律造成显著影响，在岸坡稳定性研究中要注意到上述影响。