靖边县淤地坝渗透破坏机理研究

官君红，安亚明

(1.西安市长安区水土保持监督站，陕西西安 710100；2.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌 712100)



靖边县淤地坝渗透破坏机理研究

官君红1，安亚明2

(1.西安市长安区水土保持监督站，陕西西安 710100；2.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌 712100)

摘要：本试验旨在掌握陕北淤地坝坝体渗透破坏发展过程。试验表明：整个渗透破坏过程可以分为三个阶段：第一阶段，渗流阶段，该阶段随着水头高度的增加，渗流速度与水头高成良好的线性关系；第二阶段，发展阶段，在该阶段渗流中开始出现泥沙颗粒；第三阶段，破坏阶段，随着水头的继续增加，渗透破坏进一步发展，渗流中泥沙含量也不断增加，最终当水头达到破坏坡降时，渗流速度突然迅猛增加，渗透破坏最终形成。

关键词：渗透破坏；坡降；渗透破坏过程

淤地坝是水土流失综合治理中一项重要的工程措施。陕北淤地坝绝大部分修建于上世纪六七十年代，由于种种原因，淤地坝的病险问题十分严重。尤其是靖边及定边地区尤为严重，淤地坝有40%的淤地坝存在不同程度的渗透破坏问题[1]，主要是由于该地区相当一部分已建淤地坝由于特殊的地理位置，加之多数淤地坝未设置反滤设施，导致出现淤地坝坝后产生渗透破坏而造成病险坝，该问题早在80年代就已经发现，但一直未得到解决，给当地的淤地坝工程带来严重安全隐患，如何治理淤地坝坝后渗透破坏成为制约当地淤地坝建设的一个重要问题。

针对存在的问题，本研究采用室内模拟实验，探讨淤地坝渗透破坏的发生发展过程，为陕北靖定地区产生渗透破坏的淤地坝进行除险加固提供理论依据和技术支持。

1研究内容与方法

1.1取样地概况

本次选择取样淤地坝所属达连沟属北温带干旱半干旱大陆性季风气候，多年平均气温7.8℃，极端最高气温36℃，极端最低气温-28.5℃，日间气温差异大，来霜早，无霜期130 d左右，作物以早熟作物为主。年最大降水量为744.6 mm，年最小降水量为205 mm，多年平均降水395.4 mm，且多年集中在七、八、九三个月份中，占年全降雨量的60%，沟道内有常流水，多年平均径流深为50 mm，最大冻层深为1.10 m，多年平均侵蚀模数1.3万t·km-2·a-1。

1.2研究内容

取坝体土样进行渗透破坏试验，通过一套南55型渗透仪改进试验装置，模拟整个土体的渗透破坏过程。通过记录整个过程渗流速度及渗流泥沙量的变化过程，用以分析土体内部在水头不断加高的过程中，渗透破坏发生前、发生中、发生后各个阶段的变化情况。

按照《土工实验规程》(SD-128-84)的相关要求制备，将土样进行风干，过5 mm筛，测其风干含水率。测定原土样的含水率为5.52%，然后按照该含水率配置成与原坝体土相同的含水率值，配置后含水率为11.5%，然后密封覆盖，静置24h，以备击实使用。

采用手动(轻型)击实仪，分3层装土击实，试样密度取1.70 g/cm3。之后采用渗透仪配套环刀取样、称重并安装试样。

1.3试验装置本试验采用的试验装置如图1。

图1　试验装置组成图

试验装置如图1，整个试验装置分为四部分，装置1为供水装置；装置2为直径300 mm水头控制装置，主要是为整个试验提供相对定水头；装置3是南55型渗透仪；装置4为真空测压装置，其主要作用是测定第三部分和第二部分的水头差，即第三部分中试样上下的水头差。由于装置2和装置3直径相差较大，同时渗流速度相对较小。因此，在试验过程中，将装置3的水头高度视为不变。

1.4试验方法及观测指标选定

试验开始后首先调整测压装置，并记录测压装置的起始读数，之后打开第二部分的总开关通水，之后打开渗透仪下部的开关，以排出装置内部的空气，待水均匀流出后关闭开关。之后打开装置1的开关，对装置2的水头进行调整，同时观测装置4测压装置的读数。初始水头调整至11 cm。之后关闭开关。静置2h后，观测渗透仪上部出口开始出现渗流开始，用铝盒收集渗流，开始时每隔5分钟读一次数并记录水重，直至每次读数都不再增加为止，打开装置2上部的开关增加水头，起始时每次水头增加高度为0.5 cm，之后重复以上读数过程。当观测到渗流中有少量泥沙出现时，记录此时的水头高度，之后每次添加水头高度改为0.3 cm，同时每隔1分钟收集一组数据，直至最终整个渗流变为涌流大量流出，整个土样破坏为止，结束试验。之后将含有泥沙的渗流收集，放入烘箱烘干。本阶段试验的主要测定指标为渗流速度及渗流中的泥沙含量。

2试验结果及分析

2.1渗流速度与坡降的关系分析

根据试验数据绘制水力坡降与渗流速度的关系曲线如下图：

根据试验所得的渗透破坏过程曲线可知，整个过程曲线开始阶段都比较平稳，起伏较小，但是在后半段，随着水头的不断升高，渗流速度有一个下降的阶段，之后恢复原来的上升趋势，最终至试样完全破坏。

根据试验的观察，在开始出现渗流速度下降的时刻，渗流开始出现少量浑浊，有泥沙流出，说明此时土样表层土颗粒刚刚开始出现跳动，即达到了渗透破坏的发生条件，此时的坡降为渗透破坏的临界坡降[2]，之后渗透破坏开始发生，随着水头的进一步升高，渗透破坏进一步发展，最终形成渗透破坏，此时的坡降为渗透破坏的破坏坡降。

试验开始阶段，随着水头高度的增加，渗流速度与水头高成良好的线性关系，此时土样整体比较稳定，没有发生颗粒移动，渗流中没有泥沙；之后随着水力坡降不断增加，渗流量进一步加大，当水力坡降达到2.65时，渗流中开始出现泥沙颗粒，渗流速度在此时开始出现小幅度的下降，之后渗流速度恢复正常，渗流中的泥沙含量也随着渗流速度的增加而增加；随着坡降的继续增加，渗透破坏进一步发展，渗流速度增加，渗流中泥沙含量也不断增加，最终当坡降达到2.80时，渗流速度突然迅猛增加，渗透破坏最终形成，试验终止。

图2　试样的渗透破坏过程

图3　试样泥沙出流量的变化规律

2.2渗流速度与泥沙量的关系分析

在渗流的中后期，渗流中开始出现泥沙，随着渗流速度的增加，泥沙出流速度的变化如图3。

根据图3渗流中泥沙含量的变化规律可知，渗流速度和泥沙出流量成线性相关关系，即随渗流速度的增大，渗流中泥沙含量也增大。对于陕北淤地坝，发生渗透破坏的大部分都没有溢洪道和防水洞，因此，造成渗透破坏的原因主要是地基的相对不透水和缺乏反滤体，即排水不畅。而增加排水就必须从提高渗流速度出发。但从上述试验表明，在渗流速度增加的同时，渗流在通过渗流通道时的冲刷能力也增强，渗流中泥沙含量随之增加，因此，增加坝体渗流速度是解决坝后渗透破坏的一种有效途径，但在同时，也必须解决坝体细小颗粒流失的问题。

3小结

根据以上结论，试验用土样渗透破坏的发生发展过程，可分为三个阶段：第一阶段，渗流阶段，该阶段随着水头高度的增加，渗流速度与水头高呈良好的线性关系，此时土样整体比较稳定，没有发生颗粒移动；第二阶段，发生发展阶段，即渗流速度开始出现降低的阶段，此时水力坡降达到临界坡降，在该阶段渗流中开始出现泥沙颗粒，渗流速度在该阶段刚开始时出现下降，之后恢复增长，渗流中泥沙含量也随着渗流速度的增加而增加。该阶段土壤的颗粒组成开始发生变化，土壤表层的细小颗粒开始出现流失，但试样的整体结构并没有发生破坏；第三阶段，破坏阶段，随着水头的继续增加，渗透破坏进一步发展，渗流速度增加，渗流中泥沙含量也不断增加，最终当水头达到破坏坡降时，渗流速度突然迅猛增加，渗透破坏最终形成。

参 考 文 献:

[1]何瑾.解决陕北土坝背水坡“流泥”问题的思考[M]. 陕西水利, 2008,(03):70-71.

[2]吴良骥.无粘性土管涌临界坡降的计算[M]. 水利水运科学研究, 1980,(04):90-95.

收稿日期：2016-02-18

作者简介：官君红(1967-)，女，工程师，研究方向：水土保持工程；邮箱：403326544@qq.com。

中图分类号:TU641.6

文献标识码:A

文章编号: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