不同坡度对库区碎石土岸坡内部水文响应影响规律的试验研究

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

1 工程背景

锦凌水库坝址位于锦州市近郊的后山河营子村，距离锦州市区约9.5km，坝址以上控制流域面积3029km2，占小凌河流域面积的58.8%，大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高48.3m，坝顶高程64.80m，坝长1148.0m。设计库容8.5亿m3[1]。锦凌水库是一座以防洪和城市供水为主，兼有改善当地地下水环境的综合性大型水利工程，同时也是辽西重要河流小凌河上的唯一控制性枢纽工程[2]。锦凌水库建成后可以大幅提升下游河段的防洪标准，锦州市区的防洪设防标准可以由当前的50年一遇提高到200年一遇[3]。同时，水库还可以发挥出重要的径流调节作用，每年可以向下游的锦州市供水0.98亿m3。

锦凌水库位于水土流失比较严重的辽西地区，库区上游存在大范围以残崩坡积物为主的碎石土岸坡，部分部位的岸坡受库水位消落的影响，变得极不稳定，极易发生塌岸[4]。水库岸坡塌岸会造成大量岩土体进入库区，会对水库库容和正常运行造成严重影响，而塌岸发生后的库岸线变化还会对附近的交通、建筑、农田等造成严重威胁[5]。本文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，展开坡度对碎石带岸坡内部水文响应影响规律的研究，进而分析坡度对塌岸的实际影响。

2 试验设计

坡度是水库岸坡的重要形态特征，对碎石土岸坡的塌岸发育存在显著影响，主要表现在坡度越大下滑力也就越大，更容易发生塌岸破坏；坡度会对内部渗流场产生直接影响，造成不同的内部水文响应，从而对岸坡的稳定性产生影响[6]。

2.1 试验设备与材料

本次试验使用的设备主要包括试验池刻度尺、含水率和孔隙水压力数据监测采集系统。其中，试验池长140cm、宽50cm，两侧高度分别为80cm和60cm。在试验池的内侧池壁设有观察水位高度的刻度尺。研究中坡体内部含水率的测定利用6个EC-5传感器和Em50数据采集仪进行，传感器编号为M1～M6。孔隙水压力的测定利用9个CYSBG-20微型传感器和XS18-V多路信号采集仪进行，传感器编号为P1～P9。

研究中在锦凌水库库区的碎石土岸坡塌岸部位进行取样，并对获取的样本进行实验室试验，以获取天然密度、初始含水率、黏聚力等相关的物理力学参数。考虑到试验模型的尺寸不大，筛去样本中的粒径在40mm以上的碎石，在试验过程中按照天然岸坡的参数进行配制和还原，然后作为试验堆砌材料。

2.2 试验方案设计

研究中根据水库水位变化值和塌岸现场的实际调查情况，库区碎石土塌岸现象的塌岸高度为死水位上20～40m范围，并主要集中于30～55m的水库消落带内。因此，研究中将坡高设定为40m，根据相似比设定为40cm，坡顶的平台宽度设定为15cm。鉴于本文主要研究坡度的影响，研究中对库区所有23处碎石土塌岸的坡度进行调查和统计(见图1)。由统计结果可知，库区发生塌岸的岸坡坡度主要分布在30°～40°之间，因此，试验中将坡度设置为30°、35°和40°三种。

图1 库区塌岸原始坡度统计

水库的正常蓄水位和死水位之间的落差为25m，根据水库建成后的2010—2015年水位变化统计数据，在运行期间水位的变化幅度并不大。为了使研究过程不受水位变化因素的干扰，研究中将死水位高度设定为5cm、实际水位高度设定为20m、正常蓄水位高度设定为35cm，按照比例模型试验中的水位高度设置为2cm。由于锦凌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]。

2.3 试验模型布置

根据本次研究的目的和需要，在试验池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于坡体内部，通过连接线与数据的采集和监测设备相连，其布设位置见图2。

图2 传感器布设位置

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，根据结果整理获取各测点含水率变化特征(见图3)。整体来看，在坡度相同的情况下，岸坡含水率的变化一般遵循由内到外、由高到低，也就是沿着M6、M5、M4、M3、M2、M1的顺序变化。变化的规律是初始反应时间和饱和时间均逐次变短。从不同岸坡角度的视角来看，岸坡的坡度越大，初始反应时间和饱和时间就越短。究其原因，主要是坡度的增大会导致水流入渗距离的缩短，因此相同位置的反应时间也会变短。

图3 各点位含水率反应时间

从水平方向上来看，岸坡的坡度越大，初始反应时间和饱和时间就越短。因为坡度的增大会导致监测点与岸坡表面的距离缩小，因此，初始反应时间以及饱和时间会有相应的缩短。同时，在三种不同坡度工况下M1和M2两个点位的初始反应时间十分接近，而其余点位的差距则比较明显。究其原因，这两个点位位置较高，仅受侧向入渗作用的影响，而其余点位除了受到侧向入渗的影响，还会受到更快速的竖向入渗影响。

从竖向上看，位于岸坡深部的M1、M3和M5点位的初始反应时间和饱和时间均比同高度的M2、M4和M6点位长。究其原因，主要是岸坡内部的渗流是由外到内进行的，到达岸坡深部点位需要更长的时间。

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，根据结果整理各测点孔隙水压力变化曲线(见图4)。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，在坡度相同的情况下，岸坡内孔隙水压力的变化与含水率类似，主要表现为由内到外、由高到低，也就是沿着P9、P8、P7、P6、P5、P4、P3、P2、P1的顺序变化。变化的规律是初始反应时间均逐次变短。从不同岸坡角度的视角来看，岸坡的坡度越大，初始反应时间越短。但是，孔隙水压力达到峰值的时间并不完全遵循上述规律，主要是P5和P6这两个点位达到峰值的时间明显较短。究其原因，P5点位靠近岸坡表面，可以同时受到水平和竖向入渗作用的影响，因此达到峰值的时间较P7和P8点位短。P6点位位于岸坡的最深处，其孔隙水的峰值压力明显偏小，因此达到上述峰值的时间也相对较短。

从水平方向上来看，按照水平位置的高低，可以将岸坡内部的孔隙水压力传感器分为三组：最上部为P1和P2；中间为P3、P4和P5；下部为P6、P7、P8和P9。由图4可知，除了最深部的点位P6外，每一组传感器的初始反应时间和达到峰值时间均呈现出由外到内逐次增大的特征，同时岸坡的坡度越大，相对应的时间也越短。

图4 各点位孔隙水压力反应时间

在竖向上看，按照传感器的竖向分布，也可以分为三组：内部的P1、P3和P6；中部的P2、P4和P7；外部的P5、P8和P9。每一组传感器的初始反应时间和达到峰值时间均呈现出由低到高逐次增大的特征，同时岸坡的坡度越大，相对应的时间也越短。此外，虽然点位P7距离岸坡表面的距离要明显大于点位P5，但是点位P7可以更多地受到竖向渗流的补给作用，因此，反应更快，达到峰值的时间也更短。

4 结 论

本文以辽宁省锦凌水库库区的碎石土边坡为例，利用实验室模型试验的方法，对碎石土塌岸边坡不同坡度工况下的岸坡内部水文响应规律进行研究，获得的主要结论如下：岸坡的坡度越大，相同部位的含水率和孔隙水压力两个水文参数的响应越迅速；在岸坡坡度相同情况下，距离岸坡表面越近或能够受到更多竖向渗流补给的部位水文响应越迅速；岸坡由于孔隙水压力峰值较小，可更快达到峰值；岸坡坡度对岸坡内部水文响应存在显著影响，应十分关注坡度较大的碎石土岸坡的稳定性。