降雨对库区边坡入渗规律的影响研究

管淑涛,周长旭,李玉仲,石华婷,郭红梅

(平阴县水务局,山东 济南 250400)

1 试验设计

1.1 基本试验

1.1.1 击实试验

为贴近工程实际，本试验用土在水库枯水期进行原位取样，土样主要为粉质黏土。根据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)[1]对土料展开标准击实试验，绘制标准击实试验曲线并测定出土料最大干密度和最佳含水量，同时测出土料液塑限和渗透系数。试验测得土样基本物理参数见表1。

表1 土样基本物理参数

1.2 模型试验设计

边坡模型设计为2000 mm×600 mm×600 mm，具体设计以及传感器的布置示意图如图1所示。本试验中库区边坡模型的设计主要是根据实际工况中的边坡经过合理缩尺而来，缩尺几何相似比参考规范确定为1∶30。在模型箱设计中为便于试验观察，模型试验箱通体采用透明亚克力板制作。为便于观察雨水入渗路径和入渗距离还需要在模型箱外侧标注相应尺寸，试验过程中用高清摄像机进行全程记录[2]。

图1 边坡模型试验示意图(单位:mm)

坡体的填筑过程中采用分层填筑法，控制每层土体的压实度在90%。模型试验中铺设的温度传感器测温区间在-40～80 ℃，测量精度±0.5 ℃，含水率传感器的水分测量区间为0～100%，测量精度±3%，试验所需传感器符合试验要求[3]。

1.3 模拟降雨方案

在对模型坡体填筑完成后开始进行人工模拟降雨工况。为减小试验误差同时也为更贴近工程实际，通过查阅中国气象局制定的降雨量等级表，本试验中分别设置2.5 mm/h、6 mm/h和12 mm/h流速模拟自然条件下小雨、中雨和大雨三种不同强度的降雨。试验设计最长降雨持续时间为12 h，并分次采集12 h以内的不同时间降雨试验数据。试验中传感器的读数间隔设置为每小时采集3～5次。

2 试验结果分析

2.1 降雨强度对路堤坡体体积含水率变化分析

图2为路基坡体不同点位处的体积含水率变化与降雨强度之间的关系。图2(a)为模拟坡体上部点位体积含水率随降雨时间的变化规律，从图中可以看出，在短时间的强降雨(降雨强度12 mm/h)情况下，坡体上部含水率陡升并在较短时间内达到饱和；降雨强度在6 mm/h时，坡体上部点体积含水率上升明显放缓，在累计降雨时间达到2 h后上部坡体达到饱和；降雨强度最低为2.5 mm/h时，坡体上部土体达到饱和时的时间更长，约为4 h。上部坡体体积含水率在达到38%时就不再增加，此后跟降雨强度的变化无关[4-8]。

图2 体积含水率与降雨强度的变化关系

图2(b)为模拟坡体中部点位体积含水率随降雨时间的变化规律，从图中看到，与坡体上部点位体积含水率变化相比区别较为明显，在不同强降雨情况下的坡体中部含水率达到饱和的时间较长，约为8 h；中部点位体积含水率在不同降雨强度下趋于定值的程度也明显不同，其中降雨强度为12 mm/h时最快，再次是降雨强度为6 mm/h，最后是降雨强度为2.5 mm/h。不同降雨强度下的中部坡体体积含水率在达到43%时就维持稳定并不再增加。

图2(c)为模拟坡体下部点位体积含水率随降雨时间变化的曲线图，从图中可以看出，坡体下部土体体积含水率变化与上部和中部大为不同。降雨强度在12 mm/h的下部坡体体积含水率变化明显，累计降雨达到10 h后体积含水率趋于稳定，最高体积含水率在43%左右。降雨强度为6 mm/h和2.5 mm/h的坡体下部含水率在12 h的测量时间内未能观察到体积含水率曲线趋于定值。通过模型箱内的雨水渗入痕迹并测量渗入距离观察到整个模拟坡体在持续进行12 h的不同强度降雨后，雨水渗透坡体深度最多可以达到550 mm。

2.2 降雨强度对库区模拟坡体温度的影响分析

图3为不同降雨强度下坡体温度随降雨时间变化的曲线图。从图3(a)可以看出，12 mm/h、6 mm/h 和2.5 mm/h三种不同的降雨强度对于坡体上部温度影响不大，三者变化趋势相同，累计降雨时间达1.8 h后的上部坡体温度稳定在6 ℃左右。位于坡体中部的坡体温度则有所不同，如图3(b)所示，降雨强度12 mm/h，中部坡体温度变化较快，降雨强度为6.0 mm/h和2.5 mm/h对应的中部坡体温度变化减慢。中部坡体温度最终的恒定值不同，降雨强度为12.0 mm/h时，坡体在4.0 h 后稳定在4.5 ℃左右；降雨强度为6.0 mm/h 时，坡体在5.6 h后稳定在4.0 ℃左右；降雨强度为2.5 mm/h时，坡体在6.0 h后才能稳定在3.8 ℃左右。对于坡体的下部温度变化而言，不同降雨强度产生的影响与坡体上部和中部有着较大的区别,如图3(c)，三种降雨强度下的坡体温度变化趋势整体相同，均随着降雨时间的增加而上升；强降雨(12.0 mm/h)下的坡体温度变化略微大于其他降雨情况，但在12 h的观察时间内坡体温度均未达到稳定。分析不同降雨强度对坡体温度变化造成的影响可能是由于坡体中水分在迁移过程中携带和转移了部分热量，当土体中水分较多时热量转移的较快因此降雨强度越大，库区边坡不同部位的温度变化都较快。

3 结 论

本研究对水库库区坡体展开了室内模型试验研究，分析了不同降雨强度下坡体不同点位处的坡体体积含水率的变化以及坡体温度变化。试验得出的主要结论如下：

(1)在对模拟坡体持续进行12 h的不同强度降雨后，雨水渗透坡体的深度可以达到550 mm，整个降雨过程中，由于雨水的渗入会造成坡体土颗粒松散使得边坡入渗率不断变大直至达到稳定。库区坡体在不同程度降雨下的初期雨水入渗率均较低，但在降雨后期逐渐趋于稳定。

(2)不同降雨强度的坡体体积含水率不同。相同降雨强度条件下，坡体上部体积含水率变化较大，其次是中部，最后是坡体下部；同一坡体位置，降雨强度不同，坡体体积含水率也有所区别，其中降雨强度越大，冻土边坡体积含水率上升越快。

(3)库区坡体温度受到降雨强度的影响。降雨强度越大(12 mm/h)，坡体温度变化越快，但随着降雨时间的增加最终的库区坡体温度均会趋于某一恒定的数值；坡体下部温度受降雨强度的影响较小，位置越往上受到降雨强度的影响就越明显。