孔隙率對土石壩潰決流量影響試驗研究

趙馨鑫 鄧涵 李麗華 劉杰 許仁安

摘 ?要：孔隙率是影響土石壩結構穩定性的一項重要參數，為了探究其對土石壩潰決過程的影響，本文采用模型試驗方法，測試了不同孔隙率的三組土石壩在漫頂條件下發生潰決的差異。試驗結果表明：孔隙率越大，潰口最終寬度越大，壩前水位下降越快，潰口峰值流量越大。

關鍵詞：孔隙率;土石壩;潰口最終形狀;峰值流量，漫頂潰決

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1 引 言

土石壩是一種普遍的水工建筑物，主要由土、砂、石等材料填筑而成。在極端暴雨條件下，庫區水位暴漲漫過壩頂，壩體極可能因漫頂沖刷而發生潰決。土石壩一旦發生潰決，對下游造成的危害難以估量。

土石壩從修建開始隨著時間推移，都會不同程度的伴隨沉降，則壩體的致密程度將會發生變化，抵抗水流沖刷的能力也將發生變化?？紫堵适欠从成⒘铑w粒之間互相填充的致密程度的一項重要指標，在土石壩潰決數值研究中也是一項重要參數。

綜上所述，在潰壩中，表征壩體填充的致密程度可以有不同方式，但是很難形成量化參數，采用孔隙率作為表征參數將有利于解決這一問題。因此，本文將通過一系列水槽試驗，探究壩體孔隙率對堰土石壩潰決過程潰口流量影響，為工程領域和數值研究提供理論參考。

2 試驗設置

試驗在攀枝花學院土木工程實訓中心開展。水槽長8.8 m，寬0.4 m，高0.5 m，采用玻璃邊壁便于觀察，水槽分為試驗段和沉砂池段，其中試驗段長7m，沉砂池段長1.8m。在試驗段根據工況需要堆筑壩體，距壩體上游分別為1m，2m和3m位置安裝3個高精度浪高儀，用以記錄潰壩過程中庫區水位變。壩體上方和側面固定兩臺高清數碼攝像機，編號DV1、DV2，其中DV1用于記錄壩頂潰口變化信息，DV2用于記錄上游壩腳斷面水流變化。

3. 孔隙率測定方法及試驗工況

3.1 孔隙率測定方法

在試驗前，用固定體積容器在壩體取樣品（最好是環刀），測量樣土的總體積 ，稱量樣土重量 ，稱量烘干后重量 ，計算土體體積和孔隙體積后得到孔隙比，最后利用公式（3）計算得到體的孔隙率。

3.2 試驗工況

試驗共3組，試驗壩體材料按照特定級配配制，并逐層堆筑，堆筑過程采用木錘夯實，各組夯實時間不同，堆壩結束后靜置相同時間，試驗前用100cm3取土環刀取樣，測定孔隙率.

4 試驗結果及討論

4.1從工況1到工況3孔隙率依次增大?？紫堵试酱螅瑒t壩體壓實度越高，將通過影響潰口邊坡穩定性的形式影響潰口發展。工況1到工況3邊坡坡度依次減小，其中工況1和工況3邊坡形成了鈍角角度。

4.2潰壩發生后，壩前庫區水流通過潰口流向下游。隨著潰壩進程發展，潰口展寬加深的同時將直接影響壩前水位下降快慢。對比分析了三種孔隙率下潰壩過程壩前水位變化情況。可以得出，壩前水位下降到相同深度（100mm），工況1所需時間最多，工況3所需時間最少。

4.3潰口流量比較

為了得到潰口流量，選取目前潰壩研究中應用最廣泛的流量計算公式（水量平衡法，公式（4）進行計算。

（4）

為入庫水流體積流量; 表示庫容隨時間變化率。

通過潰口流量比較可以得出，隨著孔隙率增大（工況1到工況3），潰口峰值流量依次增大。工況1和工況2峰值流量較為接近，分別為0.0081m3/s，0.0085m3/s，工況3峰值流量為0.0098m3/s。工況3峰值流量相對工況1和工況2超出17.35%和13.27%。因此，可以認為孔隙率對于潰口峰值流量是一個十分敏感的影響因素。說明孔隙率越大，壩體壓實度越低，壩體材料之間越疏松，從而導致水流可以快速改變潰口尺度，從而產生更大峰值流量。

5 結論

本文通過一個長8.8 m，寬0.4 m，高0.5 m的水槽，研究了不同孔隙率對土石壩潰壩過程影響。對潰口最終形態，壩前水位變化過程和潰口峰值流量進行了對比分析，得到以下結論：

（1）孔隙率越大，最終潰口寬度越大，潰口邊坡坡度越小;

（2）孔隙率越大，壩前水位下降越快，壩前水位下降到指定深度所需時間越長;

（3）孔隙率是潰口峰值流量重要影響因素，表現為孔隙率越大潰口峰值流量越大。

參考文獻

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作者簡介：趙馨鑫，女，主要從事土石壩潰壩方面研究。

鄧涵，男，主要從事工程管理方面研究。

劉杰，男，主要從事土石壩潰決，工程力學方面研究。

李麗華，女，主要從事建筑學方面研究工作。

許仁安，男，主要從事工程試驗方面工作。

通訊作者：劉杰，男，主要從事土石壩潰決，工程力學方面研究工作。

基金項目：四川省大學生創新創業訓練計劃項目（2017cxcy138）;四川省教育廳2018年一般項目（2018YB762）;四川省高等學校重點實驗室科研項目（SC_FQWLY-2019-Z-03）