降雨對(duì)庫區(qū)邊坡入滲規(guī)律的影響研究

管淑濤,周長(zhǎng)旭,李玉仲,石華婷,郭紅梅

(平陰縣水務(wù)局,山東 濟(jì)南 250400)

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 基本試驗(yàn)

1.1.1 擊實(shí)試驗(yàn)

為貼近工程實(shí)際，本試驗(yàn)用土在水庫枯水期進(jìn)行原位取樣，土樣主要為粉質(zhì)黏土。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)[1]對(duì)土料展開標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，繪制標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)曲線并測(cè)定出土料最大干密度和最佳含水量，同時(shí)測(cè)出土料液塑限和滲透系數(shù)。試驗(yàn)測(cè)得土樣基本物理參數(shù)見表1。

表1 土樣基本物理參數(shù)

1.2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

邊坡模型設(shè)計(jì)為2000 mm×600 mm×600 mm，具體設(shè)計(jì)以及傳感器的布置示意圖如圖1所示。本試驗(yàn)中庫區(qū)邊坡模型的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)實(shí)際工況中的邊坡經(jīng)過合理縮尺而來，縮尺幾何相似比參考規(guī)范確定為1∶30。在模型箱設(shè)計(jì)中為便于試驗(yàn)觀察，模型試驗(yàn)箱通體采用透明亞克力板制作。為便于觀察雨水入滲路徑和入滲距離還需要在模型箱外側(cè)標(biāo)注相應(yīng)尺寸，試驗(yàn)過程中用高清攝像機(jī)進(jìn)行全程記錄[2]。

圖1 邊坡模型試驗(yàn)示意圖(單位:mm)

坡體的填筑過程中采用分層填筑法，控制每層土體的壓實(shí)度在90%。模型試驗(yàn)中鋪設(shè)的溫度傳感器測(cè)溫區(qū)間在-40～80 ℃，測(cè)量精度±0.5 ℃，含水率傳感器的水分測(cè)量區(qū)間為0～100%，測(cè)量精度±3%，試驗(yàn)所需傳感器符合試驗(yàn)要求[3]。

1.3 模擬降雨方案

在對(duì)模型坡體填筑完成后開始進(jìn)行人工模擬降雨工況。為減小試驗(yàn)誤差同時(shí)也為更貼近工程實(shí)際，通過查閱中國(guó)氣象局制定的降雨量等級(jí)表，本試驗(yàn)中分別設(shè)置2.5 mm/h、6 mm/h和12 mm/h流速模擬自然條件下小雨、中雨和大雨三種不同強(qiáng)度的降雨。試驗(yàn)設(shè)計(jì)最長(zhǎng)降雨持續(xù)時(shí)間為12 h，并分次采集12 h以內(nèi)的不同時(shí)間降雨試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中傳感器的讀數(shù)間隔設(shè)置為每小時(shí)采集3～5次。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 降雨強(qiáng)度對(duì)路堤坡體體積含水率變化分析

圖2為路基坡體不同點(diǎn)位處的體積含水率變化與降雨強(qiáng)度之間的關(guān)系。圖2(a)為模擬坡體上部點(diǎn)位體積含水率隨降雨時(shí)間的變化規(guī)律，從圖中可以看出，在短時(shí)間的強(qiáng)降雨(降雨強(qiáng)度12 mm/h)情況下，坡體上部含水率陡升并在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到飽和；降雨強(qiáng)度在6 mm/h時(shí)，坡體上部點(diǎn)體積含水率上升明顯放緩，在累計(jì)降雨時(shí)間達(dá)到2 h后上部坡體達(dá)到飽和；降雨強(qiáng)度最低為2.5 mm/h時(shí)，坡體上部土體達(dá)到飽和時(shí)的時(shí)間更長(zhǎng)，約為4 h。上部坡體體積含水率在達(dá)到38%時(shí)就不再增加，此后跟降雨強(qiáng)度的變化無關(guān)[4-8]。

圖2 體積含水率與降雨強(qiáng)度的變化關(guān)系

圖2(b)為模擬坡體中部點(diǎn)位體積含水率隨降雨時(shí)間的變化規(guī)律，從圖中看到，與坡體上部點(diǎn)位體積含水率變化相比區(qū)別較為明顯，在不同強(qiáng)降雨情況下的坡體中部含水率達(dá)到飽和的時(shí)間較長(zhǎng)，約為8 h；中部點(diǎn)位體積含水率在不同降雨強(qiáng)度下趨于定值的程度也明顯不同，其中降雨強(qiáng)度為12 mm/h時(shí)最快，再次是降雨強(qiáng)度為6 mm/h，最后是降雨強(qiáng)度為2.5 mm/h。不同降雨強(qiáng)度下的中部坡體體積含水率在達(dá)到43%時(shí)就維持穩(wěn)定并不再增加。

圖2(c)為模擬坡體下部點(diǎn)位體積含水率隨降雨時(shí)間變化的曲線圖，從圖中可以看出，坡體下部土體體積含水率變化與上部和中部大為不同。降雨強(qiáng)度在12 mm/h的下部坡體體積含水率變化明顯，累計(jì)降雨達(dá)到10 h后體積含水率趨于穩(wěn)定，最高體積含水率在43%左右。降雨強(qiáng)度為6 mm/h和2.5 mm/h的坡體下部含水率在12 h的測(cè)量時(shí)間內(nèi)未能觀察到體積含水率曲線趨于定值。通過模型箱內(nèi)的雨水滲入痕跡并測(cè)量滲入距離觀察到整個(gè)模擬坡體在持續(xù)進(jìn)行12 h的不同強(qiáng)度降雨后，雨水滲透坡體深度最多可以達(dá)到550 mm。

2.2 降雨強(qiáng)度對(duì)庫區(qū)模擬坡體溫度的影響分析

圖3為不同降雨強(qiáng)度下坡體溫度隨降雨時(shí)間變化的曲線圖。從圖3(a)可以看出，12 mm/h、6 mm/h 和2.5 mm/h三種不同的降雨強(qiáng)度對(duì)于坡體上部溫度影響不大，三者變化趨勢(shì)相同，累計(jì)降雨時(shí)間達(dá)1.8 h后的上部坡體溫度穩(wěn)定在6 ℃左右。位于坡體中部的坡體溫度則有所不同，如圖3(b)所示，降雨強(qiáng)度12 mm/h，中部坡體溫度變化較快，降雨強(qiáng)度為6.0 mm/h和2.5 mm/h對(duì)應(yīng)的中部坡體溫度變化減慢。中部坡體溫度最終的恒定值不同，降雨強(qiáng)度為12.0 mm/h時(shí)，坡體在4.0 h 后穩(wěn)定在4.5 ℃左右；降雨強(qiáng)度為6.0 mm/h 時(shí)，坡體在5.6 h后穩(wěn)定在4.0 ℃左右；降雨強(qiáng)度為2.5 mm/h時(shí)，坡體在6.0 h后才能穩(wěn)定在3.8 ℃左右。對(duì)于坡體的下部溫度變化而言，不同降雨強(qiáng)度產(chǎn)生的影響與坡體上部和中部有著較大的區(qū)別,如圖3(c)，三種降雨強(qiáng)度下的坡體溫度變化趨勢(shì)整體相同，均隨著降雨時(shí)間的增加而上升；強(qiáng)降雨(12.0 mm/h)下的坡體溫度變化略微大于其他降雨情況，但在12 h的觀察時(shí)間內(nèi)坡體溫度均未達(dá)到穩(wěn)定。分析不同降雨強(qiáng)度對(duì)坡體溫度變化造成的影響可能是由于坡體中水分在遷移過程中攜帶和轉(zhuǎn)移了部分熱量，當(dāng)土體中水分較多時(shí)熱量轉(zhuǎn)移的較快因此降雨強(qiáng)度越大，庫區(qū)邊坡不同部位的溫度變化都較快。

3 結(jié) 論

本研究對(duì)水庫庫區(qū)坡體展開了室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，分析了不同降雨強(qiáng)度下坡體不同點(diǎn)位處的坡體體積含水率的變化以及坡體溫度變化。試驗(yàn)得出的主要結(jié)論如下：

(1)在對(duì)模擬坡體持續(xù)進(jìn)行12 h的不同強(qiáng)度降雨后，雨水滲透坡體的深度可以達(dá)到550 mm，整個(gè)降雨過程中，由于雨水的滲入會(huì)造成坡體土顆粒松散使得邊坡入滲率不斷變大直至達(dá)到穩(wěn)定。庫區(qū)坡體在不同程度降雨下的初期雨水入滲率均較低，但在降雨后期逐漸趨于穩(wěn)定。

(2)不同降雨強(qiáng)度的坡體體積含水率不同。相同降雨強(qiáng)度條件下，坡體上部體積含水率變化較大，其次是中部，最后是坡體下部；同一坡體位置，降雨強(qiáng)度不同，坡體體積含水率也有所區(qū)別，其中降雨強(qiáng)度越大，凍土邊坡體積含水率上升越快。

(3)庫區(qū)坡體溫度受到降雨強(qiáng)度的影響。降雨強(qiáng)度越大(12 mm/h)，坡體溫度變化越快，但隨著降雨時(shí)間的增加最終的庫區(qū)坡體溫度均會(huì)趨于某一恒定的數(shù)值；坡體下部溫度受降雨強(qiáng)度的影響較小，位置越往上受到降雨強(qiáng)度的影響就越明顯。