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(kù)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(kāi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，繪制標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)曲線(xiàn)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(jiàn)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(kù)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(guò)合理縮尺而來(lái)，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(guān)察，模型試驗(yàn)箱通體采用透明亞克力板制作。為便于觀(guān)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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?xún)?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(wú)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(xiàn)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(guān)察到體積含水率曲線(xiàn)趨于定值。通過(guò)模型箱內(nèi)的雨水滲入痕跡并測(cè)量滲入距離觀(guān)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(kù)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(xiàn)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(guān)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(guò)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(kù)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(kù)庫(kù)區(qū)坡體展開(kāi)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(guò)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(kù)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(kù)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(kù)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。