有软弱通道土坝变形及溃决的离心模型试验研究

有软弱通道土坝变形及溃决的离心模型试验研究

闫冠臣，张 嘎

(清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084)

摘 要：土石坝稳定分析和溃坝机理研究具有重要的工程意义。离心模型试验通过离心力模拟重力，实现了模型试验应力与原型应力相等，是研究土石坝变形破坏过程的重要手段。围绕小型土坝在管涌工况下变形及溃决的特征和影响因素开展研究。在改进原有的溃坝离心模型试验设备的基础上，进行了一系列有软弱通道土坝溃决的离心模型试验。试验结果表明有软弱通道坝体的溃决过程为：首先管涌通道形成并逐渐贯通，然后下部坝体逐渐冲蚀，同时上部坝体塌陷或塌落，最后整个坝体溃决。管涌通道贯通是坝体发生溃决的重要影响因素，甚至可能是其发生的先决条件。

关键词：软弱通道；土坝；离心模型试验；溃坝；变形

1 研究背景

我国小型水库众多。据1995年的统计资料，小(一)型水库约1.4万座、小(二)型水库约6.2万座，其中95%以上是土坝。这些土坝的设计标准和施工质量偏低，泄洪能力不足，以致在历年汛期中溃坝时有发生。据1962,1981,1991年3 a资料统计，小型土坝溃坝率高达20%，溃坝数量占总溃坝数量96.5%[1]。

2012年5月25日，湖南桃江县八斗村水库发生溃坝，造成10 hm2稻田受损。八斗村水库属小(二)型水库，坝高13 m，总库容16.9万m3，灌溉稻田近33.33 hm2。2012年8月10日，位于浙江省舟山市岱山县的沈家坑水库发生溃坝，造成10人死亡、27人受伤。沈家坑水库集雨面积0.26 km2，坝型为土坝，坝高28.5 m，总库容23.8万m3，也属小(二)型水库。类似的小型土坝溃决事故并不少见，据水利部2011年公布的数据：从1954年有溃坝记录以来，全国共发生溃坝水库3 515座，其中小型水库占98.8%。

根据USCOLD(美国大型坝体学会)公布的数据，漫溢和管涌是导致绝大多数堤坝溃决的主要原因，分别占所有溃坝原因中的49%和32%[2]。土石坝的稳定分析和溃坝机理研究历来受到坝工界的普遍重视，具有重要的工程意义。需要指出，这里的管涌包含了大量的土坝由于具有软弱通道而出现的类似管涌破坏的情况，需要加以重视。

目前溃坝问题研究的方法主要有数值模拟和模型试验2种。就目前溃坝问题的数值模拟研究情况而言，20世纪80年代逐渐兴起的数值模拟研究仍缺少通用、精确的溃坝洪水模型，不仅三维溃坝模型有待建立，而且逐渐溃坝模型更是亟待开发，只有精确的模型才能有效地模拟溃口发展过程。对于模型试验研究，19世纪末到20世纪80年代侧重溃坝洪水研究，随后20世纪90年代开始逐渐过渡到以溃坝机理为研究重点，尽管观测手段不断进步，目前溃坝的模型试验研究仍偏简单，难以精确而有效地测定和描述坝体的变形破坏过程，以及溃口的发展过程。因而关于溃坝机理，尤其是土石坝溃口发展过程的研究，以及溃坝模型的开发，都将是未来一段时间内重要且热门的研究方向[3-5]。离心模型试验通过离心力模拟重力，有效地实现了模型与原型应力相等，已经成为研究边坡和土石坝变形破坏过程的重要手段[6-10]。

本文针对小型土坝进行了离心模型试验，利用离心场图像采集与非接触位移测量系统[11]，研究洪水条件下土坝在沿软弱通道出现局部破坏后坝体变形和溃决的机理规律及主要影响因素。

2 试验设备与模型

2.1 试验设备

试验在清华大学50 g·t土工离心机上进行。其有效半径为2 m，可提供的最大离心加速度为250 g。

试验用的模型箱分上下两层。上层模型箱用于放置土坝模型，其侧壁为有机玻璃，便于观测试验过程中土坝的变形及溃决过程;下层模型箱为水循环系统，主要包括水泵、水箱和过滤装置，实现坝体上游的持续供水。

2.2 试验模型

试验所用土为粉质黏土，液限30%，塑性指数15，颗粒相对密度2.71，最优含水量16%。土坝模型的击实干密度为1.45 g/cm3，制样含水量为19%。采用分层击实法制样，根据所需干密度确定每层击实高度，然后削去多余土样形成土坝，坝体底部保留5 cm厚的水平土层。基于模型的对称性，取模型的一半，以便通过有机玻璃观测软弱通道及其附近坝体的变形、破坏情况(图1)。在模型箱两侧的内壁上涂抹硅油，从而减小模型箱侧壁的摩擦力对土体变形及溃决的影响；在土体与模型箱内壁的接触边界上涂抹玻璃胶，从而避免箱体内壁与未损坏的坝体模型之间发生渗流。

图1 1#试验的土坝模型
Fig.1 Photo and schematic diagram of earth dam
model for test 1#

图1(a)给出了1#试验模型的侧视照片，图1(b)和图1(c)分别给出其坝体及软弱通道尺寸、传感器及位移测量点的位置等信息。试验过程中使用到1个张力计和2个孔压传感器(扁圆柱体，直径1 cm，高0.5 cm)，平行软弱通道布置，距其12 cm，埋设深度距坝顶10 cm。为方便图像位移处理系统识别土体位移，在靠玻璃一端的土体表面均匀安插白色水磨石，如图1(a)不规则白点所示。

试验中采用“挖槽填糖”的方式模拟土坝的软弱通道，根据已有试验，在遇水溶解前白砂糖的压缩模量与土相近，从而使加载过程中坝体不会出现明显的不均匀变形；又因其遇水后迅速溶化，故可以较好地模拟软弱通道。

为了突出土坝变形和溃决的特征规律及影响因素，本试验针对软弱通道截面尺寸、软弱通道性质及坝高坝坡等因素，分别进行了一系列溃坝离心模型试验，具体试验方案如表1所示。试验在50 g的离心加速度下进行，即模型比尺1∶50，主要模拟7.5～10 m的小型土坝。1#—4#试验针对管涌通道尺寸，进行了不同横截面积的软弱通道及等横截面积不同形状的软弱通道等条件下的对比试验；1#，5#，6#试验针对通道填充物质组成及分布情况，进行了软弱通道贯通程度及软弱通道是否贯通的对比试验；而1#，7#，8#试验则针对坝高坝坡，进行了不同规模、不同坡比坝体的对比试验。

表1 试验方案

Table 1 Schemes of contrast tests

编号坝高/cm坡度通道尺寸/(cm×cm)填充物是否整体溃决1#151∶1．501．0×1．0糖是2#151∶1．501．5×1．5糖是3#151∶1．500．5×0．5糖否4#151∶1．500．5×2．0糖否5#151∶1．501．0×1．0糖、砂否6#151∶1．501．0×1．0糖(不贯通)否7#101∶2．001．0×1．0糖否8#201∶0．751．0×1．0糖是

2.3 试验过程与测量

试验开始后，逐级加载至离心加速度50 g，待变形稳定后通过手动控制水泵开关来调整坝体上游水位，直至坝体最终溃决或者变形达到稳定。

试验中采用离心场图像采集与非接触位移测量系统来观察、记录和测量土坝的位移场[11]，位移测量精度为0.03 mm。其中，水平向位移以向上游为正，竖向位移以向下为正。采用孔压传感器和张力计测量和记录坝体内部典型点的孔隙水压力和张力的变化。

3 土坝破坏过程

3.1 溃坝过程分析

本文试验中土坝溃决的主要诱因是软弱通道发生管涌引起的渗流破坏。通过“挖槽填糖”模拟软弱通道，在蓄水位高于该通道时，水便会流入由糖填充的软弱通道，使糖迅速溶化，在坝体内部形成一个软弱通道，进而发生渗流破坏。一旦水贯通坝体，形成流动，便会不断冲蚀、淘空内部坝体，上部坝体便会随之塌陷，直至最后上部的土体完全脱落，坠落水中被水流冲走。以1#试验为例，分析管涌引发的土坝变形及溃决过程。图2给出了坝体上、下游侧坝体测点处孔隙水压力随时间变化的过程。

图2 上、下游侧坝体内测点的孔隙水压力时程曲线
Fig.2 Time-history curves of pore water pressure at measurement point in the upstream and the downstream

图3给出了土坝变形溃决过程的录像截图，并描绘出坝体溃决过程的管涌通道轮廓线。

图3 管涌通道扩展轮廓
Fig.3 Photographs of piping channel extension

结合孔隙水压力时程曲线和管涌通道轮廓线演变过程，可以将整个破坏过程概括为以下3个阶段：

(1) 管涌通道形成阶段。大致对应图2中0～600 s，77 s开始供水，孔隙水压力随着蓄水位上升逐渐增加，下游与上游比相对滞后，管涌通道约在580 s形成，如图3(a)、图3(b)所示，管涌通道形成后逐渐贯通。

(2) 坝体冲蚀、通道扩展阶段。大致对应图2中600～1 500 s，通道贯通后水位迅速下降，上游孔隙水压力随之减小，而下游由于大部分的水通过管涌通道流走，没有蓄水，因而孔隙水压力没有明显变化，平稳缓慢下降，如图3(c)—图3(e)所示，下部坝体逐渐冲蚀，同时上部坝体塌陷或塌落。

(3) 整体溃决阶段。大致对应图2中1 500 s后的时段，水流基本稳定，缓慢冲蚀管涌通道，上下游孔隙水压力随之稳定缓慢地下降，如图3(f) —图3(h)所示，随着水流的不断冲蚀，上部坝体不断塌落，直至最终整体溃决。

3.2 典型点位移分析

典型点的布置见图1(a)和图1(c)所示，针对坝体的4个典型点分析其位移发展过程，各典型点具体的竖向位移和水平向位移时程曲线如图4所示。

图4 竖向和水平向位移时程曲线
Fig.4 Time-history curves of vertical and lateral displacements

试验中采用离心场图像采集与非接触位移测量系统记录和测量典型点的位移场[11]。在试验过程中各典型点会随着坝体的冲蚀和塌落先后脱落，被水流冲走，此时位移时程曲线的位移呈现为突然增大。图4给出了各典型点破坏前的位移场。由于位移曲线终点之后时刻的位移，因坝体该点发生冲蚀或溃决无法测量，因此该终点对应时刻可近似作为该测点所在处坝体的破坏时刻。

从4个典型点的竖向位移时程曲线可以看出，坝体在管涌形成后出现明显沉降(图4(a))。坝体上部在管涌形成后变形一度趋于稳定，后来由于坝体溃决而发生了破坏。坝体右侧下部的典型测点4的破坏早于左侧同高度的典型测点3，而典型测点2的破坏也早于左侧同高度的典型测点1，可见典型测点4处坝体的较早破坏对典型测点2处坝体的稳定性产生了影响，以致典型测点2所在处，即右侧上部的坝体较早发生破坏，推测其原因是缺少下部坝体的支撑作用，以致上部坝体较早塌陷破坏。从水平向位移时程曲线(图4(b))也可以得出同样的结论。

图4(a)中，为了突出下部典型测点处对上部典型测点处的影响，将不同高度处的2个典型测点竖向位移绘制于同一图中，清晰地反映了相同高度处左、右两典型测点破坏的先后顺序，以及相同一侧下部典型测点对上部典型测点的影响。

与竖向位移时程曲线不同的是，下部的典型测点的水平向位移大于上部坝体典型测点的水平向位移，典型测点3和典型测点4的水平向最大位移分别约为-9 mm和+3 mm，而典型测点1和典型测点2的水平向最大位移分别约为-2.5 mm和+0.5 mm。

对比相同高度的左、右典型测点的相对位置，还可以看出:下部坝体的左、右两典型测点分别向两侧移动，呈远离趋势，而上部坝体的左、右两典型测点初始呈现统一趋势，随着下部坝体的破坏才逐渐呈远离趋势。在下部典型测点3和典型测点4破坏之前，上部典型测点1和典型测点2的水平向位移较小，而当下部典型测点所在处的坝体破坏后，上部典型测点所在处的坝体水平向位移迅速加剧。可见下部坝体是否破坏对上部坝体的稳定性具有显著的影响。

4 影响因素分析

为了有效地分析管涌溃坝试验的主要影响因素，本文分别针对管涌通道尺寸、管涌通道填充物质以及坝高坝坡等几方面做了多组对比试验。

4.1 软弱通道尺寸对比试验

试验结果显示，3#试验尽管形成管涌通道，但是坝体没有溃决，管涌通道在形成后由于受自重应力作用而逐渐闭合、密实。而4#试验中，尽管管涌通道截面积与1#试验相同，但由于管涌通道在自重应力作用下闭合较快，而最终没有贯通，因而坝体最终没有破坏。这表明软弱通道尺寸(高和宽)越小，越难发生管涌破坏。尺寸小到一定程度时，尽管形成管涌通道，但不会引起坝体破坏；在软弱通道截面积相同情况下，通道高度较高时更易破坏。

4.2 软弱通道填充物质对比试验

试验结果显示，在5#(糖砂以1∶1的质量比混合)和6#(通道不贯通，下游段末尾2 cm填土)试验中，坝体均没有破坏。5#试验中，糖溶解后砂颗粒成为管涌通道中的骨架，起一定支撑作用，而其上部的土体也很快与下部闭合并逐渐密实，因而坝体没有形成贯通的渗流通道，最终没有破坏。6#试验中，由于末端土的作用，也没有形成贯通的渗流通道，最终也没有破坏。这表明如果管涌通道处土颗粒含量较高，坝体不易发生整体破坏；管涌通道在不贯通的情况下很难发生坝体的整体破坏。1985年，曹敦履[12]设计试验模拟渗流管涌孔道端点的运动，得到了发生管涌并非发生渗流破坏的充分条件，还受相对渗径和绝对渗径影响的结论，与该结论有相互印证之处。

4.3 坝高坝坡对比试验

试验结果显示，在8#试验(坝坡1∶0.75)中，管涌通道形成后迅速贯通，坝体很快溃决，整体破坏的时间远远少于1#试验(坝坡1∶1.5)。而7#试验(坝坡1∶2)中，在管涌通道形成后，由于上部坝体的自重应力相对较小，通道闭合及密实过程相对较慢，但最终仍然没有贯通，没有发生坝体整体破坏。这表明软弱通道尺寸相同时，坝坡越陡,坝体越易发生破坏。

本文试验表明，凡是形成管涌通道后发生坝体整体破坏的试验，在破坏前均形成了贯通的渗流通道。可以推断，管涌通道贯通是发生坝体溃决的重要因素，甚至可能是其发生的先决条件。这一认识的合理性还需要通过试验进一步研究。

5 结 论

本试验研究针对小型土坝，进行有软弱通道土坝变形和溃决的离心模型试验。基于试验结果归纳、总结了土坝溃决的特征规律，并分析了管涌引起坝体溃决的主要影响因素，结论如下：

(1) 有软弱通道坝体的溃决过程中，首先是管涌通道形成并逐渐贯通，然后下部坝体逐渐冲蚀，同时上部坝体塌陷或塌落，最后整个坝体溃决。

(2) 对比试验结果表明，坝体在存在软弱通道的情况下，未必会发生溃决。在软弱通道断面尺寸较小，尤其高度较低，软弱通道中砂颗粒的含量较多，坝体上下游坝坡较缓时，软弱通道会随着上部土体的沉降而产生闭合和密实的趋势，无法形成贯通的管涌通道，便不易引起坝体整体破坏。

(3) 管涌通道贯通是坝体发生溃决的重要影响因素，甚至可能是其发生的先决条件。更准确的结论需要通过试验进一步研究。

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(编辑：王 慰)

Centrifuge Modeling on Deformation and Failure ofEarth Dam with Weak Layer

YAN Guan-chen, ZHANG Ga

(State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract：Stability analysis and failure mechanism of earth dam are of important engineering significance. By using centrifugal force to simulate gravity, centrifuge model test has effectively solved the problem of stress equality in model test. As a result, centrifuge model test has been an important means to investigate the deformation and failure process of earth dam. This article focuses on the deformation and failure behavior of earth dams under piping condition. Centrifuge model tests on failure of earth dam with weak layer were conducted based on improving the previous equipment. Test results show that the process of the failure of earth dam with weak layer is as follows: a piping channel forms gradually at first, and in subsequence, the lower dam is washed away gradually, and upper dam collapses in the meantime, and the whole dam breaks in the end. The breakthrough of the piping channel is an important influential factor, and even could be the prerequisite of dam failure.

Key words：weak layer; earth dam; centrifuge modeling; dam failure; deformation

收稿日期：2016-05-16

基金项目：国家自然科学基金项目(51479096)

作者简介：闫冠臣(1988-)，男，辽宁本溪人，博士研究生，主要从事土力学及岩土工程方面的研究，(电话)010-62797085-18(电子信箱)[e-mail]。

doi：10.11988/ckyyb.20160470

2017,34(8):101-105

中图分类号：TU411

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2017)08-0101-05