王秋生,王洪洋,蘇瑞林
(北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,北京 100124)
加筋無(wú)黏性土石壩漫頂潰壩試驗(yàn)研究
王秋生,王洪洋,蘇瑞林
(北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,北京 100124)
研制了封閉式循環(huán)供水土石壩潰壩模型試驗(yàn)裝置,并應(yīng)用該裝置開展了室內(nèi)模型試驗(yàn),對(duì)加筋無(wú)黏性均質(zhì)土壩的潰壩過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)研究,探討了壩體加筋對(duì)潰壩流量過(guò)程線的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:在水泵出水口設(shè)置消能彎管和擋水隔板可保證模型上游供水的穩(wěn)定性,在試驗(yàn)裝置側(cè)面設(shè)置連接上下游的U型測(cè)流彎管,把明渠流轉(zhuǎn)化為滿管管流,在U型彎管下側(cè)平直段安裝電磁式流量計(jì)量測(cè)潰口流量,可有效提高流量過(guò)程線的測(cè)量精度;加筋無(wú)黏性均質(zhì)土壩的漫頂潰壩過(guò)程可分為壩體下游未加筋區(qū)域、加筋嵌固區(qū)和上游未加筋區(qū)域破壞3個(gè)階段;隨著加筋體埋深的增加,峰值流量呈現(xiàn)先增大、后減小,再增大的變化規(guī)律,在壩高的35%~50%范圍內(nèi)埋設(shè)加筋體,能夠降低潰壩峰值流量;減小加筋體豎向間距能有效延滯潰壩峰現(xiàn)時(shí)間。
加筋;土石壩;漫頂;潰壩;模型試驗(yàn)
土石壩一旦發(fā)生潰壩,將嚴(yán)重影響下游居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。比如河北“63.8”暴雨造成中小型水庫(kù)垮壩失事319座,沖毀村莊106個(gè),致使1 467人死亡[1];河南“75.8”暴雨造成板橋、石漫灘兩座大型水庫(kù),田崗、竹溝兩座中型水庫(kù)和58座小型水庫(kù)垮壩,造成12 000 km2土地受淹,1 100萬(wàn)人受災(zāi);青海省溝后水庫(kù)潰壩造成下游居民死亡288人,失蹤40人[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)[3],1954—2007年,我國(guó)共有3 503座水庫(kù)發(fā)生潰決,所潰大壩中98%以上是土石壩,年均潰壩率為7.6×10-4,遠(yuǎn)高于世界平均潰壩率(2×10-4)。盡管2007年我國(guó)啟動(dòng)了大規(guī)模的病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固,但在2010—2013年間,仍有20余座水庫(kù)大壩發(fā)生潰壩。漫頂潰壩是土石壩潰壩的重要破壞形式[4]。漫頂潰壩的計(jì)算模型主要有機(jī)理模型和統(tǒng)計(jì)模型兩類[5-9],盡管近年來(lái)發(fā)展了大量的土石壩漫頂潰壩計(jì)算模型,但是由于潰壩實(shí)測(cè)資料匱乏,這些模型沒(méi)有得到系統(tǒng)的實(shí)際工程事故驗(yàn)證。模型試驗(yàn)是研究土石壩潰壩機(jī)理、提出并驗(yàn)證計(jì)算模型的重要手段。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的土石壩漫頂潰壩模型試驗(yàn)[10-17],對(duì)均質(zhì)土石壩的漫頂潰壩過(guò)程進(jìn)行了劃分[18],探討了均質(zhì)土石壩的漫頂潰壩機(jī)理。但是這些模型試驗(yàn)主要針對(duì)均質(zhì)土石壩。土工合成材料作為一種經(jīng)濟(jì)有效的加筋材料,在土石壩抗震加固中得到了廣泛應(yīng)用[19-20]。由于壩體結(jié)構(gòu)對(duì)地震波的放大效應(yīng),壩體上部加速度反應(yīng)較大,一般對(duì)壩體上部1/5~1/4范圍內(nèi)鋪設(shè)土工合成材料進(jìn)行抗震加固。本文應(yīng)用自行研制的封閉式循環(huán)供水模型試驗(yàn)裝置開展了土石壩加筋漫頂潰壩模型試驗(yàn),研究了內(nèi)部加筋對(duì)土石壩漫頂潰壩的影響,分析加筋土石壩的潰壩過(guò)程和潰壩機(jī)理,提出減小洪峰流量的土石壩加筋有效埋置深度范圍。
2.1 試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)在自行研制的封閉式循環(huán)供水模型試驗(yàn)裝置內(nèi)進(jìn)行。該裝置長(zhǎng)1.4 m,寬0.6 m,高1.125 m,沿高度方向分上中下3層,下層放置離心泵,中層儲(chǔ)水,上層放置試驗(yàn)?zāi)P?,設(shè)備細(xì)部構(gòu)造及實(shí)物如圖1和圖2所示。離心泵揚(yáng)程108 m,最大轉(zhuǎn)速2 900 rpm,可提供的最大流量為4.0 L/s。水泵標(biāo)定結(jié)果表明,轉(zhuǎn)速和流量呈現(xiàn)線性關(guān)系,在本次開展的系列模型試驗(yàn)中,水泵出水流量設(shè)定為1.15 L/s。中層和上層側(cè)面設(shè)置透明有機(jī)玻璃,以便觀察儲(chǔ)水區(qū)水位變化和觀測(cè)潰壩過(guò)程。
圖1 循環(huán)供水系統(tǒng)(單位:mm)
圖2 循環(huán)供水系統(tǒng)
在模型上游設(shè)置消能彎管和溢流板,用于減少水面波動(dòng);下游設(shè)置儲(chǔ)土槽和攔土板,用于攔截漫頂水流沖蝕到下游的土體。攔土板后設(shè)置連接模型放置區(qū)和儲(chǔ)水區(qū)的U型測(cè)流彎管,測(cè)流彎管的下側(cè)平直段裝滿水,并安裝電磁式流量計(jì)。試驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)離心泵抽取儲(chǔ)水區(qū)的水,經(jīng)消能彎管和溢流板后沖蝕壩體,水流再經(jīng)儲(chǔ)土槽、攔土板和測(cè)流彎管返回儲(chǔ)水區(qū),實(shí)現(xiàn)水流循環(huán)。該裝置通過(guò)U型測(cè)流彎管把模型下游的明渠流轉(zhuǎn)換為滿管管流,應(yīng)用電磁流量計(jì)測(cè)量下游流量,顯著提高了潰口下游流量的測(cè)量精度。
2.2 試驗(yàn)方案為針對(duì)性的研究加筋位置和層數(shù)對(duì)土石壩潰壩過(guò)程的影響,設(shè)計(jì)了13組模型試驗(yàn)方案,每組試驗(yàn)都應(yīng)用同一砂土作為壩體材料,一組試驗(yàn)完成后,晾干并按預(yù)定含水率重新配制土樣。為防止試驗(yàn)過(guò)程中壩體首先發(fā)生滲透破壞,應(yīng)用連續(xù)級(jí)配的砂土制作模型,級(jí)配曲線如圖3所示。其有效粒徑d10=0.15 mm,d30=0.62 mm,控制粒徑d60=1.65 mm,不均勻系數(shù)Cu=11,曲率系數(shù)Cc=1.55,含水率為7%,濕密度為2 050 kg/m3。
13組室內(nèi)試驗(yàn)方案如表1所示,其中T0為不加筋的均質(zhì)土石壩,T5至T12為一層加筋土石壩,下角標(biāo)表示加筋體至壩頂?shù)呢Q向距離(埋深);T4/6、T4/8、T6/8為二層加筋土石壩,下角標(biāo)表示兩層加筋體各自埋深;T4/6/8為3層加筋土石壩,下角標(biāo)表示3層加筋體各自埋深。所有的13組試驗(yàn)具有相同的壩體外形尺寸。
Wang等[21]在應(yīng)用離心模型試驗(yàn)研究加筋土石壩的地震響應(yīng)時(shí)采用醫(yī)用紗布模擬加筋材料,考慮到醫(yī)用紗布剛度小,且在上述模型試驗(yàn)工況下不至于產(chǎn)生破壞,本文同樣選用醫(yī)用紗布模擬加筋材料,所選紗布厚度為0.15 mm,經(jīng)紗密度和緯紗密度分別為21和32。鑒于試驗(yàn)?zāi)P统叽巛^小,將紗布從上游壩坡到下游壩坡通寬埋設(shè)。
通過(guò)分層壓實(shí)再削坡的方法制備模型,模型尺寸如圖4所示。壩體模型分4層壓實(shí),層高5 cm。由于紗布埋設(shè)深度可能與模型制備時(shí)每層壓實(shí)高度的位置不同,每當(dāng)紗布鋪設(shè)于設(shè)計(jì)埋深前,均需將埋設(shè)位置土體壓實(shí),并將鋪設(shè)面打毛,確保紗布和砂土之間均勻嵌固。在實(shí)際工程中,土工合成材料是根據(jù)土石壩邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算得出的潛在滑裂面布置的,考慮到試驗(yàn)?zāi)P统叽巛^小,作為簡(jiǎn)化,將紗布從上游壩坡到下游壩坡通寬埋設(shè)。初始試樣尺寸為50 cm×56.5 cm×20 cm,受試驗(yàn)設(shè)備沿河道方向尺寸的制約,采用上游0.5∶1、下游1.5∶1的坡比削坡。壩頂?shù)闹虚g位置預(yù)設(shè)8 cm×4 cm的初始潰口,引導(dǎo)土石壩發(fā)生由壩頂中部的初始缺陷導(dǎo)致的潰壩破壞。為便于觀察下游潰口的橫向擴(kuò)展過(guò)程,在下游坡面撒布6 cm×6 cm的石灰網(wǎng)格。
圖3 顆粒級(jí)配曲線
表1 試驗(yàn)方案
圖4 壩體模型制備
3.1 均質(zhì)土石壩漫頂潰壩過(guò)程為對(duì)比分析加筋土石壩的潰壩過(guò)程,首先進(jìn)行了不加筋條件下均質(zhì)土石壩的漫頂潰壩試驗(yàn),潰壩過(guò)程如圖5所示。壩體漫頂后首先在下游形成寬度與初始潰口寬度相近的沖溝。壩體沖蝕速率自下游坡腳向上逐漸增大,下游潰口坡度逐漸變陡,潰口內(nèi)坡角(潰口內(nèi)坡與水平方向夾角,初始值為下游坡度)逐漸增大到某一臨界值。隨后潰口自下游向上游發(fā)展,形成潰口內(nèi)坡角保持不變的溯源沖刷現(xiàn)象,順河道方向的壩體寬度逐漸變窄,直到潰口發(fā)展至上游壩肩,在此過(guò)程中壩體高程無(wú)明顯變化,潰壩水流流速保持為常量。接下來(lái)水流沖蝕上游壩坡,壩高快速下降,庫(kù)容在較短時(shí)間內(nèi)迅速釋放,出現(xiàn)洪峰流量。隨著庫(kù)容釋放殆盡,水流流速由大變小,當(dāng)流速小于砂土的啟動(dòng)流速時(shí),沖蝕過(guò)程結(jié)束,潰口不再發(fā)生變化。
圖5 均質(zhì)土石壩漫頂潰壩
3.2 加筋土石壩漫頂潰壩過(guò)程土石壩加筋后,漫頂水流首先沖蝕加筋體上部壩體,并在壩體下游形成紡錘形的沖溝,由于加筋體阻滯水流向下沖蝕壩體,且約束了下部土體的上表面,使得潰口側(cè)面和加筋體結(jié)合部位的側(cè)向淘刷加劇,引起潰口側(cè)壁坍塌,相比不加筋條件下,壩前水位有所抬升。隨后水流逐漸沖蝕加筋體下部土體,潰口自下游向上游發(fā)展,當(dāng)發(fā)展到上游壩坡時(shí),庫(kù)容水位小于加筋體埋深,水流沖蝕上游壩坡,壩高快速降低,潰口的流量迅速增加,當(dāng)庫(kù)容越來(lái)越小,流速隨之減小,當(dāng)水流流速小于壩體材料的抗沖流速時(shí),潰壩過(guò)程結(jié)束。三層加筋土石壩(T4/6/8)的漫頂潰壩過(guò)程如圖6所示。
圖6 3層加筋土石壩漫頂潰壩
可將加筋土石壩的橫向漫頂潰壩過(guò)程分為如下3個(gè)階段:
(1)土石壩下游未加筋部分的沖蝕破壞。初始沖溝的中部較寬、壩肩和壩腳相對(duì)較窄,呈現(xiàn)基本對(duì)稱的紡錘形。水流沖蝕壩體至加筋體裸露,一部分滲過(guò)加筋體,一部分沿加筋體形成射流,射流沖擊下游壩坡形成類似于黏土壩的“陡坎”,如圖7(a)所示。下游未加筋部分的沖刷以溯源“陡坎”的方式進(jìn)行。
(2)土石壩加筋嵌固區(qū)的沖蝕破壞。加筋體和其嵌固壩體形成一道抗沖增強(qiáng)區(qū),使得壩體的豎向沖蝕速率降低減慢,潰口發(fā)展變緩。同時(shí),漫溢水流在下游對(duì)壩體產(chǎn)生強(qiáng)烈的基蝕,導(dǎo)致“陡坎”產(chǎn)生倒坡,如圖7(b)所示。潰口的豎向沖蝕緩慢而橫向擴(kuò)展顯著,伴隨有潰口的側(cè)壁坍塌。
(3)土石壩上游未加筋部分的沖蝕破壞。潰口經(jīng)過(guò)前兩階段的發(fā)展,漫溢水流從加筋體下部通過(guò),沖刷上游壩坡,如圖7(c)所示。由于壩體上游未設(shè)置護(hù)堤等抗沖設(shè)施,抗沖性能差,沖蝕速率較大。此階段和無(wú)黏性均質(zhì)土石壩漫頂潰壩的第三階段類似,主要是削低壩高,釋放庫(kù)容。當(dāng)壩前水位和尾水水位接近時(shí),水流速度小于砂土啟動(dòng)流速,漫頂潰壩過(guò)程結(jié)束,如圖7(d)所示。
圖7 3層加筋土石壩漫壩橫斷面示意
3.3 加筋土石壩潰口的橫向擴(kuò)展漫頂水流對(duì)潰口側(cè)壁的持續(xù)淘刷以及由此引起的潰口側(cè)壁坍塌導(dǎo)致潰口橫向擴(kuò)展,由于加筋體對(duì)壩體的局部約束,使得加筋土石壩潰口的橫向擴(kuò)展更加顯著。分別截取潰壩過(guò)程中T0、T5、T6、T8、T4/6、T6/8、T4/8和T4/6/8模型試驗(yàn)下游坡面4個(gè)典型時(shí)刻圖像,分析土壩漫頂潰壩的橫向擴(kuò)展過(guò)程,壩體下游沖溝輪廓線變化情況如圖8所示。其中,橫坐標(biāo)表示下游壩坡坡面的橫向,沿該方向均布9個(gè)石灰網(wǎng)格,初始潰口位于壩體中部;縱坐標(biāo)表示下游壩坡坡面的縱向,沿該方向均布6個(gè)石灰網(wǎng)格,其值從6~36 cm變化。在t=25s、t=50s以及t=100s時(shí),由于尾水抬升,靠近壩基下游坡面被淹沒(méi)而無(wú)法量測(cè),因此潰口下側(cè)部分輪廓缺失。
T0的潰口范圍在22.25~33.12 cm之間,10 s時(shí)的潰口最大寬度為9.77 cm,100 s時(shí)的最大潰口寬度為10.87 cm,增長(zhǎng)了11.2%,在整個(gè)潰壩過(guò)程中,潰口擴(kuò)展比較均勻。T5、T6和T8試驗(yàn)10 s時(shí)的潰口寬度最大值分別為14.8、12.5和14.6 cm,且均出現(xiàn)在各自的加筋區(qū)域,潰口先增大后減小,呈現(xiàn)基本對(duì)稱的紡錘形,在土壩潰決過(guò)程中,潰口側(cè)壁發(fā)生土塊坍塌現(xiàn)象,潰口寬度有不同程度的擴(kuò)展。以T6的潰口擴(kuò)展圖為例,其在100 s時(shí)的潰口輪廓線明顯遠(yuǎn)離前一階段,說(shuō)明潰口在此階段發(fā)生了大范圍的側(cè)壁坍塌。T5、T6和T8試驗(yàn)100 s時(shí)的潰口寬度最大值達(dá)到16.8、18.5和22.8 cm,分別增長(zhǎng)了13.5%、48%和56.1%,和T0的均質(zhì)土壩試驗(yàn)相比,潰口橫向擴(kuò)展更加明顯;T4/6、T6/8、T4/8和T4/6/8試驗(yàn)的橫向潰口寬度更大,100s時(shí)初始潰口的最大寬度分別為17.6、18.8、18.2和19 cm,而最終潰口的最大寬度分別為19.3、21.4、20和22 cm,且整個(gè)過(guò)程只發(fā)生體積較小的側(cè)壁坍塌。
4.1 單層加筋位置對(duì)流量過(guò)程線的影響圖9為一層加筋均質(zhì)土石壩在加筋體埋深不同時(shí)的漫頂潰壩流量過(guò)程線,不加筋條件下T0的峰值流量為2.0 L/s。而T5的峰值流量為2.16 L/s,和T0相比,增大8%,這是因?yàn)樵跐蔚某跏紩r(shí)刻,加筋體埋設(shè)位置和壩前庫(kù)容液位相差不大,潰口內(nèi)的漫頂水流深度較小,潰口流量較小,庫(kù)容得不到及時(shí)釋放使得壩前液位不斷抬升,當(dāng)水流從加筋體下部穿過(guò)時(shí),潰口水深較大,從而使得峰值流量增加;T6和T7的峰值流量分別為2.08和1.94 L/s,從整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果分析,此時(shí)加筋體埋深位于最終潰口中部;T8和T9的峰值流量分別為1.67和1.7 L/s,比2.0 L/s降低16%,此時(shí)加筋體埋設(shè)于最終潰口中下部,相當(dāng)于壩高的35%~50%范圍內(nèi),潰壩水流從加筋體下部穿過(guò)時(shí),壩前液位較低,潰口流量較小;T10、T11和T12的峰值流量分別為1.93、2.01和1.99 L/s,此時(shí)加筋體位于最終潰口底部,只有少量的潰壩水流最終穿過(guò)加筋體,整個(gè)潰壩過(guò)程和均質(zhì)土石壩大致相同。
圖8 潰口橫向擴(kuò)展過(guò)程
圖9 加筋體埋深對(duì)流量過(guò)程線的影響
加筋體埋設(shè)深度與峰值流量的關(guān)系如圖10所示,隨著加筋體埋設(shè)位置下移,潰壩峰值流量先減小后增大,倘若把峰值流量顯著減小的加筋區(qū)定義為有效加筋區(qū),其位于最終潰口的中下部,距壩頂7~10 cm,為壩高的35%~50%。土石壩抗震中加固中的通常加筋體埋置范圍為壩高的20%~25%,根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果,要使加筋體同時(shí)發(fā)揮抗震和抗沖的作用,應(yīng)將土工合成材料的埋設(shè)范圍加大。
圖10 峰值流量和加筋埋深的關(guān)系
4.2 多層加筋對(duì)流量過(guò)程線的影響如圖11所示,T4/6的峰值流量為2.42 L/s,大于T4和T6的峰值流量;T4/8的峰值流量為1.77 L/s,和T0相比,降低11.5%,和T8相比,其值增大6%;T6/8和T4/6/8的峰值流量分別為1.88和1.78 L/s,和T0相比,分別降低6%和11%。上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明土石壩內(nèi)存在一個(gè)有效加筋埋置深度,加筋體埋置在有效深度范圍內(nèi),可降低潰口峰值流量,埋置在有效深度以上,會(huì)增大潰口的峰值流量。
T4/6、T6/8和T4/6/8的峰現(xiàn)時(shí)間分別為30、90和77s,比T0的峰現(xiàn)時(shí)間24s,延后25%、275%和220%,表明加筋體對(duì)其中間土體有良好的嵌固力,對(duì)延滯峰現(xiàn)時(shí)間有利。另外,T6/8和T4/6/8的流量過(guò)程線在出現(xiàn)峰值流量前,都有不同程度的波動(dòng)(次峰),這和加筋體的層數(shù)有關(guān),由于2層或3層加筋土石壩潰壩時(shí)庫(kù)容的小幅度分段釋放,使得峰值流量顯著降低,峰現(xiàn)時(shí)間明顯延后。
圖11 多層對(duì)流量過(guò)程線的影響
應(yīng)用自行研制的封閉式循環(huán)供水土石壩潰壩試驗(yàn)裝置開展了13組均質(zhì)無(wú)黏性均質(zhì)土壩漫頂潰壩試驗(yàn),得出如下主要結(jié)論:所研制的封閉式循環(huán)供水土石壩潰壩模型試驗(yàn)裝置,在水泵出水口設(shè)置消能彎管和擋水隔板,在裝置側(cè)面設(shè)置連接上下游的測(cè)流彎管,在彎管平直段安裝電磁式流量計(jì),有效保證了上游供水的穩(wěn)定性和潰口流量過(guò)程線的量測(cè)精度。加筋無(wú)黏性均質(zhì)土壩的漫頂破壞過(guò)程可分為土石壩下游未加筋部分沖蝕破壞、加筋嵌固區(qū)沖蝕破壞和上游未加筋部分沖蝕破壞三個(gè)階段。加筋材料對(duì)壩體局部具有約束作用,使得加筋土石壩潰口的橫向擴(kuò)展更加顯著。未加筋壩體潰口擴(kuò)展比較均勻;加筋土石壩潰口形狀主要表現(xiàn)為對(duì)稱的紡錘形,潰口寬度最大值均出現(xiàn)在各自的加筋區(qū)域。另外,加筋壩體在潰決過(guò)程中,潰口側(cè)壁發(fā)生土塊坍塌現(xiàn)象,并且隨著加筋體埋深及層數(shù)的增加,潰口寬度增加。隨著壩體加筋體埋置深度的增大,潰口峰值流量呈現(xiàn)先增大,后減小,再增大的變化規(guī)律。存在一個(gè)有效加筋區(qū),本文的試驗(yàn)成果顯示為壩高的35%~50%范圍。
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Abstract:A circulating water supply device was developed and thirteen small-scale embankments overtop?ping breach tests were conducted with the device.The breaching process of geotextile-reinforced noncohe?sive embankments was studied and the influence of dam geotextile reinforcement on flow process line of dam break was discussed.Conclusions can be drawn that:Using a folded energy dissipation pipe installed following the valve can guarantee the stability of upstream discharge,and using a U-bend pipe with flowme?ter installed laterally connecting the circulating flow can effectively improve the measurement accuracy of downstream discharge.The breaching process of the reinforced noncohesive embankment can be divided into three stages:erosion of the downstream unreinforced part,erosion of the geotextile stiffened part and ero?sion of the upstream unreinforced part,respectively.An effective reinforcement zone to reduce the peak dis?charge is found at 35%to 50%of the dam height.A decrease in geotextile spacing can enhance the antierosion properties and delay the peak time.
Keywords:geotextile-reinforced;embankment;overtopping;dam failure;model test
(責(zé)任編輯:韓 昆)
Experimental study on overtopping of geotextile-reinforced noncohesive embankments
WANG Qiusheng,WANG Hongyang,SU Ruilin
(College of Architecture and Civil Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)
TV131.61
A
10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.04.004
1672-3031(2017)04-0263-09
2017-06-15
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51679003)
王秋生(1977-),男,山東昌樂(lè)人,博士,副教授,主要從事巖土材料本構(gòu)關(guān)系和強(qiáng)度理論、土石壩潰壩機(jī)理和風(fēng)險(xiǎn)控制等研究。E-mail:wangqs@bjut.edu.cn。