论文部分内容阅读
摘 要：孔隙率是影响土石坝结构稳定性的一项重要参数，为了探究其对土石坝溃决过程的影响，本文采用模型试验方法，测试了不同孔隙率的三组土石坝在漫顶条件下发生溃决的差异。试验结果表明：孔隙率越大，溃口最终宽度越大，坝前水位下降越快，溃口峰值流量越大。
关键词：孔隙率;土石坝;溃口最终形状;峰值流量，漫顶溃决
中图分类号：TV*** 文献标识码：A
1 引 言
土石坝是一种普遍的水工建筑物，主要由土、砂、石等材料填筑而成。在极端暴雨条件下，库区水位暴涨漫过坝顶，坝体极可能因漫顶冲刷而发生溃决。土石坝一旦发生溃决，对下游造成的危害难以估量。
土石坝从修建开始随着时间推移，都会不同程度的伴随沉降，则坝体的致密程度将会发生变化，抵抗水流冲刷的能力也将发生变化。孔隙率是反映散粒状颗粒之间互相填充的致密程度的一项重要指标，在土石坝溃决数值研究中也是一项重要参数。
综上所述，在溃坝中，表征坝体填充的致密程度可以有不同方式，但是很难形成量化参数，采用孔隙率作为表征参数将有利于解决这一问题。因此，本文将通过一系列水槽试验，探究坝体孔隙率对堰土石坝溃决过程溃口流量影响，为工程领域和数值研究提供理论参考。
2 试验设置
试验在攀枝花学院土木工程实训中心开展。水槽长8.8 m，宽0.4 m，高0.5 m，采用玻璃边壁便于观察，水槽分为试验段和沉砂池段，其中试验段长7m，沉砂池段长1.8m。在试验段根据工况需要堆筑坝体，距坝体上游分别为1m，2m和3m位置安装3个高精度浪高仪，用以记录溃坝过程中库区水位变。坝体上方和侧面固定两台高清数码摄像机，编号DV1、DV2，其中DV1用于记录坝顶溃口变化信息，DV2用于记录上游坝脚断面水流变化。
3. 孔隙率测定方法及试验工况
3.1 孔隙率测定方法
在试验前，用固定体积容器在坝体取样品（最好是环刀），测量样土的总体积 ，称量样土重量 ，称量烘干后重量 ，计算土体体积和孔隙体积后得到孔隙比，最后利用公式（3）计算得到体的孔隙率。
3.2 试验工况
试验共3组，试验坝体材料按照特定级配配制，并逐层堆筑，堆筑过程采用木锤夯实，各组夯实时间不同，堆坝结束后静置相同时间，试验前用100cm3取土环刀取样，测定孔隙率.
4 试验结果及讨论
4.1从工况1到工况3孔隙率依次增大。孔隙率越大，则坝体压实度越高，将通过影响溃口边坡稳定性的形式影响溃口发展。工况1到工况3边坡坡度依次减小，其中工况1和工况3边坡形成了钝角角度。
4.2溃坝发生后，坝前库区水流通过溃口流向下游。随着溃坝进程发展，溃口展宽加深的同时将直接影响坝前水位下降快慢。对比分析了三种孔隙率下溃坝过程坝前水位变化情况。可以得出，坝前水位下降到相同深度（100mm），工况1所需时间最多，工况3所需时间最少。
4.3溃口流量比较
为了得到溃口流量，选取目前溃坝研究中应用最广泛的流量计算公式（水量平衡法，公式（4）进行计算。
（4）
为入库水流体积流量; 表示库容随时间变化率。
通过溃口流量比较可以得出，随着孔隙率增大（工况1到工况3），溃口峰值流量依次增大。工况1和工况2峰值流量较为接近，分别为0.0081m3/s，0.0085m3/s，工况3峰值流量为0.0098m3/s。工况3峰值流量相对工况1和工况2超出17.35%和13.27%。因此，可以认为孔隙率对于溃口峰值流量是一个十分敏感的影响因素。说明孔隙率越大，坝体压实度越低，坝体材料之间越疏松，从而导致水流可以快速改变溃口尺度，从而产生更大峰值流量。
5 结论
本文通过一个长8.8 m，宽0.4 m，高0.5 m的水槽，研究了不同孔隙率对土石坝溃坝过程影响。对溃口最终形态，坝前水位变化过程和溃口峰值流量进行了对比分析，得到以下结论：
（1）孔隙率越大，最终溃口宽度越大，溃口边坡坡度越小;
（2）孔隙率越大，坝前水位下降越快，坝前水位下降到指定深度所需时间越长;
（3）孔隙率是溃口峰值流量重要影响因素，表现为孔隙率越大溃口峰值流量越大。
参考文献
[1] 蒋先刚，崔 鹏，王兆印，衡武浩. 堰塞坝溃口下切过程试验研究[J]. 四川大学学报（工程科版），2016，48（4）：39-44.
[2] 谢作楷，王丹丹. 土石坝溃决试验研究进展[J]. 人民珠江，2014，2：77-80.
[3] 刘阳，侍克斌，毛海涛，胡洪浩. 土石坝坝基内部侵蚀规律研究现状述评[J]. 人民珠江，2019，5：1-7.
作者简介：赵馨鑫，女，主要从事土石坝溃坝方面研究。
邓涵，男，主要从事工程管理方面研究。
刘杰，男，主要从事土石坝溃决，工程力学方面研究。
李丽华，女，主要从事建筑学方面研究工作。
许仁安，男，主要从事工程试验方面工作。
通讯作者：刘杰，男，主要从事土石坝溃决，工程力学方面研究工作。
基金项目：四川省大学生创新创业训练计划项目（2017cxcy138）;四川省教育厅2018年一般项目（2018YB762）;四川省高等學校重点实验室科研项目（SC_FQWLY-2019-Z-03）
关键词：孔隙率;土石坝;溃口最终形状;峰值流量，漫顶溃决
中图分类号：TV*** 文献标识码：A
1 引 言
土石坝是一种普遍的水工建筑物，主要由土、砂、石等材料填筑而成。在极端暴雨条件下，库区水位暴涨漫过坝顶，坝体极可能因漫顶冲刷而发生溃决。土石坝一旦发生溃决，对下游造成的危害难以估量。
土石坝从修建开始随着时间推移，都会不同程度的伴随沉降，则坝体的致密程度将会发生变化，抵抗水流冲刷的能力也将发生变化。孔隙率是反映散粒状颗粒之间互相填充的致密程度的一项重要指标，在土石坝溃决数值研究中也是一项重要参数。
综上所述，在溃坝中，表征坝体填充的致密程度可以有不同方式，但是很难形成量化参数，采用孔隙率作为表征参数将有利于解决这一问题。因此，本文将通过一系列水槽试验，探究坝体孔隙率对堰土石坝溃决过程溃口流量影响，为工程领域和数值研究提供理论参考。
2 试验设置
试验在攀枝花学院土木工程实训中心开展。水槽长8.8 m，宽0.4 m，高0.5 m，采用玻璃边壁便于观察，水槽分为试验段和沉砂池段，其中试验段长7m，沉砂池段长1.8m。在试验段根据工况需要堆筑坝体，距坝体上游分别为1m，2m和3m位置安装3个高精度浪高仪，用以记录溃坝过程中库区水位变。坝体上方和侧面固定两台高清数码摄像机，编号DV1、DV2，其中DV1用于记录坝顶溃口变化信息，DV2用于记录上游坝脚断面水流变化。
3. 孔隙率测定方法及试验工况
3.1 孔隙率测定方法
在试验前，用固定体积容器在坝体取样品（最好是环刀），测量样土的总体积 ，称量样土重量 ，称量烘干后重量 ，计算土体体积和孔隙体积后得到孔隙比，最后利用公式（3）计算得到体的孔隙率。
3.2 试验工况
试验共3组，试验坝体材料按照特定级配配制，并逐层堆筑，堆筑过程采用木锤夯实，各组夯实时间不同，堆坝结束后静置相同时间，试验前用100cm3取土环刀取样，测定孔隙率.
4 试验结果及讨论
4.1从工况1到工况3孔隙率依次增大。孔隙率越大，则坝体压实度越高，将通过影响溃口边坡稳定性的形式影响溃口发展。工况1到工况3边坡坡度依次减小，其中工况1和工况3边坡形成了钝角角度。
4.2溃坝发生后，坝前库区水流通过溃口流向下游。随着溃坝进程发展，溃口展宽加深的同时将直接影响坝前水位下降快慢。对比分析了三种孔隙率下溃坝过程坝前水位变化情况。可以得出，坝前水位下降到相同深度（100mm），工况1所需时间最多，工况3所需时间最少。
4.3溃口流量比较
为了得到溃口流量，选取目前溃坝研究中应用最广泛的流量计算公式（水量平衡法，公式（4）进行计算。
（4）
为入库水流体积流量; 表示库容随时间变化率。
通过溃口流量比较可以得出，随着孔隙率增大（工况1到工况3），溃口峰值流量依次增大。工况1和工况2峰值流量较为接近，分别为0.0081m3/s，0.0085m3/s，工况3峰值流量为0.0098m3/s。工况3峰值流量相对工况1和工况2超出17.35%和13.27%。因此，可以认为孔隙率对于溃口峰值流量是一个十分敏感的影响因素。说明孔隙率越大，坝体压实度越低，坝体材料之间越疏松，从而导致水流可以快速改变溃口尺度，从而产生更大峰值流量。
5 结论
本文通过一个长8.8 m，宽0.4 m，高0.5 m的水槽，研究了不同孔隙率对土石坝溃坝过程影响。对溃口最终形态，坝前水位变化过程和溃口峰值流量进行了对比分析，得到以下结论：
（1）孔隙率越大，最终溃口宽度越大，溃口边坡坡度越小;
（2）孔隙率越大，坝前水位下降越快，坝前水位下降到指定深度所需时间越长;
（3）孔隙率是溃口峰值流量重要影响因素，表现为孔隙率越大溃口峰值流量越大。
参考文献
[1] 蒋先刚，崔 鹏，王兆印，衡武浩. 堰塞坝溃口下切过程试验研究[J]. 四川大学学报（工程科版），2016，48（4）：39-44.
[2] 谢作楷，王丹丹. 土石坝溃决试验研究进展[J]. 人民珠江，2014，2：77-80.
[3] 刘阳，侍克斌，毛海涛，胡洪浩. 土石坝坝基内部侵蚀规律研究现状述评[J]. 人民珠江，2019，5：1-7.
作者简介：赵馨鑫，女，主要从事土石坝溃坝方面研究。
邓涵，男，主要从事工程管理方面研究。
刘杰，男，主要从事土石坝溃决，工程力学方面研究。
李丽华，女，主要从事建筑学方面研究工作。
许仁安，男，主要从事工程试验方面工作。
通讯作者：刘杰，男，主要从事土石坝溃决，工程力学方面研究工作。
基金项目：四川省大学生创新创业训练计划项目（2017cxcy138）;四川省教育厅2018年一般项目（2018YB762）;四川省高等學校重点实验室科研项目（SC_FQWLY-2019-Z-03）