懸掛式防滲墻對堤基管涌的影響研究

季衛星

(江蘇昌泰建設工程有限公司，江蘇 泰興 225400)

堤防和大壩潛在的滲透問題給工程帶來了很大的安全隱患。我國土石壩在大壩工程中占有很大部分，Foster et al針對世界上11192座大型土石壩的破壞方式進行統計，得到由管涌問題導致大壩破壞的比例高達45%；賈金生對我國壩高高于30m的大壩進行統計，其中土石壩約占59%[1- 8]。在堤防工程方面，長江水利委員會統計出，由管涌引發的險情約占52%；我國在2011年進行水利普查時，我國的堤防總長度為413679km。由此可知，管涌問題的研究對于保護土石壩和堤防安全是重要的研究方向。

目前，防滲墻分為截斷式防滲墻、半截斷式防滲墻和懸掛式防滲墻。大量的試驗表明懸掛式防滲墻隨著貫入度的增加，滲流量隨之降低。張家發等通過試驗研究發現懸掛式防滲墻能夠有效的阻止管涌的發展，對于滲透的擴展制約更大[9]；李廣信等通過試驗發現隨著懸掛式防滲墻深度的增加，它能阻止管涌發展的作用更大[10]；丁留謙等通過改變懸掛式防滲墻在地基中的位置，得出其在背水側對阻止管涌發展的效果更加的明顯。目前，通過試驗對懸掛式防滲墻的了解已經有了總體的認識，但是在懸掛強數值模擬方面對其作用的機制研究還不夠深入。

1 管涌動態發展模型的建立

1.1 滲流域和管流域控制方程

在管涌發展過程中，水流狀態可分為層流和紊流。管涌通道邊界的滲流域和管流域存在著水頭差。通道尖端和管壁之間的土體顆粒都會被沖刷到管涌通道中。本文假設被侵蝕顆粒的濃度沒有達到流體性質的程度，水流仍然視為粘性和不可壓縮的牛頓流體。這樣可實現簡化模型的優點，水流中的質量和動量守恒方程如下：

(1)

(2)

式中，Q—水流量；q—單位長度的滲流量；v—斷面的平均流速；H—上游水頭；A—斷面面積；λ—阻力系數。

相對于二維的滲流區域，二維的滲流微分方程符合達西定律，方程如下：

(3)

式中，kx、ky—x、y方向的滲透系數。

1.2 顆粒侵蝕與管涌通道發展

對于后向性侵蝕的現象，其內部的侵蝕過程通常認為是通過滲流水將骨架中細小的顆粒隨著水流的滲出而帶走，這樣的過程將會導致骨架中細小顆粒的含量越來越少，土體中的孔隙含量越來越大，從而使土體最終被侵蝕破壞。本文從四個方面了解顆粒侵蝕的物理現象，如圖1所示。

圖1 管涌發生發展物理圖景

(1)通道發展方向

顆粒的運動是受滲透水流作用力和顆粒與周邊顆粒摩擦力的共同作用引起的，顆粒在不同的侵蝕環境下所受到的啟動條件是不一樣的。土體內部在侵蝕的過程中，由于土的各向異性，因素在各個方向的受力是不同的，土體產生的侵蝕方向也是不同的，通過對土體內部顆粒的受力分析可知，顆粒可以再幾個方向上同時起動。隨著滲流的作用，土體內部細小的顆粒不斷的被水流帶走，細小顆粒的比重不斷的減少，最終導致土骨架的破壞。隨著細小顆粒的流失，在土體的內部將會出現一個水流最大的方向，在這時顆粒的侵蝕現象也會隨之增大，因此，選擇顆粒侵蝕最大的方向為通道的發展方向。

(2)管涌通道的前進速度

管涌尖端的前進速度由水流帶走顆粒的速度決定的，由于管涌的發生是在土體的內部，對于管涌通道的前進速度的計算就顯得尤為困難。目前，大多數研究侵蝕的方程基本上都是基于表面的侵蝕研究，但是這樣有很嚴重的缺點，在土體的內部和表面管涌的前進速度是不一樣的，這樣就使毛管模型在土體參數上與多孔介質原型上難以相互驗證。因為內部侵蝕發生時，涉及到顆粒的沉積和阻塞問題，土體內部與土體表面的侵蝕速率相比較小。一些學者提出了過量滲流流速的侵蝕率公式：

Es=k3(u-uc)

(4)

式中，ES—單位面積土體的侵蝕量，K—侵蝕系數，U—滲流流速，i—水力梯度，u0—滲流流速對應的臨界值。當侵蝕率確定后，可以計算出通道尖端沿著發展方向的前進距離。

2 懸掛式防滲墻的影響

2.1 懸掛式防滲墻對路堤管涌的控制作用

本文選取強透水層的土體初始孔隙度為0.35，懸掛墻設置在堤身的中間位置，距上游堤角之間的距離為75m，強透水層的厚度為45m。圖2為上游水頭為4m時，防滲墻深度為3m時的堤基破壞形態示意圖，其中管涌通道通過紅色的實線表示。

圖2 管涌貫穿堤基破壞的通道形態

當懸掛式防滲墻不能夠阻止管涌的繼續發展，圖3比較了在上游水頭4m的位置下，不設置防滲墻的發展時間變化過程。

圖3 管涌水平發展距離與時間關系的曲線

由圖3可以看出，如果內有懸掛式防滲墻，上游4m水頭時管涌貫穿堤基需要時間為86個小時。而當設計3m深的懸掛式防滲墻時，其發展速度緩慢，將近50個小時，可以得到：懸掛式防滲墻能夠起到減緩管涌發展的速度，能夠爭取搶險的時間。

2.2 懸掛式防滲墻墻身的影響

由上一節可知，墻身的增加對管涌破壞的水頭是有效的，本節計算中僅僅改變墻深的深度。圖4為不同墻深的情況下模擬管涌貫穿堤基的臨界上游水頭結果；圖5為PSD2砂樣的孔隙度和各項異性的數得到的計算結果。

圖4 臨界貫穿破壞水頭與防滲墻深度的關系(PSD1)

圖5 臨界貫穿破壞水頭與防滲墻深度關系(PSD2)

由圖5的模擬結果可知：在相同的外界條件和相同的水力條件下，細顆粒更容易隨著管涌的現象被帶出，也更容易發生管涌現象，而在工程經驗中墻深與臨界水頭的關系在模擬使用中受限。

2.3 懸掛式防滲墻位置的影響

在施工時，一般的情況下都會將懸掛式防滲墻從堤頂打入，根據需要深度到堤基的不同位置，但是也有很多情況是將防身措施同地方工程同時施工，合并在一起同時發揮作用。本算例通過改變懸掛式防滲墻的位置，研究懸掛式防滲墻分布在不同位置的作用效果。圖6是以砂樣PSD1作為土料，通過改變墻的深度，研究不同深度與管涌貫穿堤基破壞的臨界上游水頭。

圖6 臨界貫穿破壞水頭與防滲墻深度的關系(PSD1)

從圖6可以看出，在防滲效果方面，懸掛式防滲墻的位置對防滲效果有很明顯的影響，懸掛式防滲墻在提防中部比設置在上游堤腳處的效果要好很多。當懸掛式防滲墻設置在上游的堤腳位置時，只有墻深大于8m時才能夠按照工程經驗設置防滲墻的位置，而當墻深小于8m時，就有可能出現管涌繞過防滲墻的情況。

3 結論

本文研究了在典型條件下，懸掛式防滲墻設置不能夠阻止管涌現象的發生，但是懸掛式防滲墻能夠有效的延緩管涌貫穿堤基的發展時間，為工程搶險提供了準備的時間，能夠有效的防治險情的繼續擴展，得到的主要結論如下：

(1)當墻深在8m以上時，通過工程經驗和上游水頭的關系都能夠保證懸掛式防滲墻控制管涌發展的作用；當墻深在3m以下時，各種工況的防滲效果都發揮阻止管涌發展的作用。

(2)懸掛式防滲墻能夠明顯的影響局部流場。如果管涌發生點不在防滲墻的影響范圍內時，則防滲墻發揮的作用很小。

(3)懸掛式防滲墻墻深的增加能有效提高管涌破壞時的臨界水頭。由于土體滲透系數的各向異性，導致一般土體在豎向上的滲透系數較小，從而降低了繞流時的初始滲流力，使管涌現象更加的不容易發生，從而提高了懸掛式防滲墻的作用。