土石壩碎石土內部滲透侵蝕顆粒級配影響的數值模擬研究

余啟清

(鄱陽縣水利電力勘測設計室，江西 鄱陽 333100)

1 研究背景

碎石土是碎石和土相互混合形成的建筑材料，在水利工程建設中具有廣泛的應用[1]。按照其來源，碎石土和可以分為天然碎石土和人工碎石土兩大類型。其中，人工碎石土是指通過人工方法獲取碎石，并將其混入天然土里，使粒徑在2mm以上的碎石顆粒含量大于土體體積的50%而形成的碎石土[2]。人工碎石土在壓實以后具有強度高、滲透性好、變形小等諸多優勢，在工程建設中具有廣泛應用，而土石堤壩是人工碎石土在水利工程領域的主要應用方向。雖然人工碎石土在土石堤壩建設中具有重要優勢，但是工程應用中的滲透破壞問題也不容忽視[3]。根據相關的統計資料，我國的30%以上的土石壩破壞類型為滲透破壞，并主要表現為流土、沖刷、管涌等幾種形式[4]。但是，無論何種碎石土滲透破壞形式，均需要及時解決，否則都可能誘發堤壩的潰決，造成嚴重影響。從機理層面來看，堤壩的碎石土均由松散巖土介質構成，其松散顆粒之間存在大量的孔隙結構，在水的滲透作用下，其內部的細顆粒會穿過粗顆粒構成的骨架結構，進而造成內侵蝕作用[5]。由此可見，對碎石土內部侵蝕演化過程和機理的正確認知具有十分重要的意義。雖然諸多學者利用各種研究手段，對碎石土的滲透侵蝕問題進行了廣泛而深入的研究，但是研究的重點均集中于碎石土的孔隙比、水力梯度以及臨界剪切強度等若干方面[6]。基于此，本文試圖通過數值模擬的方式，展開顆粒級配對堤壩碎石土內部滲透侵蝕影響研究，為相關理論的完善和碎石土內部滲流機理的研究提供必要的經驗支撐。

2 PFC3D數值計算模型

2.1 PFC3D軟件簡介

PFC3D(Particle Flow Code)是美國ITASCA公司開發的一款基于離散單元法原理的顆粒流商業軟件[7]。該軟件主要用于顆粒集合體的破裂和發展以及大位移顆粒流方面的問題研究，是一款復雜固體力學和顆粒流問題方面的重要數值模擬研究工具。因此，本文研究中選擇PFC3D軟件進行建模分析研究。

2.2 數值計算模型的構建

碎石土內顆粒按照粒徑的大小可以為細顆粒和骨架粗顆粒兩種。研究中結合SL237—1999《土工試驗規程》中關于粒組的分類標準，結合研究對象的實際特點，確定顆粒粒徑的最小值和最大值分別為0.075、20mm，并將0.25、1.0、2.0、5.0、10.0、15.0mm作為分點，劃分為7個不同的區間，設計3組不同不連續碎石土級配，其最大粒徑分別為10、15、20mm，其中不同粒徑顆粒的具體配比見表1。研究中利用PFC3D軟件構建長方體模型。其底面為邊長88.6mm的正方形，高度為150mm。按照3種不同的級配，將模型等分為上中下3層，并將底層和中層分別設置為紅色和黑色，頂層不設置顏色，然后保存模型。

表1 不連續碎石土級配表

由于碎石土中的顆粒比較接近于球形，因此在模型的構建過程中選擇球形顆粒進行數值模擬，生成的顆粒單元數量在20萬左右[8]。在模型的上方設置一片可以使顆粒向上移動的區域，以契合實際情況。顆粒單元之間選擇線性結合粗模式。顆粒單元之間的接觸力鏈用線條體現，接觸力越大，線條就越粗。數值模型的接觸圖如圖1所示。由圖1可知，顆粒單元之間的接觸力鏈主要為上下方向，這也與實際情況相吻合。對模型進行帶有壓力的流體網格單元劃分，共劃分為960個網格單元。模型的網格劃分示意圖如圖2所示。

圖1 數值模型接觸圖

圖2 數值模型網格劃分示意圖

模擬實驗從滲透坡降0.4開始，直至沒有細顆粒流出為止，然后增大水頭，使滲透坡降達到0.72，直至沒有細顆粒流出為止，然后在滲透坡降為1.2、1.8、2.4的條件下重復上述試驗過程。

3 模擬實驗結果與分析

3.1 A-1組模擬結果與分析

模擬試驗從水力梯度0.4開始，經過一段時間的滲流之后，一直沒有細顆粒流出，因此增加水力梯度繼續試驗，當水力梯度為0.72時試樣頂層的沒有染色的細顆粒開始流出，試驗一段時間之后，發現有少量的黑色細顆粒流出，直至沒有細顆粒明顯流出時，滲流出的細顆粒總量為0.8g，此時的滲流速度為0.037cm/s；繼續將水力梯度增加到1.2，此時測的滲流速度為0.048cm/s，最終涌沙量為1.6g；等細顆粒不再明顯流出時將水力梯度值增加至1.8，此時對應的滲流速度為0.065cm/s，同時涌沙量也明顯增大，直到沒有明顯的細顆粒流出時，測得涌沙量達到了15.4g；將水力梯度增加至2.4繼續試驗，此時的滲流速度增加至0.092cm/s，在沒有明顯的細顆粒流出時停止試驗，測得最終涌沙量達到了16.9g。整個模擬試驗過程中的總涌沙量為34.7g。A-1組顆粒流動模擬結果如圖3所示。

圖3 A-1組顆粒流動模擬結果

3.2 A-2組模擬結果與分析

試驗從水力梯度0.4開始，經過一段時間的滲流之后，一直沒有細顆粒流出，因此增加水力梯度繼續試驗，當水力梯度為0.64時試樣頂層的沒有染色的細顆粒開始流出，試驗一段時間之后，發現有少量的黑色細顆粒流出，直至沒有細顆粒明顯流出時，涌出的細顆粒總量為1.2g，此時的滲流速度為0.038cm/s；繼續將水力梯度增加到1.2，模擬結果顯示滲流速度為0.055cm/s，最終涌沙量為1.8g；等細顆粒不再明顯流出時將水力梯度值增加至1.8繼續進行模擬實驗，此時對應的滲流速度為0.080cm/s，同時涌沙量也明顯增大，直到沒有明顯的細顆粒流出時，測得涌沙量達到了20.6g；將水力梯度增加至2.4繼續試驗，此時的滲流速度增加至0.12cm/s，在沒有明顯的細顆粒流出時停止模擬試驗，最終涌沙量達到了27.3g。整個模擬試驗過程中的總涌沙量為50.9g。A-2組顆粒流動模擬結果如圖4所示。

圖4 A-2組顆粒流動模擬結果

3.3 A-3組模擬結果與分析

試驗從水力梯度0.4開始，經過一段時間的滲流之后，一直沒有細顆粒流出，因此增加水力梯度繼續試驗，當水力梯度為0.61時試樣頂層的沒有染色的細顆粒開始流出，試驗一段時間之后，發現有少量的黑色細顆粒流出，直至沒有細顆粒明顯流出時，涌出的細顆粒總量為1.0g，此時的滲流速度為0.042cm/s；繼續將水力梯度增加到1.2，此時測得滲流速度為0.064cm/s，最終涌沙量為5.7g；等細顆粒不再明顯流出時將水力梯度值增加至1.8，此時對應的滲流速度為0.093cm/s，同時涌沙量也明顯增大，直到沒有明顯的細顆粒流出時，涌沙量達到了24.1g；將水力梯度增加至2.4繼續試驗，此時的滲流速度增加至0.15cm/s，在沒有明顯的細顆粒流出時停止試驗，測的最終涌沙量達到了27.8g。整個試驗過程中的總涌沙量為58.6g。A-3組顆粒流動模擬結果如圖5所示。

圖5 A-3組顆粒流動模擬結果

3.4 各組試驗的對比分析

基于各組模擬結果，繪制出如圖6—7所示的各組模擬實驗中滲流速度和涌沙量隨水力梯度變化的關系曲線。由圖可知，在相同的水力梯度條件下，A- 1試樣的流速和涌沙量均為最小，說明該組式樣的滲透穩定性最高，也就是抗滲透破壞性能最好；A-3試樣的流速和涌沙量均為最大，說明該組式樣的滲透穩定性最低，也就是抗滲透破壞性能最差。結合表1所列的各組式樣的級配設計可知，在其他條件相同時，碎石土的顆粒級配變化范圍越窄，越有利于提高其抗滲穩定性。因此，在碎石土堤壩施工過程中，在條件允許的情況下，建議選擇顆粒級配范圍較窄的碎石土，以提高堤壩的抗滲性能。

圖6 滲流速度隨水力梯度變化曲線

圖7 涌沙量隨水力梯度變化曲線

4 結論

本文利用數值模擬分析的方法，探索了顆粒級配對碎石土內部滲透侵蝕影響，根據模擬研究的結果，獲得如下主要結論。

(1)滲透流速會隨著水力梯度的增加而增大，在水力梯度相同時，顆粒級配范圍越大，滲透流速就越大。

(2)涌沙量會隨著水力梯度的增加而增大，在水力梯度相同時，顆粒級配范圍越大，涌沙量就越大。

(3)在其他條件相同時，碎石土的顆粒級配變化范圍越窄，越有利于提高其抗滲穩定性；建議在碎石土堤壩施工過程中選擇顆粒級配范圍較窄的碎石土，以提高堤壩的抗滲性能。