堤壩蟻穴的穩(wěn)定性及鹽土防蟻研究

范志輝

(東莞市東莞大堤管理處,廣東 東莞 523000)

0 引 言

白蟻巢會使堤壩內(nèi)部產(chǎn)生腔巢,嚴(yán)重影響堤壩的安全性及穩(wěn)定性。近年來,許多專家學(xué)者針對白蟻巢對堤壩的穩(wěn)定性影響開展了相關(guān)研究。張樹田等[1]以某水利樞紐土石壩為研究對象,對比不同白蟻防治措施的優(yōu)劣以及資金投入情況,為水利工程白蟻的防治工作提供參考依據(jù)。夏旭東等[2]以某水電站為研究對象,采用白蟻監(jiān)控技術(shù),分析該技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果,對該水電站的白蟻治理提出相關(guān)建議。沃玉報(bào)等[3]以某堤壩工程為研究對象,根據(jù)該地區(qū)的實(shí)際情況,針對性地提出白蟻治理建議,分析治理措施對堤壩工程的穩(wěn)定性影響情況。張紅旭等[4]以某地區(qū)水庫堤壩為研究對象,采用無損探測修復(fù)技術(shù),對水庫堤壩的白蟻危害情況進(jìn)行防治,為后續(xù)的白蟻防治提供了理論依據(jù)及技術(shù)支持。臧德記等[5]以某地區(qū)水庫和土壩為研究對象,對其進(jìn)行電阻率檢測,以探測其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的白蟻巢穴情況,并根據(jù)檢測結(jié)果,提出針對性的白蟻防治措施。

本文以某堤壩為研究對象,利用有限元軟件,分析白蟻蟻穴對其滲流特性和穩(wěn)定性的影響,并提出鹽土防蟻的相關(guān)建議。

1 工程概況

本文以某堤壩為研究對象,其總長度410 m,坡高10 m,坡角45°。該地區(qū)地勢東高西低,地質(zhì)情況良好,主要以粉質(zhì)黏土、粉砂和黏土為主;邊坡表層為殘積土及下層的全風(fēng)化巖層,土質(zhì)以紅黏土、砂土和粉質(zhì)黏土為主;地下水位線位于地下2m處。

2 有限元模型

由于蟻穴會使堤壩內(nèi)部產(chǎn)生腔巢,當(dāng)水位線上漲時(shí),水會隨著蟻穴進(jìn)入堤壩內(nèi)部,在其內(nèi)部形成滲流通道,從而影響堤壩的穩(wěn)定性。不同形式的蟻穴在堤壩內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形式不同,對堤壩穩(wěn)定性的影響程度也不同。本文將蟻穴分為虹吸式、直通式和串通式,分別對不同形式蟻穴對土堤壩的穩(wěn)定性影響進(jìn)行研究。

虹吸式蟻穴的兩端蟻道較低,中部蟻道最高,且蟻穴位于蟻道的下部,當(dāng)水位上漲時(shí),只有水位超過中部最高蟻道時(shí),堤壩內(nèi)部才會有滲流現(xiàn)象。直通式蟻穴的蟻道呈直線,蟻穴位于蟻道上部,由于上下部蟻道存在高差,且蟻道上下貫通,當(dāng)水位上升時(shí),滲流速度較大,堤壩在滲流作用下,容易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。串聯(lián)式蟻穴位于蟻道內(nèi)部,一段蟻道為水平,一段蟻道為傾斜,由于其蟻道存在高差,當(dāng)水位上升時(shí),堤壩內(nèi)形成滲流現(xiàn)象,且水流速度較快,從而影響堤壩的內(nèi)部結(jié)構(gòu),使其發(fā)生破壞。

對堤壩進(jìn)行有限元模擬,分析其穩(wěn)定性變化規(guī)律,模型見圖1。由上游或下游堤壩的水位靜水壓力來模擬堤壩期間使用的初始水力條件。堤壩沿上游斜坡的最低水位2.5m,最高為8.5m,為了模擬該地區(qū)的雨季,上游斜坡水位在20天內(nèi)以0.3m/d的速度從2.5m增加至8.5m;20天后,上游坡面水位由8.5m下降至2.5m,水位隨后在30天內(nèi)保持不變。

圖1 有限元模型

模型相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 模型相關(guān)參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 滲流特性分析

為了分析白蟻對堤壩的滲流和穩(wěn)定性的影響,比較3種不同白蟻筑巢堤壩和非侵蝕堤壩浸潤線的位置變化情況。非侵蝕堤壩的浸潤線高度變化曲線見圖2。由圖2可知,隨著距離的增大,非侵蝕堤壩的浸潤線逐漸下降。其中,50 天的浸潤線高度最大,70天的浸潤線高度最小,浸潤線高度與時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)模擬時(shí)間越大時(shí),其浸潤線高度越小,這是由于在模擬的前期,在降雨條件作用下,上游斜坡的水位迅速上升,而后水位下降,最后保持不變,這時(shí)堤壩內(nèi)部的滲流較不穩(wěn)定,所以此時(shí)浸潤線高度較大;當(dāng)時(shí)間較大時(shí),堤壩內(nèi)部的滲流情況逐漸穩(wěn)定,此時(shí)堤壩的浸潤線高度較小。當(dāng)距離小于0m時(shí),不同時(shí)間的浸潤線高度差距較為明顯;當(dāng)距離大于0m時(shí),不同時(shí)間的浸潤線高度具有一致性。這是由于此側(cè)為常水位,與水接觸的面積較大,所以不同時(shí)間堤壩內(nèi)部的滲流情況具有一定的差異性;而另一側(cè)為尾水位,與水接觸的面積較小,不同時(shí)間的堤壩內(nèi)部的滲流情況差距較小。

圖2 非侵蝕堤壩的浸潤線高度變化曲線

直通式蟻穴堤壩的浸潤線高度變化曲線見圖3。由圖3可知,直通式蟻穴堤壩的浸潤線變化趨勢與非侵蝕堤壩類似,隨著距離的增大,直通式蟻穴堤壩的浸潤線逐漸下降,浸潤線高度與時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)模擬時(shí)間越大時(shí),其浸潤線高度越小。當(dāng)時(shí)間為50天時(shí),堤壩的水位下降,保持在2.5m,由于前期降雨條件的影響,此時(shí)浸潤線高度仍為最大,對比非侵蝕堤壩浸潤線高度可得,直通式蟻穴堤壩的最大浸潤線高度與非侵蝕堤壩差距較小。相較于其它時(shí)間的曲線,直通式蟻穴堤壩50與55天的曲線較為分散,其余時(shí)間的曲線較為集中。這是由于50與55天的堤壩浸潤線位于蟻穴上部,直通蟻巢水位存在高差,且蟻道上下貫通,對蟻巢周圍的滲流孔壓影響較大,其浸潤線能更快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),且此趨勢在時(shí)間較小時(shí)較為明顯。表明直通式蟻穴對堤壩的浸潤線高度有一定的影響,且在時(shí)間較小時(shí),其效果較為明顯。

圖3 直通式蟻穴堤壩的浸潤線高度變化曲線

虹吸式蟻穴堤壩的浸潤線高度變化曲線見圖4。由圖4可知,虹吸式蟻穴堤壩的浸潤線高度曲線與上述兩種堤壩的浸潤線高度曲線具有一定的差異性。隨著距離的增大,虹吸式蟻穴堤壩的浸潤線逐漸下降,浸潤線高度與時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但是位于常水位一側(cè)的浸潤線高度變化較小,位于尾水位一側(cè)的浸潤線高度變化趨勢較為明顯,且大部分浸潤線高度位于蟻道以下。這是由于虹吸式蟻穴的兩端蟻道較低,中部蟻道最高,且蟻穴位于蟻道的下部,只有水位超過中部最高蟻道時(shí),堤壩內(nèi)部才會有滲流現(xiàn)象;當(dāng)水位上漲時(shí),呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,在尾水位一側(cè),水流迅速下降,當(dāng)水進(jìn)入蟻道后,使得堤壩浸潤線上溯較高,其內(nèi)部的土體對水的吸附能力下降。

圖4 虹吸式蟻穴堤壩的浸潤線高度變化曲線

串聯(lián)式蟻穴堤壩的浸潤線高度變化曲線見圖5。由圖5可知,串聯(lián)式蟻穴堤壩的浸潤線高度曲線與上述3種堤壩的浸潤線高度曲線存在顯著的差異性。隨著距離的增大,串聯(lián)式蟻穴堤壩的浸潤線逐漸下降,浸潤線高度與時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,串聯(lián)式蟻穴堤壩的浸潤線高度在蟻穴處發(fā)生突變,下降趨勢顯著。當(dāng)時(shí)間大于60天時(shí),不同時(shí)間下的浸潤線高度曲線較為集中,時(shí)間為50和55天的浸潤線曲線在常水位一側(cè)差距較大,而在尾水位一側(cè)數(shù)值較為集中。當(dāng)處于常水位一側(cè)時(shí),堤壩的浸潤線高度變化趨勢較為平緩;當(dāng)位于尾水位一側(cè)時(shí),浸潤線高度的下降趨勢顯著。這是由于串聯(lián)式蟻穴位于蟻道內(nèi)部,一段蟻道為水平,一段蟻道為傾斜,其蟻道存在高差,當(dāng)水位上升時(shí),堤壩內(nèi)形成滲流現(xiàn)象;而常水位一側(cè)的蟻道為水平段,尾水位一側(cè)蟻道為傾斜段,所以常水位一側(cè)的浸潤線高度較為平緩。

圖5 串聯(lián)式蟻穴堤壩的浸潤線高度變化曲線

3.2 整體穩(wěn)定性分析

本研究引入安全系數(shù)(Fs)對堤壩的整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析,各堤壩迎水坡的時(shí)間-安全系數(shù)曲線見圖6。由圖6可知,隨著時(shí)間的增大,4種堤壩迎水坡的安全系數(shù)均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當(dāng)時(shí)間較小時(shí),各堤壩間的安全系數(shù)差距較小;隨著時(shí)間的增大,當(dāng)時(shí)間大于20天時(shí),不同堤壩迎水坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)出一定的差異性。當(dāng)時(shí)間為20～50天時(shí),非侵蝕堤壩的安全系數(shù)最大,表明蟻穴的存在對堤壩的穩(wěn)定性具有一定的影響;當(dāng)時(shí)間大于50天時(shí),不同堤壩的安全系數(shù)具有明顯的差異,其中非侵蝕堤壩的安全系數(shù)最大,串聯(lián)式蟻穴堤壩的安全系數(shù)最小,表明蟻穴會顯著降低堤壩的安全性;隨著時(shí)間的增大,其對堤壩的侵蝕效果越明顯,其中串聯(lián)式蟻穴對堤壩安全性的影響最大。在實(shí)際工程中,規(guī)范所要求的最小安全系數(shù)為1.1～1.5,蟻穴雖然對堤壩的穩(wěn)定性有一定的影響,但堤壩的穩(wěn)定性仍能滿足工程需求。

圖6 迎水坡的時(shí)間-安全系數(shù)曲線

各堤壩背水坡的時(shí)間-安全系數(shù)曲線見圖7。由圖7可知,隨著時(shí)間的增大,非侵蝕堤壩的安全系數(shù)基本保持不變,有蟻穴的堤壩安全系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,表明蟻穴的存在對堤壩背水坡穩(wěn)定性的影響較大。隨著時(shí)間的變化,虹吸式蟻穴堤壩的安全系數(shù)減小量最大,其值為0.35;直通式蟻穴堤壩的安全系數(shù)減小量最小,其值為0.15,表明在降雨條件下,非侵蝕堤壩的穩(wěn)定性無明顯的變化,而降雨對虹吸式蟻穴堤壩的影響較大。當(dāng)時(shí)間大于50天時(shí),非侵蝕堤壩的安全系數(shù)最大,直通式蟻穴堤壩的安全系數(shù)次之,再次為串聯(lián)式蟻穴,最后為虹吸式蟻穴。為保證堤壩的穩(wěn)定性,在實(shí)際工程中應(yīng)對白蟻病害進(jìn)行防治,在背水坡尤其要注意虹吸式蟻穴對堤壩穩(wěn)定性的影響。對比堤壩迎水坡的安全系數(shù)可得,背水坡的安全系數(shù)偏小,表明迎水坡的穩(wěn)定性更高,但背水坡的各堤壩安全系數(shù)均大于1.5,滿足規(guī)范的相關(guān)要求。

圖7 背水坡的時(shí)間-安全系數(shù)曲線

4 鹽土防蟻

由于普通防治方法難以徹底根除白蟻病害,近年來,鹽土防蟻屏障被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。該方法將食鹽摻入堤壩的黏土中,在保證堤壩穩(wěn)定性的前提下,達(dá)到治理白蟻的目的。前人試驗(yàn)研究表明,當(dāng)食鹽含量為3%以下時(shí),土體的力學(xué)性能無明顯的變化,可將其作為鹽土用于白蟻防治;當(dāng)土體內(nèi)含鹽量為0.4%時(shí),白蟻的防治效果較好,在此濃度下,既能達(dá)到防治白蟻的目的,也能滿足堤壩的穩(wěn)定性需求。在本研究的堤壩工程中,可使用含鹽量為0.4%的鹽土用于白蟻防治。

5 結(jié) 論

本文以某堤壩為研究對象,利用有限元軟件,分析白蟻蟻穴對其滲流特性和穩(wěn)定性的影響,并提出了鹽土防蟻的相關(guān)建議,結(jié)論如下:

1)不同堤壩的迎水面安全系數(shù)具有明顯的差異,其中非侵蝕堤壩的安全系數(shù)最大,串聯(lián)式蟻穴堤壩的安全系數(shù)最小,表明蟻穴會顯著降低堤壩的安全性;隨著時(shí)間的增大,其對堤壩的侵蝕效果越明顯,其中串聯(lián)式蟻穴對堤壩安全性的影響最大。

2)當(dāng)時(shí)間大于50天時(shí),非侵蝕堤壩的背水面安全系數(shù)最大,直通式蟻穴堤壩的安全系數(shù)次之,再次為串聯(lián)式蟻穴,最后為虹吸式蟻穴。為保證堤壩的穩(wěn)定性,在實(shí)際工程中應(yīng)對白蟻病害進(jìn)行防治,在背水面堤壩尤其要注意虹吸式蟻穴對堤壩穩(wěn)定性的影響。