蟲(chóng)穴對(duì)土石壩滲流規(guī)律分析

牛來(lái)福，張玉民

(山東潤(rùn)泰水利工程有限公司，山東 泰安 271000)

水庫(kù)大壩是水利工程中最為核心的構(gòu)成部分，一些研究表明，很多土石壩由于多種原因?qū)е聣误w內(nèi)部產(chǎn)生空腔，嚴(yán)重威脅大壩的安全運(yùn)營(yíng)。這些空腔產(chǎn)生的原因有多種，如螞蟻、昆蟲(chóng)筑巢產(chǎn)生的蟲(chóng)穴。程聲龍[1]基于滲流理論系統(tǒng)的分析了土石壩滲流破壞及其控制措施。研究表明，通過(guò)增加翻綠排水層及削坡等措施可以有效提高庫(kù)壩的穩(wěn)定性。此外，加強(qiáng)堤壩白蟻防治，提高防洪標(biāo)準(zhǔn)等處理措施可以有效提高壩體的安全運(yùn)營(yíng)能力。侯彥釗[2]基于巢對(duì)土石壩滲流及穩(wěn)定性影響。系統(tǒng)的研究了蟻巢和蟻道情況下土石壩滲流場(chǎng)的演變規(guī)律。結(jié)果表明，蟻巢對(duì)周?chē)臐B流孔壓影響較小。此外，土石壩穩(wěn)定性隨螞蟻蟲(chóng)穴半徑及深度增大而減小。史新偉等[3]系統(tǒng)的研究探地雷達(dá)技術(shù)在白蟻巢穴探測(cè)中的應(yīng)用，并采用實(shí)例分析的方法驗(yàn)證了文章的有效性。臧德記等[4]基于高密度電阻率法研究了該方法在白蟻巢穴探測(cè)中的應(yīng)用。并使用該方法在多核土石壩工程得到了驗(yàn)證，證明了該方法的有效性。吳高偉等[5]基于江西省南昌縣贛東大堤開(kāi)展了室內(nèi)模型試驗(yàn)，系統(tǒng)的研究了白蟻防治的有效解決方案。該防治方案可以為相關(guān)工程提供經(jīng)驗(yàn)。常利營(yíng)等[6]基于數(shù)值模擬研究了礫石土粗粒含量對(duì)高土石壩蓄水期滲流的影響。結(jié)果表明，在均勻蓄水情況下，壩體心墻內(nèi)最大滲透坡降隨蓄水速度的增加顯著增大，實(shí)際工程中應(yīng)合理考慮蓄水速度。

本文采用數(shù)值有限元方法，系統(tǒng)的研究了土石壩內(nèi)部空腔蟲(chóng)穴對(duì)大壩的滲流穩(wěn)定性的影響。對(duì)比分析了不同類(lèi)型的空腔對(duì)土石壩內(nèi)部滲流的影響。為相關(guān)工程設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供工程參考。

1 數(shù)值模型

本文采用有限元對(duì)典型土石壩建立計(jì)算模型，分析滲流情況。土石壩的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土石壩參數(shù)匯總

數(shù)值模擬使用的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 蟲(chóng)穴計(jì)算參數(shù)匯總

計(jì)算蟲(chóng)穴時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文將蟲(chóng)穴簡(jiǎn)化為圓柱體，主要研究蟲(chóng)穴與周?chē)馏w接觸界面處的滲流及孔壓變化趨勢(shì)。

既有研究表明，土石壩內(nèi)部的孔洞形式會(huì)對(duì)土石壩滲流產(chǎn)生影響。一般孔洞的形式可以分為虹吸式、直通式和串通式3種[7-8]。其中，相對(duì)于其他蟲(chóng)穴而言，虹吸式蟲(chóng)穴的兩端較低，中部位置最高，對(duì)于水流入蟲(chóng)穴時(shí)，只有當(dāng)水位上漲超過(guò)中部最高蟻道時(shí)，土石壩內(nèi)部才會(huì)產(chǎn)生滲流現(xiàn)象。對(duì)于直通式蟲(chóng)穴，蟲(chóng)穴呈直線形態(tài)，且蟲(chóng)穴內(nèi)部起伏不平，存在高差，當(dāng)水位上升時(shí)，滲流速度較大，且容易導(dǎo)致土石壩破壞。串聯(lián)式蟲(chóng)穴一般為傾斜形態(tài)，當(dāng)水位上升時(shí)，土石壩內(nèi)形成滲流現(xiàn)象，且水流速度較快，產(chǎn)生滲透力導(dǎo)致土石壩破壞。本文分別計(jì)算了不同形式的孔洞對(duì)土石壩滲流的影響。本文采用的關(guān)于土石壩、蟲(chóng)穴和蟲(chóng)道的力學(xué)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 蟲(chóng)穴對(duì)土石壩滲流的影響

蟲(chóng)穴對(duì)土石壩內(nèi)部孔壓的影響如圖1所示。

圖1 蟲(chóng)穴對(duì)孔壓的影響

結(jié)果表明，浸潤(rùn)線以上和浸潤(rùn)線以下蟲(chóng)穴對(duì)孔壓的影響比較一致。隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)的增大，孔壓先增大后減小，在節(jié)點(diǎn)編號(hào)為25時(shí)，孔壓達(dá)到最大，其最大孔壓在浸潤(rùn)線以上為-18kPa，在浸潤(rùn)線以下為44.5kPa。綜合來(lái)看，有蟲(chóng)穴的滲流孔壓大于與無(wú)蟲(chóng)穴的孔壓，但蟲(chóng)穴對(duì)土石壩內(nèi)部的滲流影響較小。

蟲(chóng)穴對(duì)滲流速度的影響如圖2所示。

圖2 蟲(chóng)穴對(duì)滲流速度的影響

結(jié)果表明，有蟲(chóng)穴和沒(méi)蟲(chóng)穴對(duì)滲漏速度的影響較大。在節(jié)點(diǎn)25時(shí)，滲流速度達(dá)到最大，此外，在浸潤(rùn)線以下時(shí)，有蟲(chóng)穴和無(wú)蟲(chóng)穴的滲流速度均大于浸潤(rùn)線以上的滲流速度。這是因?yàn)?，?dāng)處于浸潤(rùn)線以下時(shí)，水會(huì)流入蟲(chóng)穴，是周文土體達(dá)到飽和狀態(tài)。因此浸潤(rùn)線以上的滲流速度小于浸潤(rùn)線以下的滲流速度。整體來(lái)看，有無(wú)蟲(chóng)穴對(duì)滲流速度的影響比對(duì)孔壓的影響大。

蟲(chóng)穴類(lèi)型對(duì)滲流速度的影響如圖3所示。

圖3 蟲(chóng)穴類(lèi)型對(duì)滲流速度的影響

結(jié)果表明，隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)的增大，滲流孔壓先增大后減小。其中在僅有蟲(chóng)穴的孔壓最大，當(dāng)在浸潤(rùn)線以上時(shí)，串聯(lián)蟲(chóng)穴孔壓最小，擋在浸潤(rùn)線以下時(shí)，直通蟲(chóng)穴的孔壓最小。此外，虹吸蟲(chóng)穴和直通蟲(chóng)穴的孔壓基本接近。以上分析表明，3種不同的蟲(chóng)穴對(duì)孔壓的影響較大，當(dāng)蟲(chóng)穴位于浸潤(rùn)線以上時(shí)，串聯(lián)蟲(chóng)穴對(duì)孔壓影響最大，直通蟲(chóng)穴影響最小，當(dāng)位于浸潤(rùn)線以下時(shí)，土體飽和，直通蟲(chóng)穴對(duì)孔壓的影響最大。

2.2 不同蟲(chóng)穴對(duì)滲流速度的影響

不同形式的蟲(chóng)穴對(duì)浸潤(rùn)線以上滲流速度的影響如圖4所示。

圖4 不同形式蟲(chóng)穴對(duì)滲流速度的影響(浸潤(rùn)線以上)

結(jié)果表明，對(duì)于單一蟲(chóng)穴和直通型蟲(chóng)穴而言，隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)的增大，滲流速度隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)的增大而先增大后減小。而對(duì)于虹吸蟲(chóng)穴和串聯(lián)蟲(chóng)穴而言，滲流速度呈現(xiàn)M型。其中，單一蟲(chóng)穴最大滲流速度為1.7×10-3m/s，虹吸蟲(chóng)穴最大滲流速度為1.3×10-6m/s，直通蟲(chóng)穴最大滲流速度為2.8×10-6m/s，串聯(lián)蟲(chóng)穴最大滲流速度為9.4×10-3m/s。綜合來(lái)看，導(dǎo)致以上滲流速度差異性的原因是由于，串聯(lián)式的蟲(chóng)洞位于土石壩內(nèi)部，由于水頭差的原因，當(dāng)水位升高時(shí)，在土石壩內(nèi)部形成滲流，從而導(dǎo)致滲流速度增大。而對(duì)于直通式的蟲(chóng)穴而言，由于蟲(chóng)穴為直線，由于上下蟲(chóng)穴存在高差且相互貫通，因此滲流速度相對(duì)也較大。

不同形式的蟲(chóng)穴對(duì)浸潤(rùn)線以下滲流速度的影響如圖5所示。

圖5 不同形式蟲(chóng)穴對(duì)滲流速度的影響(浸潤(rùn)線以下)

結(jié)果表明，對(duì)于單一蟲(chóng)穴和直通型蟲(chóng)穴而言，隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)的增大，滲流速度隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)的增大而先增大后減小。而對(duì)于虹吸蟲(chóng)穴和串聯(lián)蟲(chóng)穴而言，滲流速度呈現(xiàn)M型。其中，單一蟲(chóng)穴最大滲流速度為1.3×10-5cm/s，虹吸蟲(chóng)穴最大滲流速度為1.4×10-4cm/s，直通蟲(chóng)穴最大滲流速度為5.5×10-5cm/s，串聯(lián)蟲(chóng)穴最大滲流速度為0.033cm/s。綜合來(lái)看，3種不同的蟲(chóng)穴滲流速度均大于單一蟲(chóng)穴的滲流速度，這證明蟲(chóng)穴的存在確實(shí)會(huì)對(duì)土石壩內(nèi)部的滲流產(chǎn)生影響。對(duì)于串聯(lián)式蟲(chóng)穴而言，由于水位上升導(dǎo)致土體飽和，水流速度增大，因此導(dǎo)致滲流速度增大。

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬研究了土石壩內(nèi)部蟲(chóng)洞及空腔類(lèi)型對(duì)土石壩的滲流作用的影響。得到以下結(jié)論。

(1)浸潤(rùn)線以上和浸潤(rùn)線以下蟲(chóng)穴對(duì)孔壓的影響比較一致。隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)的增大，孔壓先增大后減小，最大孔壓在浸潤(rùn)線以上為-18kPa，在浸潤(rùn)線以下為44.5kPa。綜合來(lái)看，有蟲(chóng)穴的滲流孔壓大于與無(wú)蟲(chóng)穴的孔壓。

(2)蟲(chóng)穴位于浸潤(rùn)線以上時(shí)，串聯(lián)蟲(chóng)穴對(duì)孔壓影響最大，直通蟲(chóng)穴影響最小，當(dāng)位于浸潤(rùn)線以下時(shí)，土體飽和，直通蟲(chóng)穴對(duì)孔壓影響最大。

(3)多種蟲(chóng)穴滲流速度均大于單一蟲(chóng)穴的滲流速度，對(duì)于串聯(lián)式蟲(chóng)穴而言，由于水位上升導(dǎo)致土體飽和，水流速度增大，導(dǎo)致滲流速度增大。