堤基滲透破壞的數(shù)值模擬研究

堤基滲透破壞的數(shù)值模擬研究

水庫(kù)工程的洪水流量在水庫(kù)災(zāi)害中所占比例很大。由于破壞形式的不同，形成原因復(fù)雜，因此已成為研究的困難和熱點(diǎn)。近年來(lái),關(guān)于堤壩滲透破壞的研究很多,從單個(gè)土體的物理試驗(yàn)到大比尺的組合試驗(yàn),從理論分析計(jì)算到數(shù)值試驗(yàn),獲得了大量具有研究意義和應(yīng)用價(jià)值的結(jié)果,但均集中于堤壩土體發(fā)生滲透變形前的允許坡降和各種滲控措施抑制滲透變形發(fā)生能力方面,而對(duì)滲流變形發(fā)生后細(xì)顆粒運(yùn)移情況和堤壩內(nèi)部發(fā)生變化后滲透變形進(jìn)一步發(fā)展過(guò)程研究較少。鑒此,本文從理論計(jì)算、模型試驗(yàn)和數(shù)值試驗(yàn)三方面總結(jié)了前人的研究成果,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了數(shù)值試驗(yàn),分析了不同的各向異性程度下滲透變形的發(fā)展過(guò)程,以期獲得各向異性對(duì)滲透變形發(fā)展過(guò)程的影響規(guī)律。11.1土體滲透變形臨界條件研究理論上,早期的研究大多為半經(jīng)驗(yàn)性,旨在總結(jié)和研究土體滲透變形的類(lèi)型和滲透變形發(fā)生的臨界條件(1)土體孔隙直徑和填料粒徑法大都集中于土體級(jí)配等物理性質(zhì)方面,但總體上歸為三類(lèi):①以前蘇聯(lián)的伊斯托明娜為代表,采用不均勻系數(shù)來(lái)判斷變形的類(lèi)型;②以巴特拉雪夫、巴甫契奇和康特拉夫?yàn)榇?采用土體孔隙直徑和填料粒徑之比來(lái)判別變形的類(lèi)型;③以南京水利科學(xué)研究院和北京水利科學(xué)研究院為代表,采用土體的細(xì)粒含量來(lái)判別變形的類(lèi)型。(2)管涌臨界坡降計(jì)算大體上可分為兩類(lèi):①通過(guò)力學(xué)極限平衡方法來(lái)推導(dǎo)臨界條件,得出理論公式;②通過(guò)大量試驗(yàn)進(jìn)行分析,總結(jié)影響臨界條件的影響因素,得出半經(jīng)驗(yàn)的理論公式。其中,關(guān)于流土的臨界坡降,以太沙基、扎馬林和南京水利科學(xué)研究院為代表;關(guān)于管涌臨界坡降的計(jì)算,北京水科院根據(jù)大量試驗(yàn)繪制出臨界坡降和滲透系數(shù)、細(xì)粒含量間的關(guān)系曲線(xiàn),南京水科院的沙金煊和毛昶熙根據(jù)單個(gè)顆粒在土體中的受力情況分別得出了臨界坡降的計(jì)算公式;關(guān)于接觸沖刷和接觸流土臨界條件的計(jì)算尚無(wú)較合適的理論公式。從20世紀(jì)末開(kāi)始,國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要集中于探尋滲透變形發(fā)展和破壞過(guò)程的理論,這期間,井流或孔流理論的應(yīng)用是一個(gè)突破,以毛昶熙和陳建生為代表,已可通過(guò)理論計(jì)算得到地基滲透破壞的發(fā)展過(guò)程及影響范圍,探索性的得到了一些滲透破壞過(guò)程與坡降、涌砂量、涌水量、地層滲透性能、幾何尺寸等條件之間的關(guān)系;同時(shí)也有學(xué)者建立了雙層地基滲透性能隨管涌的發(fā)展而變化的理想數(shù)學(xué)模型,可概念性地分析滲透性能的變化情況。1.2管涌尺寸和滲流場(chǎng)的影響物理試驗(yàn)方面,時(shí)間的劃分較模糊,基本劃分為兩個(gè)時(shí)期:①1998年洪水以前。學(xué)術(shù)界大都集中于單個(gè)土體滲透破壞的臨界水利條件及其與土體物理特性相關(guān)關(guān)系的研究,同時(shí)在土體破壞形式方面也做了很多物理試驗(yàn)。②1998年洪水之后。針對(duì)實(shí)際情況的需要,集中做了各種水文地質(zhì)和水力條件下的組合模型試驗(yàn),將實(shí)際的幾何要素、土層分布等條件考慮在內(nèi),研究臨界破壞情況及其破壞的發(fā)展和機(jī)理,得出如下結(jié)論(1)進(jìn)一步證明了滲透變形、破壞的產(chǎn)生和發(fā)展與土的物理性質(zhì)、堤壩水利條件、地質(zhì)條件、幾何尺寸、防滲措施等有關(guān)。不僅土層縱向(順流向)尺寸對(duì)管涌的擴(kuò)展有影響,且其橫向尺寸也有很大影響;滲流坡降上升的速度對(duì)管涌的擴(kuò)展影響很大,上升速度愈快,管涌愈易擴(kuò)展到管涌破壞;在某一滲流坡降下發(fā)生管涌后,是否會(huì)擴(kuò)展到管涌破壞,與滲徑長(zhǎng)度關(guān)系很大;滲徑愈長(zhǎng),愈不易擴(kuò)展到管涌破壞。(2)堤壩的滲透破壞,一般從下游的溢水口向上下發(fā)展,其向下部和向上游擴(kuò)展的范圍與水力條件、地質(zhì)條件等有關(guān)。對(duì)地基的滲透破壞,先在堤后或大壩下游的地層薄弱帶或堤壩坡腳產(chǎn)生漏水冒砂,然后涌砂范圍不斷向深部和迎水坡方向擴(kuò)展,最后連通上下游,造成事故。(3)滲透變形(特指管涌)可分為有害和無(wú)害,這與水利條件、土層物理性質(zhì)、防滲措施等有關(guān)。土層愈不均勻,愈易發(fā)生管涌,往往在很小的平均滲流坡降下發(fā)生,但卻愈不易擴(kuò)展到管涌破壞。(4)不考慮各向異性時(shí),均勻砂基的滲透破壞主要發(fā)生于背水坡腳處,破壞水力坡降取決于砂基自身的臨界水力坡降,而當(dāng)?shù)躺砗偷鼗撻_(kāi)時(shí)取決于砂基表面的沖刷破壞坡降;而對(duì)二元結(jié)構(gòu)的地基,滲透破壞均開(kāi)始于上層土,最終控制地基滲流穩(wěn)定的為下層管涌型砂層,整個(gè)破壞過(guò)程可描寫(xiě)上層流土穿孔,接著下層出現(xiàn)管涌(接觸沖刷或兩種的組合),然后促使上層流土破壞向堤腳發(fā)展,直至整體破壞,最后控制滲透破壞的是下砂層的抗?jié)B強(qiáng)度。(5)防滲措施中,懸掛式防滲墻的模型試驗(yàn)較多,結(jié)論較一致。懸掛式防滲墻對(duì)控制管涌的發(fā)生,效果不明顯,但對(duì)擬制管涌破壞的發(fā)展卻效果明顯,這與其延長(zhǎng)滲徑有關(guān);懸掛式防滲墻的滲控效果與其布置位置、貫入深度、地質(zhì)條件等有關(guān)。(6)堤防防滲措施中,減壓井相對(duì)物美價(jià)廉,但其經(jīng)多年使用后的淤堵問(wèn)題應(yīng)引起重視,雙向循環(huán)式大降深洗井技術(shù)能較好地恢復(fù)井效。1.3滲透破壞的發(fā)展趨勢(shì)滲透破壞的數(shù)值試驗(yàn),大都從20世紀(jì)末開(kāi)始,主要用以研究復(fù)雜地質(zhì)、水力等條件下的滲透破壞及其發(fā)展情況。可分為兩類(lèi)數(shù)值方法重在反饋滲透破壞產(chǎn)生后的流場(chǎng),用來(lái)反演破壞的過(guò)程,也可一定程度上預(yù)測(cè)滲透破壞的進(jìn)一步發(fā)展方向。近年來(lái)數(shù)值研究進(jìn)一步證明和完善了模型試驗(yàn)的結(jié)論,并直觀地得到了破壞發(fā)展的過(guò)程?？傊?前人的研究無(wú)論在理論、模型試驗(yàn)還是實(shí)際應(yīng)用上,均取得了很大的成果。然而,前人的研究較少考慮砂層各向異性和非穩(wěn)定性對(duì)滲透破壞過(guò)程的影響,因此借助數(shù)值試驗(yàn)來(lái)分析這幾個(gè)因素對(duì)滲透破壞過(guò)程的影響規(guī)律非常必要。2滲透變形模擬本次數(shù)值試驗(yàn)力求符合實(shí)際情況,但并不考慮滲透破壞過(guò)程中表層壤土的坍塌破壞,所選砂土為:表層壤土層本文采用穩(wěn)定流計(jì)算,當(dāng)局部坡降大于臨界坡降時(shí),認(rèn)為發(fā)生了滲透變形,改變滲透變形區(qū)域的滲透系數(shù)進(jìn)行二次計(jì)算,根據(jù)結(jié)果再改變變形區(qū)的滲透系數(shù),然后三次計(jì)算,直至與上游連通發(fā)生滲透破壞或管涌停止為止,以此來(lái)模擬滲透變形發(fā)展情況,發(fā)生滲透破壞的區(qū)域取2.1滲流破壞過(guò)程圖2為當(dāng)總之,在數(shù)值試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),模型最大水平坡降及模型最大垂直坡降在整個(gè)滲透破壞過(guò)程中(開(kāi)始破壞后)忽大忽小,不斷調(diào)整,但整體變化不明顯。2.2“三自”結(jié)構(gòu)的應(yīng)用圖3為當(dāng)2.3種方法所受不同3由圖2、3比較可知,當(dāng)2.3.1各向異性流場(chǎng)的影響圖4為2.3.2模型坡降分析本文選取模型最大水平與垂直、砂層最大水平與垂直4個(gè)特征坡降,考慮不同的各向異性情況下,其在整個(gè)滲透變形過(guò)程中變化的情況,進(jìn)而說(shuō)明各向異性對(duì)滲透破壞過(guò)程的影響。圖5為模型坡降對(duì)比。由圖可看出:①堤基變形前,模型最大水平坡降和垂直坡降均達(dá)最大值,且均出現(xiàn)于壤土層內(nèi);一旦發(fā)生滲透變形或破壞,模型的各特征坡降就立刻減小;隨變形的發(fā)展,各模型特征坡降在不斷調(diào)整,忽大忽小,但變化不明顯。②堤基發(fā)生滲透變形前,圖6為砂層特征坡降對(duì)比。由圖可看出:①堤基變形前,基本小于K2.4砂層各向異性水平的影響上述試驗(yàn)表明,堤基滲透破壞的發(fā)展主要受砂層水平抗?jié)B強(qiáng)度的控制,而各向異性水平的提高,一定程度上削減了砂層的水平坡降,遏制了滲透破壞的進(jìn)一步發(fā)展;另