管袋壩接縫管路處土體成拱效應(yīng)的顆粒流分析

管袋壩接縫管路處土體成拱效應(yīng)的顆粒流分析

在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，對(duì)管袋水庫的研究主要集中在管袋單元的波浪力影響下的穩(wěn)定分析、管袋材料透水保砂性能分析及管袋水庫施工技術(shù)研究等方面。關(guān)于圖1所示的國(guó)內(nèi)管袋水庫的典型剖面，以及對(duì)管袋水庫的密封性能的分析，如圖2所示，管道密封是水庫芯的一種脆弱部分。在滲透率或波浪效應(yīng)下，吹填土沿著管道形成一致的流動(dòng)，這將導(dǎo)致水庫局部破壞和沉降。如圖3所示。根據(jù)物理模型試驗(yàn)，在低水面的情況下，出口形成拱，砂粒不會(huì)隨著水流的逐漸進(jìn)出性而丟失。2）在一定距離內(nèi)，土壤不會(huì)流到管道中，而是融入管道，以獲得平衡。在這項(xiàng)工作中，我們主要研究管道的質(zhì)量與密封問題。國(guó)內(nèi)關(guān)于松散介質(zhì)成拱效應(yīng)的研究主要集中于2方面.一是防止松散介質(zhì)在料倉出口處成拱的研究:王新民根據(jù)松散介質(zhì)力學(xué)的極限平衡理論,分析了松散礦石在放礦漏斗中的應(yīng)力狀態(tài),闡述了成拱阻塞的力學(xué)機(jī)理;仵鋒鋒用PFC顆粒流軟件模擬了高粘性松散礦石放礦過程.二是在滑坡治理工程中抗滑樁后土體的成拱效應(yīng)研究:賈海莉等通過工程實(shí)例對(duì)拱形及拱體幾何參數(shù)提出了初步見解,李明明等用PFC顆粒流數(shù)值模擬軟件對(duì)基坑支護(hù)排樁工程中的土拱效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬并進(jìn)行了相應(yīng)分析.以上提及的這2種模型都是僅考慮單向的作用力,處在重力和滲流力兩向力作用下物理模型的成拱效應(yīng)還未進(jìn)行研究,綜合以上分析考慮,本文在前人指導(dǎo)下利用PFC顆粒流數(shù)值模擬軟件來研究管袋壩管路接縫處土體的滲透成拱效應(yīng).1pft模型參數(shù)1.1散質(zhì)的粘聚力本文用PFC顆粒流模擬軟件來模擬管路口壩芯填土的滲透成拱過程,用PFC軟件生成圓形顆粒模擬土體,四周加墻面以固定土體模型,將其中一面墻開口以模擬管路接縫.其中,管袋壩管路接縫面積相對(duì)于吹填土體來說較小,是松散土料從小面積孔洞中漏出的過程.松散土料會(huì)因?yàn)樽陨淼牧W(xué)性質(zhì)在孔口阻塞成拱.松散介質(zhì)處于極限平衡狀態(tài),是成拱的臨界條件.根據(jù)摩爾-庫倫理論可知,松散介質(zhì)場(chǎng)中某一點(diǎn)如處于極限平衡狀態(tài),那這一點(diǎn)的應(yīng)力滿足以下條件:σ1?σ32=(σ1+σ3+Ccotφ)sinφ2(1)σ1-σ32=(σ1+σ3+Ccotφ)sinφ2(1)式中,σ1和σ3分別為這一點(diǎn)的最大、最小主應(yīng)力;C為松散介質(zhì)的粘聚力;φ為松散介質(zhì)的內(nèi)摩擦角.由上述公式可知,松散介質(zhì)成拱與外力作用、松散介質(zhì)的內(nèi)摩擦角φ及粘聚力C有關(guān).在顆粒流軟件里,土的工程力學(xué)性質(zhì)由摩擦系數(shù)f來表示.另外,本文研究的物理模型處在重力和滲流力兩向力作用下.毛昶熙分析了滲流力由沿水流方向的滲透力和浮力兩個(gè)力組成,這兩個(gè)力可應(yīng)用于土體滲透成拱的計(jì)算中,將滲流力轉(zhuǎn)換為用水力梯度J表示的體積力與土體浮重度計(jì)算.本文依此對(duì)顆粒施加滲流力.故本文在不同的摩擦系數(shù)f和水力梯度J情況下模擬顆粒出流過程,觀察是否能形成土拱.1.2土體接觸粘結(jié)模型生成模型如圖4所示,說明如下:1)模型尺寸參照管袋原型尺寸來選取,一層管袋高約為40～50cm,管路接縫最大不超過5cm×5cm,偏于安全考慮,模型右側(cè)墻體開口尺寸為5cm×5cm.為了充分體現(xiàn)吹填土重力作用,出流口選擇位置偏下.2)用PFC軟件隨機(jī)生成孔隙率為0.12的3000個(gè)圓球代替土顆粒,密度為2650kg/m3,采用接觸粘結(jié)模型.圓球尺寸遠(yuǎn)小于出口尺寸,以模擬松散土顆粒.3)墻體剛度和球的剛度都設(shè)為108N/m.4)生成球體和墻體單元之后,在重力情況下達(dá)到穩(wěn)定,即顆粒的最大不平衡力小于10-6N.5)將球體分區(qū)著色,以便觀察滲透破壞程度.6)顆粒代表的土粒為吹填土顆粒,將顆粒間粘聚力C、內(nèi)摩擦角φ2項(xiàng)因素綜合考慮之后用PFC中球體單元之間的摩擦系數(shù)f表示,另外,由于PFC軟件本身限制,本文采用同一組顆粒施加不同的摩擦系數(shù)f來模擬不同土體.2結(jié)果與分析2.1最大水力梯度由于管袋壩壩芯吹填土范圍很大,管路接縫處的顆粒大量流失之后,會(huì)造成上層土體的塌陷,上層土體的質(zhì)量補(bǔ)充又會(huì)使管口附近的顆粒大量流出,最終形成惡性循環(huán)導(dǎo)致壩體失穩(wěn).同時(shí),經(jīng)大量數(shù)值模擬結(jié)果分析可知,顆粒流失量約大于10%時(shí),即使可以形成土拱,那也是不穩(wěn)定的.故以顆粒的最大不平衡力小于10-6N且顆粒流失量約小于10%為穩(wěn)定條件.不同摩擦系數(shù)條件下,土顆粒成穩(wěn)定土拱對(duì)應(yīng)的最大水力梯度如表1所示.各個(gè)摩擦系數(shù)f條件下的成拱形狀、顆粒間接觸力形態(tài)和由初始狀態(tài)到形成土拱過程中的最大不平衡力隨時(shí)間變化的曲線如圖5所示.圖5中,左半部分黑色和灰色的物體表示著色分區(qū)的顆粒,顆粒上面密布的白色線條表示顆粒間的相互接觸力,無顆粒填充的部位即管路進(jìn)口處,顆粒在此處以邊界為拱腳,在自身摩擦力作用下形成土拱,達(dá)到平衡;右半部分為相應(yīng)的顆粒最大不平衡力變化曲線,每一個(gè)顆粒都是在外力的作用下產(chǎn)生位移,顆粒的最大不平衡力趨于零,表示所有顆粒處于穩(wěn)定狀態(tài),不再移動(dòng).2.2顆粒間接觸力分析由圖5可看出5種條件下的模型,都有如圖6的接觸力成拱形態(tài).而且在遠(yuǎn)離開口處,顆粒間的接觸力線較開口附近的密.定義如圖6弧線的接觸力為切向接觸力,與之垂直方向的接觸力為徑向接觸力.也可從圖5中看出遠(yuǎn)離開口處接觸力線較濃密的部分,切向接觸力明顯大于徑向接觸力.這表明顆粒切向之間相互連接緊密,形成明顯連續(xù)的接觸力拱形線.在開口處,顆粒間接觸力也滿足切向力大于軸向力的規(guī)律,顆粒形成明顯的拱圈來保持穩(wěn)定.由于出口附近的土體在出口孔壁約束情況下不能及時(shí)漏出,對(duì)遠(yuǎn)離出口處的土粒運(yùn)動(dòng)造成阻礙.遠(yuǎn)處土體在這種阻礙作用下,得到一種支撐,調(diào)動(dòng)自身的抗剪強(qiáng)度來保持穩(wěn)定,減少了施加在近處土體上的壓力,近處土體便可以在自身摩擦力作用下形成土拱,保持平衡.2.3臨界水力梯度同一摩擦系數(shù)f條件下,不同的水力梯度J條件會(huì)造成不同程度的滲透破壞,以摩擦系數(shù)為1.2和1.1的情況為例,顆粒流失量計(jì)算結(jié)果如圖7所示.隨著水力梯度J的增加,PFC中可觀察到滲透影響范圍越來越大,直到超過了臨界水力梯度,滲透影響范圍涉及整個(gè)計(jì)算區(qū)域,顆粒流失量不斷增大,進(jìn)而造成滲透破壞.由表1、圖7可以看出針對(duì)不同的顆粒摩擦系數(shù)f,對(duì)應(yīng)不同的臨界水力梯度J,而且二者之間呈遞增關(guān)系;在臨界水力梯度范圍內(nèi)的水力條件下,顆粒會(huì)形成穩(wěn)定土拱,達(dá)到平衡.針對(duì)同一摩擦系數(shù)的顆粒組,水力梯度越大,顆粒流失量越大.2.4基于雙軸試驗(yàn)結(jié)果的土體材料參數(shù)對(duì)雙軸抗強(qiáng)對(duì)應(yīng)一定出口尺寸,土體只有提供了足夠的有效拱圈厚度,才能形成土拱,否則孔口周圍的土體將不能得到有效維護(hù)而大量從出口漏出.劉丹珠等在基于土拱的土體坍塌機(jī)理研究中得出拱厚是隨著土體的粘聚力C和摩擦角φ減小而增大的.通過PFC顆粒流軟件中的雙軸試驗(yàn)可知,土體的粘聚力C和摩擦角φ與摩擦系數(shù)f成正比.從圖5可以看出摩擦系數(shù)f越低的土體,在與其對(duì)應(yīng)的臨界水頭J作用下,形成顆粒間強(qiáng)接觸力的范圍越廣(即有效拱厚越大),與相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)論趨同.2.5顆粒出流模擬為了研究雙向作用力下土拱的形成過程,采取如圖8的形式將圖4的模型顆粒分區(qū)著色形成模型Ⅱ,加相應(yīng)臨界水頭,進(jìn)行數(shù)值模擬,以判斷橫向位移與縱向位移的關(guān)系,以及這兩項(xiàng)位移對(duì)成拱效果的影響.圖中是以孔口中心即(30.0,12.5)(單位:cm)為圓心做的一系列圓弧環(huán),每個(gè)圓弧環(huán)寬度為2.5cm.計(jì)算模型選取的摩擦系數(shù)f為1.2,據(jù)表1施加對(duì)應(yīng)于摩擦系數(shù)f=1.2的臨界水頭J=0.325,觀察顆粒出流過程.模型運(yùn)行8×104步之后達(dá)到穩(wěn)定,此處隔2×104步取一次圖像進(jìn)行分析,如圖9所示.由圖9可以看出,最先移動(dòng)的區(qū)域?yàn)榭卓谏喜?孔口上部的顆?；《巫冃斡葹槊黠@.由于臨界水力梯度都比較小,顆粒受縱向力要大于橫向力,所以上部顆粒首先移動(dòng),在顆粒調(diào)動(dòng)自身摩擦形成穩(wěn)定以后,上部顆粒的縱向位移也大于橫向位移.另外還可以觀察到白色斜線所在方位的顆粒最先突破弧段,所以此處為應(yīng)力最大的地方.3吹填土f值采用PFC顆粒流數(shù)值模擬軟件來模擬管袋壩接縫管路處的滲透成拱效應(yīng)并且得到以下結(jié)論:1)管袋壩接縫管路進(jìn)口處土體在較低水頭作用下流失一些后,可以形成土拱,達(dá)到平衡.2)在接縫管路進(jìn)口處形成土拱的臨界水力梯度J隨吹填土的f值增大而增大;針對(duì)同種土體,在不同的水力梯度J作用下,滲透影響范圍隨水力梯度的增大而逐漸增大.3)針對(duì)不同f值的吹填土,在其對(duì)應(yīng)的臨界水力梯度J作用下,有效拱厚隨吹填土值的增大而減小.4)雙向作用力下的土拱形成過程與土體所受的2項(xiàng)作用力相對(duì)