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

水庫工程的洪水流量在水庫災害中所占比例很大。由于破壞形式的不同，形成原因復雜，因此已成為研究的困難和熱點。近年來,關于堤壩滲透破壞的研究很多,從單個土體的物理試驗到大比尺的組合試驗,從理論分析計算到數(shù)值試驗,獲得了大量具有研究意義和應用價值的結果,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,而對滲流變形發(fā)生后細顆粒運移情況和堤壩內(nèi)部發(fā)生變化后滲透變形進一步發(fā)展過程研究較少。鑒此,本文從理論計算、模型試驗和數(shù)值試驗三方面總結了前人的研究成果,并在此基礎上進行了數(shù)值試驗,分析了不同的各向異性程度下滲透變形的發(fā)展過程,以期獲得各向異性對滲透變形發(fā)展過程的影響規(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)驗性,旨在總結和研究土體滲透變形的類型和滲透變形發(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配等物理性質(zhì)方面,但總體上歸為三類:①以前蘇聯(lián)的伊斯托明娜為代表,采用不均勻系數(shù)來判斷變形的類型;②以巴特拉雪夫、巴甫契奇和康特拉夫為代表,采用土體孔隙直徑和填料粒徑之比來判別變形的類型;③以南京水利科學研究院和北京水利科學研究院為代表,采用土體的細粒含量來判別變形的類型。(2)管涌臨界坡降計算大體上可分為兩類:①通過力學極限平衡方法來推導臨界條件,得出理論公式;②通過大量試驗進行分析,總結影響臨界條件的影響因素,得出半經(jīng)驗的理論公式。其中,關于流土的臨界坡降,以太沙基、扎馬林和南京水利科學研究院為代表;關于管涌臨界坡降的計算,北京水科院根據(jù)大量試驗繪制出臨界坡降和滲透系數(shù)、細粒含量間的關系曲線,南京水科院的沙金煊和毛昶熙根據(jù)單個顆粒在土體中的受力情況分別得出了臨界坡降的計算公式;關于接觸沖刷和接觸流土臨界條件的計算尚無較合適的理論公式。從20世紀末開始,國內(nèi)外學者主要集中于探尋滲透變形發(fā)展和破壞過程的理論,這期間,井流或孔流理論的應用是一個突破,以毛昶熙和陳建生為代表,已可通過理論計算得到地基滲透破壞的發(fā)展過程及影響范圍,探索性的得到了一些滲透破壞過程與坡降、涌砂量、涌水量、地層滲透性能、幾何尺寸等條件之間的關系;同時也有學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管涌尺寸和滲流場的影響物理試驗方面,時間的劃分較模糊,基本劃分為兩個時期:①1998年洪水以前。學術界大都集中于單個土體滲透破壞的臨界水利條件及其與土體物理特性相關關系的研究,同時在土體破壞形式方面也做了很多物理試驗。②1998年洪水之后。針對實際情況的需要,集中做了各種水文地質(zhì)和水力條件下的組合模型試驗,將實際的幾何要素、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)展和機理,得出如下結論(1)進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。不僅土層縱向(順流向)尺寸對管涌的擴展有影響,且其橫向尺寸也有很大影響;滲流坡降上升的速度對管涌的擴展影響很大,上升速度愈快,管涌愈易擴展到管涌破壞;在某一滲流坡降下發(fā)生管涌后,是否會擴展到管涌破壞,與滲徑長度關系很大;滲徑愈長,愈不易擴展到管涌破壞。(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展的范圍與水力條件、地質(zhì)條件等有關。對地基的滲透破壞,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)可分為有害和無害,這與水利條件、土層物理性質(zhì)、防滲措施等有關。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,但卻愈不易擴展到管涌破壞。(4)不考慮各向異性時,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?shù)躺砗偷鼗撻_時取決于砂基表面的沖刷破壞坡降;而對二元結構的地基,滲透破壞均開始于上層土,最終控制地基滲流穩(wěn)定的為下層管涌型砂層,整個破壞過程可描寫上層流土穿孔,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強度。(5)防滲措施中,懸掛式防滲墻的模型試驗較多,結論較一致。懸掛式防滲墻對控制管涌的發(fā)生,效果不明顯,但對擬制管涌破壞的發(fā)展卻效果明顯,這與其延長滲徑有關;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。(6)堤防防滲措施中,減壓井相對物美價廉,但其經(jīng)多年使用后的淤堵問題應引起重視,雙向循環(huán)式大降深洗井技術能較好地恢復井效。1.3滲透破壞的發(fā)展趨勢滲透破壞的數(shù)值試驗,大都從20世紀末開始,主要用以研究復雜地質(zhì)、水力等條件下的滲透破壞及其發(fā)展情況。可分為兩類數(shù)值方法重在反饋滲透破壞產(chǎn)生后的流場,用來反演破壞的過程,也可一定程度上預測滲透破壞的進一步發(fā)展方向。近年來數(shù)值研究進一步證明和完善了模型試驗的結論,并直觀地得到了破壞發(fā)展的過程?？傊?前人的研究無論在理論、模型試驗還是實際應用上,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)定性對滲透破壞過程的影響,因此借助數(shù)值試驗來分析這幾個因素對滲透破壞過程的影響規(guī)律非常必要。2滲透變形模擬本次數(shù)值試驗力求符合實際情況,但并不考慮滲透破壞過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)定流計算,當局部坡降大于臨界坡降時,認為發(fā)生了滲透變形,改變滲透變形區(qū)域的滲透系數(shù)進行二次計算,根據(jù)結果再改變變形區(qū)的滲透系數(shù),然后三次計算,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滲流破壞過程圖2為當總之,在數(shù)值試驗過程中發(fā)現(xiàn),模型最大水平坡降及模型最大垂直坡降在整個滲透破壞過程中(開始破壞后)忽大忽小,不斷調(diào)整,但整體變化不明顯。2.2“三自”結構的應用圖3為當2.3種方法所受不同3由圖2、3比較可知,當2.3.1各向異性流場的影響圖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個特征坡降,考慮不同的各向異性情況下,其在整個滲透變形過程中變化的情況,進而說明各向異性對滲透破壞過程的影響。圖5為模型坡降對比。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表明,堤基滲透破壞的發(fā)展主要受砂層水平抗?jié)B強度的控制,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一步發(fā)展;另