堤基渗透破坏的数值模拟研究

堤基渗透破坏的数值模拟研究

水库工程的洪水流量在水库灾害中所占比例很大。由于破坏形式的不同，形成原因复杂，因此已成为研究的困难和热点。近年来,关于堤坝渗透破坏的研究很多,从单个土体的物理试验到大比尺的组合试验,从理论分析计算到数值试验,获得了大量具有研究意义和应用价值的结果,但均集中于堤坝土体发生渗透变形前的允许坡降和各种渗控措施抑制渗透变形发生能力方面,而对渗流变形发生后细颗粒运移情况和堤坝内部发生变化后渗透变形进一步发展过程研究较少。鉴此,本文从理论计算、模型试验和数值试验三方面总结了前人的研究成果,并在此基础上进行了数值试验,分析了不同的各向异性程度下渗透变形的发展过程,以期获得各向异性对渗透变形发展过程的影响规律。11.1土体渗透变形临界条件研究理论上,早期的研究大多为半经验性,旨在总结和研究土体渗透变形的类型和渗透变形发生的临界条件(1)土体孔隙直径和填料粒径法大都集中于土体级配等物理性质方面,但总体上归为三类:①以前苏联的伊斯托明娜为代表,采用不均匀系数来判断变形的类型;②以巴特拉雪夫、巴甫契奇和康特拉夫为代表,采用土体孔隙直径和填料粒径之比来判别变形的类型;③以南京水利科学研究院和北京水利科学研究院为代表,采用土体的细粒含量来判别变形的类型。(2)管涌临界坡降计算大体上可分为两类:①通过力学极限平衡方法来推导临界条件,得出理论公式;②通过大量试验进行分析,总结影响临界条件的影响因素,得出半经验的理论公式。其中,关于流土的临界坡降,以太沙基、扎马林和南京水利科学研究院为代表;关于管涌临界坡降的计算,北京水科院根据大量试验绘制出临界坡降和渗透系数、细粒含量间的关系曲线,南京水科院的沙金煊和毛昶熙根据单个颗粒在土体中的受力情况分别得出了临界坡降的计算公式;关于接触冲刷和接触流土临界条件的计算尚无较合适的理论公式。从20世纪末开始,国内外学者主要集中于探寻渗透变形发展和破坏过程的理论,这期间,井流或孔流理论的应用是一个突破,以毛昶熙和陈建生为代表,已可通过理论计算得到地基渗透破坏的发展过程及影响范围,探索性的得到了一些渗透破坏过程与坡降、涌砂量、涌水量、地层渗透性能、几何尺寸等条件之间的关系;同时也有学者建立了双层地基渗透性能随管涌的发展而变化的理想数学模型,可概念性地分析渗透性能的变化情况。1.2管涌尺寸和渗流场的影响物理试验方面,时间的划分较模糊,基本划分为两个时期:①1998年洪水以前。学术界大都集中于单个土体渗透破坏的临界水利条件及其与土体物理特性相关关系的研究,同时在土体破坏形式方面也做了很多物理试验。②1998年洪水之后。针对实际情况的需要,集中做了各种水文地质和水力条件下的组合模型试验,将实际的几何要素、土层分布等条件考虑在内,研究临界破坏情况及其破坏的发展和机理,得出如下结论(1)进一步证明了渗透变形、破坏的产生和发展与土的物理性质、堤坝水利条件、地质条件、几何尺寸、防渗措施等有关。不仅土层纵向(顺流向)尺寸对管涌的扩展有影响,且其横向尺寸也有很大影响;渗流坡降上升的速度对管涌的扩展影响很大,上升速度愈快,管涌愈易扩展到管涌破坏;在某一渗流坡降下发生管涌后,是否会扩展到管涌破坏,与渗径长度关系很大;渗径愈长,愈不易扩展到管涌破坏。(2)堤坝的渗透破坏,一般从下游的溢水口向上下发展,其向下部和向上游扩展的范围与水力条件、地质条件等有关。对地基的渗透破坏,先在堤后或大坝下游的地层薄弱带或堤坝坡脚产生漏水冒砂,然后涌砂范围不断向深部和迎水坡方向扩展,最后连通上下游,造成事故。(3)渗透变形(特指管涌)可分为有害和无害,这与水利条件、土层物理性质、防渗措施等有关。土层愈不均匀,愈易发生管涌,往往在很小的平均渗流坡降下发生,但却愈不易扩展到管涌破坏。(4)不考虑各向异性时,均匀砂基的渗透破坏主要发生于背水坡脚处,破坏水力坡降取决于砂基自身的临界水力坡降,而当堤身和地基脱开时取决于砂基表面的冲刷破坏坡降;而对二元结构的地基,渗透破坏均开始于上层土,最终控制地基渗流稳定的为下层管涌型砂层,整个破坏过程可描写上层流土穿孔,接着下层出现管涌(接触冲刷或两种的组合),然后促使上层流土破坏向堤脚发展,直至整体破坏,最后控制渗透破坏的是下砂层的抗渗强度。(5)防渗措施中,悬挂式防渗墙的模型试验较多,结论较一致。悬挂式防渗墙对控制管涌的发生,效果不明显,但对拟制管涌破坏的发展却效果明显,这与其延长渗径有关;悬挂式防渗墙的渗控效果与其布置位置、贯入深度、地质条件等有关。(6)堤防防渗措施中,减压井相对物美价廉,但其经多年使用后的淤堵问题应引起重视,双向循环式大降深洗井技术能较好地恢复井效。1.3渗透破坏的发展趋势渗透破坏的数值试验,大都从20世纪末开始,主要用以研究复杂地质、水力等条件下的渗透破坏及其发展情况。可分为两类数值方法重在反馈渗透破坏产生后的流场,用来反演破坏的过程,也可一定程度上预测渗透破坏的进一步发展方向。近年来数值研究进一步证明和完善了模型试验的结论,并直观地得到了破坏发展的过程。总之,前人的研究无论在理论、模型试验还是实际应用上,均取得了很大的成果。然而,前人的研究较少考虑砂层各向异性和非稳定性对渗透破坏过程的影响,因此借助数值试验来分析这几个因素对渗透破坏过程的影响规律非常必要。2渗透变形模拟本次数值试验力求符合实际情况,但并不考虑渗透破坏过程中表层壤土的坍塌破坏,所选砂土为:表层壤土层本文采用稳定流计算,当局部坡降大于临界坡降时,认为发生了渗透变形,改变渗透变形区域的渗透系数进行二次计算,根据结果再改变变形区的渗透系数,然后三次计算,直至与上游连通发生渗透破坏或管涌停止为止,以此来模拟渗透变形发展情况,发生渗透破坏的区域取2.1渗流破坏过程图2为当总之,在数值试验过程中发现,模型最大水平坡降及模型最大垂直坡降在整个渗透破坏过程中(开始破坏后)忽大忽小,不断调整,但整体变化不明显。2.2“三自”结构的应用图3为当2.3种方法所受不同3由图2、3比较可知,当2.3.1各向异性流场的影响图4为2.3.2模型坡降分析本文选取模型最大水平与垂直、砂层最大水平与垂直4个特征坡降,考虑不同的各向异性情况下,其在整个渗透变形过程中变化的情况,进而说明各向异性对渗透破坏过程的影响。图5为模型坡降对比。由图可看出:①堤基变形前,模型最大水平坡降和垂直坡降均达最大值,且均出现于壤土层内;一旦发生渗透变形或破坏,模型的各特征坡降就立刻减小;随变形的发展,各模型特征坡降在不断调整,忽大忽小,但变化不明显。②堤基发生渗透变形前,图6为砂层特征坡降对比。由图可看出:①堤基变形前,基本小于K2.4砂层各向异性水平的影响上述试验表明,堤基渗透破坏的发展主要受砂层水平抗渗强度的控制,而各向异性水平的提高,一定程度上削减了砂层的水平坡降,遏制了渗透破坏的进一步发展;另