王 毅，張 誠(chéng)，鐘 靜

( 1.淮安市淮河水利建設(shè)工程有限公司，江蘇 漣水 223400；2.江蘇淮陰水利建設(shè)有限公司，江蘇 淮安 223001；3.江蘇運(yùn)瑪項(xiàng)目管理有限公司，江蘇 淮安 223400)

為了解決北方部分地區(qū)水資源短缺的問(wèn)題，我國(guó)在平原地區(qū)興建了大量的平原水庫(kù)，極大地緩解了缺水地區(qū)的生活和灌溉用水需求。平原水庫(kù)的功能是調(diào)控蓄水，所以通常與輸水建筑物、進(jìn)水建筑物和泄水建筑物有機(jī)結(jié)合。穿壩涵管是一種常見的輸水、泄水建筑物，由于穿壩涵管一般由砌石或者混凝土組成，是一種剛性建筑物，與土石壩的結(jié)構(gòu)組成有很大差異，所以壩體-涵管接觸面在庫(kù)水位的作用下，常常會(huì)發(fā)生接觸沖刷破壞，導(dǎo)致壩體漏水、壩坡下游浸水、周圍土地鹽堿化等病害，嚴(yán)重的會(huì)威脅大壩的安全穩(wěn)定[1- 4]。

平原水庫(kù)土石壩與穿壩涵管接觸沖刷破壞本質(zhì)上是土-結(jié)構(gòu)接觸面的破壞問(wèn)題。陳建生等[2]提出了針對(duì)均質(zhì)各向同性地層滲透性的概化和計(jì)算模型，模擬了砂礫石層與黏土層接觸沖刷發(fā)展過(guò)程中水頭和滲透系數(shù)的變化、沿流線方向上水力坡降的變化規(guī)律。王亞輝[5]以有限元軟件ABAQUS為工具，研究了壩下涵管有無(wú)截水環(huán)和截水環(huán)在什么位置對(duì)壩體滲流的影響。王保田等[6]通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M研究帶有懸掛式防滲墻的二元結(jié)構(gòu)地基的滲流特性。陳群等[7]利用自主研制的環(huán)狀徑向水平滲透儀，研究了砂礫石與砂的接觸面滲流和滲透破壞的影響因素及接觸沖刷的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程。姜伏偉[8]、范德吞[9]、陶同康等[10]提出了無(wú)黏性土層間的接觸沖刷水力坡降計(jì)算公式。鄧偉杰[11]、劉建剛[12]提出了黏性土層和砂礫石層接觸沖刷的臨界水力坡降計(jì)算公式。文章在前人研究的基礎(chǔ)上，以某土石壩埋管壩段為工程背景，利用數(shù)值模擬軟件ABAQUS對(duì)涵管壩段的滲流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，以期為工程實(shí)踐提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 滲流基本理論

1856年，法國(guó)工程師Darcy[13- 14]通過(guò)試驗(yàn)研究了水在沙土中的流動(dòng)，提出如下關(guān)系式：

(1)

式中，Q—流量， m3/s；k—滲透系數(shù)，m/s；A—過(guò)流面積，；J—滲透坡降；v—斷面平均流速，m/s；H—水流降低高度，m；s—水流流過(guò)的水平距離，m。

1.2 計(jì)算模型及材料參數(shù)

1.2.1計(jì)算模型

某平原水庫(kù)圍壩為復(fù)合土工膜防滲體斜墻砂壤土均質(zhì)壩，圍壩軸線全長(zhǎng)9636m，壩頂高程為15.0m，正常蓄水位為12.50m，死水位為3.90m，壩頂寬7.5m。供水洞采用壩下涵管，型式為2.5m×2.5m的單孔鋼筋混凝土箱涵，進(jìn)口底高程為3.0m，洞底平坡。為研究方便，在涵管周圍設(shè)置了0.5m厚的土層，改變?cè)撏翆拥臐B透系數(shù)來(lái)模擬涵管周圍回填土的填筑質(zhì)量，并考慮在涵管沿水流方向的頂部和底部設(shè)置截水環(huán)。涵管壩段的三維模型如圖1所示。

圖1 涵管壩段典型三維網(wǎng)格圖

1.2.2材料參數(shù)

表1 涵管壩段的滲流參數(shù)

除此以外，在ABAQUS中模擬滲流還需要設(shè)置折減系數(shù)與土體飽和度的關(guān)系以及基質(zhì)吸力與飽和度的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 滲流參數(shù)關(guān)系圖

邊界條件：壩段的上游面施加孔壓力邊界，正常蓄水位為9.00m，下游面設(shè)為排水邊界，其余面默認(rèn)為不透水邊界，固定所有單元節(jié)點(diǎn)的三向位移。

2 計(jì)算結(jié)果分析

為了研究涵管橫向裂縫對(duì)涵管周圍土體滲流場(chǎng)的影響，考慮涵管周圍0.5m土體的滲透系數(shù)分別為10-6、5×10-7、10-7、5×10-8m/s，以及未設(shè)置截滲環(huán)四種工況下，研究涵管周圍土體的滲流要素變化規(guī)律。

由圖3可知，當(dāng)涵管出現(xiàn)橫向裂縫時(shí)，涵管頂部接觸土體的滲流速度呈臺(tái)階型變化規(guī)律：涵管頂部接觸土體的滲流速度沿涵管縱軸線從上游到下游先不斷增大，到達(dá)第一個(gè)裂縫時(shí)滲流速度達(dá)到最大值，之后急劇減小，再緩慢增加，到達(dá)第二個(gè)斷裂縫時(shí)急劇增加，之后急劇減小，再緩慢增加。隨著涵周填土滲透系數(shù)的不斷增大，裂縫處的滲流速度也在不斷增大。當(dāng)涵周填土的滲透系數(shù)為10-7m/s時(shí)，相比于完整的涵管，涵管出現(xiàn)橫向裂縫時(shí)，涵管頂部接觸土體的滲流速度在裂縫處出現(xiàn)驟升驟降現(xiàn)象，滲流速度最大值發(fā)生在第一個(gè)裂縫處，出口處的滲流速度非常小。這可能是因?yàn)榱芽p處孔壓力幾乎為零，裂縫周圍的土顆粒被吸到涵管內(nèi)，使得該處土顆粒的滲流速度發(fā)生急劇變化：對(duì)于裂縫上游側(cè)的土顆粒來(lái)說(shuō)，滲流速度受到同向的吸力作用，所以急劇增大，對(duì)于裂縫下游側(cè)的土顆粒來(lái)說(shuō)，滲流速度受到反向的吸力作用，所以急劇減小。

圖3 涵管頂部接觸土體滲流流速圖

由圖4可知，當(dāng)涵管斷裂時(shí)，涵管底部接觸面土體的滲流速度從上游到下游總體呈不斷增大的變化規(guī)律，在裂縫處也出現(xiàn)驟升驟降現(xiàn)象：涵管底部接觸土體地滲流速度沿涵管縱軸線從上游到下游先不斷增大，到達(dá)第一個(gè)斷裂縫時(shí)滲流速度達(dá)到最大值，之后急劇減小，再緩慢增加，到達(dá)第二個(gè)斷裂縫時(shí)急劇增加，之后急劇減小，再緩慢增加。隨著涵周填土滲透系數(shù)的不斷增大，裂縫處的滲流速度也在不斷增大。當(dāng)涵周填土的滲透系數(shù)為10-7m/s時(shí)，相比于完整的涵管，涵管出現(xiàn)橫向裂縫時(shí)，涵管底部接觸土體的滲流速度在裂縫處出現(xiàn)驟升驟降現(xiàn)象，滲流速度最大值發(fā)生在第一個(gè)裂縫處，出口處的滲流速度小于完整涵管下的滲流速度。

圖4 涵管底部接觸土體滲流流速圖

由圖5可知，當(dāng)涵管斷裂時(shí)，涵管頂部土體的孔壓力從上游到下游總體呈不斷減小的變化規(guī)律，在裂縫處出現(xiàn)“折斷”現(xiàn)象：涵管頂部接觸土體在裂縫處先減小后突然增大。隨著涵周填土滲透系數(shù)的不斷增大，進(jìn)口處初始孔壓力不斷減小，并沿程保持這種變化。當(dāng)涵周填土的滲透系數(shù)為10-7m/s時(shí)，涵管完整時(shí)涵管頂部接觸土體的孔壓力沿程大于涵管斷裂時(shí)的孔壓力，出口處二者的孔壓力差別最小。

圖5 涵管頂部接觸土體孔壓力圖

由圖6可知，當(dāng)涵管斷裂時(shí)，涵管底部土體的孔壓力從上游到下游總體上呈不斷減小的變化規(guī)律，在裂縫處出現(xiàn)“折斷”現(xiàn)象：涵管底部接觸土體的孔壓力在裂縫處先減小后突然增大。隨著涵周填土滲透系數(shù)不斷增大，進(jìn)口處初始孔壓力不斷減小，但是差別很小。當(dāng)涵周填土的滲透系數(shù)為10-7m/s時(shí)，涵管完整時(shí)涵管頂部接觸土體的孔壓力沿程與涵管斷裂時(shí)的孔壓力幾乎一致。

圖6 涵管底部接觸土體孔壓力圖

由圖7可知，當(dāng)涵管斷裂時(shí)，涵管頂部土體的滲透坡降呈臺(tái)階型的變化規(guī)律：涵管頂部接觸土體的滲透坡降沿涵管縱軸線從上游到下游先不斷增大，到達(dá)第一個(gè)斷裂縫時(shí)滲透坡降達(dá)到最大值，之后急劇減小，再緩慢增加，到達(dá)第二個(gè)斷裂縫時(shí)急劇增加，之后急劇減小，再緩慢增加。隨著涵周填土滲透系數(shù)的不斷增大，裂縫處的滲透坡降也在不斷增大。當(dāng)涵周填土的滲透系數(shù)為10-7m/s時(shí)，相比于完整的涵管，涵管出現(xiàn)橫向裂縫時(shí)，涵管頂部接觸土體的滲透坡降在裂縫處出現(xiàn)驟升驟降現(xiàn)象，滲透坡降最大值發(fā)生在第一個(gè)裂縫處，為0.2，出口處的滲透坡降非常小。

圖7 涵管頂部接觸土體滲透坡降圖

由圖8可知，當(dāng)涵管斷裂時(shí)，涵管底部土體的滲透坡降從上游到下游總體上呈不斷增大的變化規(guī)律，在裂縫處出現(xiàn)驟升驟降現(xiàn)象：涵管底部接觸土體的滲透坡降沿涵管縱軸線從上游到下游先不斷增大，到達(dá)第一個(gè)斷裂縫時(shí)滲透坡降達(dá)到最大值，之后急劇減小，再緩慢增加，到達(dá)第二個(gè)斷裂縫時(shí)急劇增加，之后急劇減小，再緩慢增加。隨著涵周填土滲透系數(shù)的不斷增大，裂縫處的滲透坡降也在不斷增大。當(dāng)涵周填土的滲透系數(shù)為10-7m/s時(shí)，相比于完整的涵管，涵管出現(xiàn)橫向裂縫時(shí)，涵管底部接觸土體的滲透坡降在裂縫處出現(xiàn)驟升驟降現(xiàn)象，滲透坡降最大值發(fā)生在第一個(gè)裂縫處，為1.53，出口處的滲透坡降略小于完整涵管下的滲透坡降。對(duì)比涵管斷裂時(shí)涵管頂部和底部接觸土體在裂縫處的滲透坡降可知，裂縫處的滲透坡降要比其他部位大很多。由于斷裂處滲透坡降大，接觸面的土顆粒不斷地被吸到涵管內(nèi)，使得接觸面的土顆粒不斷減少，久而久之形成滲漏通道，加速壩體的滲透破壞。

圖8 涵管底部接觸土體滲透坡降圖

由圖9可知，隨著涵周填土滲透系數(shù)的不斷增大，壩段的滲透量不斷減小，分析裂縫處的滲透坡降可知，這是因?yàn)闈B透系數(shù)越大，更多的滲水流進(jìn)涵管內(nèi)，所以壩段土體的滲流量減小。

圖9 涵管壩段滲透量

3 結(jié)論

(1)當(dāng)涵管出現(xiàn)橫向裂縫時(shí)，涵管頂部接觸土體的滲流速度沿涵管縱軸線從上游到下游先不斷增大，到達(dá)第一個(gè)裂縫時(shí)滲流速度達(dá)到最大值，之后急劇減小，再緩慢增加，到達(dá)第二個(gè)斷裂縫時(shí)急劇增加，之后急劇減小，再緩慢增加。

(2)涵管斷裂后涵管頂部和底部接觸土體處的滲透坡降發(fā)生急劇變化，大大超過(guò)土體的允許坡降，隨著時(shí)間的推移，將會(huì)發(fā)生滲透破壞。

(3)涵管斷裂后產(chǎn)生的滲透破壞會(huì)大大影響該壩段的安全穩(wěn)定性，在日常維護(hù)過(guò)程中應(yīng)該多注意涵管壩段下游的滲漏量，做好預(yù)防工作。