付清凱，劉衛(wèi)其，張磊，宗金輝，通信作者

（1. 南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局 天津分局，天津 300000；2. 河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300130）

管線滲漏使得周圍土體承載力降低產(chǎn)生不均勻沉降，從而加劇了管線滲漏引起地面塌陷等一系列災(zāi)害[1]。李大勇等[2]以實(shí)際工程為依托采用數(shù)值模擬分析得到了滲漏后土體飽和度、基礎(chǔ)沉降及地基土應(yīng)力分布變化特性。黃樂藝[3]研究了城市供水管道滲漏后非飽和土的滲流規(guī)律，分析了滲漏區(qū)的形態(tài)特征及管線周圍土體含水率的變化規(guī)律。張成平等[4]分析研究了隧道施工擾動(dòng)下導(dǎo)致的管道滲漏水對(duì)地面塌陷事故規(guī)律的影響，結(jié)果顯示，管道滲漏水范圍是影響地面塌陷事故嚴(yán)重程度的重要因素。郭帥[5]針對(duì)地下管道破損后地下水內(nèi)滲管道侵蝕管周土體的情況，通過建立滲漏量計(jì)算數(shù)學(xué)模型，定性地給出了土體的滲透性、管道直徑、水頭、破損口的位置及張開角等對(duì)入滲量的影響，但只基于二維模型進(jìn)行計(jì)算，可以進(jìn)一步使用三維模型進(jìn)行計(jì)算。王帥超[6]使用FLAC3D 設(shè)置通過試驗(yàn)得到的地下空洞形態(tài)，計(jì)算提取了路面沉降值和塑性區(qū)分布來(lái)分析地下空洞對(duì)路面塌陷的影響，但未考慮水土的相互作用。付棟等[7]通過將有限元和離散元進(jìn)行耦合，從管線滲漏位置和對(duì)鄰近管線影響兩個(gè)方面誘發(fā)地下空洞機(jī)理進(jìn)行數(shù)值研究，結(jié)果表明管道側(cè)方滲漏會(huì)引起周圍土質(zhì)疏松引起不均勻沉降。

目前對(duì)于地下管線滲漏問題的分析及研究較多，但針對(duì)復(fù)雜條件下長(zhǎng)距離大體積有壓箱涵滲漏處理方面的研究并不完善，由此誘發(fā)工程災(zāi)變機(jī)理及控制分析還不夠深入。本文針對(duì)長(zhǎng)距離大體積有壓箱涵滲漏產(chǎn)生的箱涵周圍土體力學(xué)性能變化問題進(jìn)行研究，旨在考慮滲流-應(yīng)力的耦合作用，通過數(shù)值模擬分析不同的滲漏位置、不同土體滲透系數(shù)及不同的箱涵內(nèi)水壓力三種因素下箱涵滲漏產(chǎn)生的土體力學(xué)性能變化規(guī)律。

1 數(shù)值模型的建立

采用ABAQUS 軟件進(jìn)行分析研究，由于箱涵水流動(dòng)方向上長(zhǎng)度很大，可將該問題簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題進(jìn)行計(jì)算分析。本文主要研究滲漏對(duì)土體造成的影響，不考慮箱涵自身從內(nèi)到外的滲漏過程，而是參照實(shí)際工程中箱涵的滲漏特點(diǎn)，在分析模型中設(shè)置箱涵滲漏位置，所以模型中省略了箱涵接口處止水帶及其他填充材料。箱涵滲漏原因多樣，滲水的位置有所差異[8]。本文將對(duì)五個(gè)不同滲漏位置工況進(jìn)行模擬分析，滲漏位置示意圖如圖1 所示。

圖1 滲漏位置示意圖

1.1 物理和力學(xué)參數(shù)

根據(jù)某實(shí)際工程地勘報(bào)告可知該模型中土體有4 種不同性質(zhì)的土層，確定最上層土體alQ34厚度為3.0 m，第二層土體L+hQ24厚度為5.7 m，第三層土體mQ24厚度為8.3 m，第四層土體alQ14厚度為33.0 m。經(jīng)試算，箱涵滲漏影響區(qū)域較大[9]，故設(shè)置計(jì)算區(qū)域?yàn)樗椒较?00 m、豎直方向50 m，能夠滿足模型邊界條件對(duì)滲流場(chǎng)及位移場(chǎng)無(wú)影響的要求。土體采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，其中塑性部分由摩爾-庫(kù)倫塑性模型定義，土體各項(xiàng)參數(shù)見表1。

表1 土體參數(shù)

箱涵結(jié)構(gòu)采用C30混凝土，選用線彈性模型建立模型，彈性模量30 GPa，泊松比為0.2，在箱涵內(nèi)部施加水壓，經(jīng)查詢資料箱涵頂面水壓為70 kPa，底面水壓為114 kPa，箱涵側(cè)墻水壓呈線性分布。按照實(shí)際工程，箱涵橫截面尺寸為長(zhǎng)15.3 m，高5.7 m。頂板厚度為0.6 m，底板厚度為0.7 m，兩側(cè)側(cè)墻厚度為0.55 m，中間側(cè)墻為0.5 m。本文中將地下水位設(shè)置在地表以下10 m，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 土體分層圖

1.2 邊界條件

1.2.1 位移邊界條件

為使模型邊界在分析過程中不受影響，根據(jù)以往相關(guān)資料和經(jīng)驗(yàn)，模型寬度為箱涵寬度的5倍以上，本文分析模型寬度取200 m，模型高度選擇箱涵上覆土厚度為3 m的一種工況下進(jìn)行模擬，確定模型高度（土體厚度）為40 m。模型底面約束水平位移及豎向位移，模型兩側(cè)約束水平位移。

1.2.2 滲流邊界條件

根據(jù)地下水位的高度大小在模型四周設(shè)置孔壓邊界條件，模型底面為不透水邊界，在地下水位線上是否設(shè)置浸潤(rùn)面對(duì)隧道及土體沉降影響較小，故在模型頂部設(shè)置與地下水位相協(xié)調(diào)孔壓為定值的孔壓邊界[10]。

1.3 網(wǎng)格劃分

土體與箱涵網(wǎng)格劃分皆為結(jié)構(gòu)劃分，土體網(wǎng)格單元采用CPE4P 單元，箱涵網(wǎng)格單元采用CPS4R 單元模擬。

1.4 分析工況

工況列表如表2 所示。

2 不同滲漏位置影響分析

由于箱涵滲漏導(dǎo)致箱涵周圍地下水位升高，土體承載力降低，滲漏位置附近土體產(chǎn)生沉降位移，取距模型左邊界及右邊界各70 m 中間位置的部分模型，圖3 給出了5 個(gè)位置發(fā)生滲漏計(jì)算結(jié)束后土體的豎向位移變化云圖。

圖3 滲漏后箱涵周圍土體位移云圖

圖3 顯示，5 個(gè)位置滲漏后箱涵周圍土體均有不同程度的沉降，這是由于滲漏后箱涵周圍土體承載力降低，土體在箱涵自重作用下產(chǎn)生沉降。其中5 個(gè)位置發(fā)生滲漏后，D 位置滲漏使土體產(chǎn)生的沉降最大，沉降約為8.5 mm，A 位置滲漏使箱涵底部土體產(chǎn)生的沉降最小，沉降約為0.8 mm，因?yàn)镈 位置的滲漏水壓較大，對(duì)土的滲透力較大，而A 位置滲漏后的滲漏水壓最小且對(duì)箱涵頂部土體的位移變化影響較大，故A 位置滲漏后土體沉降最小。圖4 也顯示出滲漏位置不同土體最大沉降位置也不同。隨滲漏發(fā)生箱涵附近土體產(chǎn)生沉降，但箱涵遠(yuǎn)處土體在箱涵周圍土體沉降擠密過程中產(chǎn)生向上的隆起趨勢(shì)，由此產(chǎn)生的不均勻沉降危害對(duì)周圍建（構(gòu)）筑物影響較大。為分析箱涵周圍土體隨滲漏發(fā)展的位移變化，取箱涵底部一點(diǎn)繪制其隨計(jì)算開始至計(jì)算結(jié)束的位移曲線圖，該點(diǎn)位置示意如圖4 所示。

圖4 滲漏后土體豎向位移曲線圖

由圖4 可知，在箱涵發(fā)生滲漏過程中，箱涵附近土體隨著滲漏的發(fā)展逐漸產(chǎn)生沉降，當(dāng)滲漏發(fā)展的時(shí)間較久后，該點(diǎn)土體的位移變化趨于穩(wěn)定，不再繼續(xù)產(chǎn)生沉降。

在滲漏過程中，B、C、D 三個(gè)位置的滲漏發(fā)生使土體產(chǎn)生的沉降基本保持一致，A 位置的滲漏則使箱涵底部土體只有很小的沉降變化，這是由于A 位置滲漏的水壓較小，且距離箱涵兩側(cè)及底部土體的滲流路徑較長(zhǎng)，對(duì)箱涵周圍土體位移變化的影響最小。E 位置滲漏后滲漏水向下滲且E位置距離地下水位線較近，滲流路徑也較短[11]，計(jì)算終止時(shí)影響的土體范圍較小，故E 位置滲漏使土體的沉降也較小。

圖5 給出了5 個(gè)不同滲漏位置滲漏后的土體豎向應(yīng)力云圖。

圖5 不同位置滲漏后土體豎向應(yīng)力云圖

圖5 顯示，當(dāng)滲漏結(jié)束后滲漏點(diǎn)附近的土體豎向應(yīng)力一直減小[12]，根據(jù)土的有效應(yīng)力原理當(dāng)土體中孔隙水壓力升高后土體的有效應(yīng)力減小。由圖5 還也可看出，土體的有效應(yīng)力有明顯的分層，這是由于不同土層的密度不同導(dǎo)致的。分析不同滲漏位置發(fā)生滲漏后土體的塑性區(qū)開展變化，土體的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖6 所示。

圖6 滲漏后土體等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖6 顯示，只有當(dāng)D 位置發(fā)生滲漏后，箱涵周圍土體在滲流分析步計(jì)算結(jié)束后開展塑性，滲漏位置周圍土體屈服，其余位置的滲漏并未使箱涵周圍土體進(jìn)入塑性階段，且由圖6-d 可以看出，塑性區(qū)存在明顯的不連續(xù)，這是第2 層與第3 層土體性質(zhì)不同導(dǎo)致的。

3 不同滲漏系數(shù)影響分析

為研究土層滲透系數(shù)對(duì)滲漏后土體力學(xué)性能變化，當(dāng)E 位置發(fā)生滲漏后，在其余條件不變情況下，分別增大第二層土體和第三層土體的滲透系數(shù)，分析表2 中工況6～工況9 滲漏計(jì)算終止后箱涵周圍土體的豎向位移場(chǎng)及塑性開展變化規(guī)律。圖7 給出了工況6～工況9 滲漏后的箱涵周圍土體的豎向位移變化云圖。

圖7 滲漏后土體豎向位移云圖

圖7 顯示，當(dāng)?shù)诙油馏w滲透系數(shù)增加后，箱涵底部土體的沉降越來(lái)越小，這是由于箱涵滲漏水壓一定即可流動(dòng)至第二層土體的滲漏水量一定時(shí)，當(dāng)滲漏水流到第二層土體時(shí)，滲透系數(shù)增大使得水更容易向兩側(cè)水平發(fā)生流動(dòng)，而滲透系數(shù)較小時(shí)滲漏水不易流動(dòng)在滲漏水壓的作用下向上運(yùn)動(dòng)，滲漏水影響的土體范圍更大，所以滲透系數(shù)增大使得土體的沉降減小。

當(dāng)?shù)谌龑油馏w滲透系數(shù)增大后，箱涵底部土體沉降則越來(lái)越大，這是由于第三層滲透系數(shù)的增大使得水更容易流動(dòng)至第二層且滲漏水向水平流動(dòng)的同時(shí)更易向上流動(dòng)，所以隨著第三層滲透系數(shù)的增大，滲漏水影響土體的范圍增大，土體沉降更多。

選擇箱涵右下角的節(jié)點(diǎn)，繪制各個(gè)工況下該節(jié)點(diǎn)在滲漏開始至計(jì)算結(jié)束后孔壓隨時(shí)間變化的曲線圖（圖8）。

圖8 滲漏后土體位移變化曲線圖

由圖8 可以看出，該點(diǎn)孔壓在滲漏初期迅速升高，并逐漸趨于穩(wěn)定滲流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)直至計(jì)算結(jié)束；隨著第二層滲透系數(shù)的增大，該節(jié)點(diǎn)孔壓逐漸減小，且計(jì)算結(jié)束所需時(shí)間減少，這是由于在滲漏水量一定的情況下滲透系數(shù)增大使得滲漏水在第二層土體內(nèi)更容易水平流動(dòng)，土體浸潤(rùn)面高度降低，所以該節(jié)點(diǎn)的孔壓減小；而隨著第三層滲透系數(shù)的增大該節(jié)點(diǎn)孔壓逐漸增大，這是因?yàn)闈B透系數(shù)增大在滲漏水壓一定情況下更多滲漏水向第二層土體流動(dòng)，土體浸潤(rùn)線高度增高，該節(jié)點(diǎn)孔壓增大，意味著滲漏水影響到更多土體，土體的沉降量也越來(lái)越大，與圖7 豎向位移云圖顯示的沉降規(guī)律一致。

為分析滲漏計(jì)算結(jié)束后4 種工況下的土體塑性發(fā)展情況，箱涵周圍土體的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖9 所示。

圖9 滲漏后土體等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

由工況6～工況9 的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D可以看出，第二層土體滲透系數(shù)變化土體均未進(jìn)入塑性屈服，但隨著第三層土體滲透系數(shù)的增大，土體的塑性應(yīng)變數(shù)值不斷增長(zhǎng)。這是因?yàn)榈谌龑油馏w滲透系數(shù)增大，滲漏水可以向土體更高位置運(yùn)動(dòng)，土體的孔壓增大導(dǎo)致土體的有效應(yīng)力減小，而土體有效應(yīng)力的減小則使土的抗剪強(qiáng)度降低，故而土體更容易進(jìn)入塑性狀態(tài)發(fā)生屈服。

4 不同內(nèi)水壓力影響分析

為保證長(zhǎng)距離箱涵的正常輸水功能箱涵內(nèi)部需有一定水壓力，分析不同內(nèi)水壓力下發(fā)生滲漏后對(duì)土體的影響，通過改變箱涵頂板內(nèi)水壓力分別為90、130、150 kPa 計(jì)算E 位置滲漏后箱涵周圍土體的位移場(chǎng)變化并分析其變化規(guī)律，不同內(nèi)水壓強(qiáng)的箱涵滲漏后豎向位移云圖如圖10 所示。

圖10 滲漏后土體豎向位移云圖

圖10 顯示，箱涵內(nèi)水壓力越小，在滲漏發(fā)生后土體的沉降越小，但由于滲漏位置未發(fā)生改變，故土體最大沉降位置基本無(wú)變化位于箱涵滲漏位置以下。圖中顯示隨著內(nèi)水壓強(qiáng)的增大，土體沉降范圍也在不斷擴(kuò)大。選擇箱涵右下角的節(jié)點(diǎn)，繪制各工況下該點(diǎn)在滲漏開始至計(jì)算結(jié)束后孔壓隨時(shí)間變化的曲線圖（圖11）。

圖11 滲漏后土體位移變化曲線圖

由圖11可以看出，隨著箱涵內(nèi)水壓強(qiáng)的增大，該點(diǎn)孔壓逐漸增大，這是由于箱涵滲漏水壓增大后，滲漏水能夠向更高的位置滲流，使得浸潤(rùn)線逐漸上移，該點(diǎn)處孔壓也逐漸增大。該圖顯示的孔壓變化規(guī)律也表明隨內(nèi)水壓力的增大，滲漏水運(yùn)動(dòng)位置更高，所影響的土體范圍更大，土體的沉降位移也更大。當(dāng)E 位置發(fā)生滲漏時(shí)，內(nèi)水壓力變化時(shí)土體的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖12 所示。

圖12 滲漏后土體塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖12 顯示，隨著箱涵內(nèi)水壓力的增大，箱涵底部?jī)蓚?cè)土體進(jìn)入塑性屈服階段且土體的等效塑性應(yīng)變不斷增大，由于內(nèi)水壓強(qiáng)增大后土體的浸潤(rùn)線高度更高，土體的有效應(yīng)力減小，土體抗剪強(qiáng)度降低，故塑性應(yīng)變隨內(nèi)水壓力增大而增大，塑性開展區(qū)域有明顯分層現(xiàn)象，這是由于土體分層導(dǎo)致的。

5 結(jié)論

本文分析了箱涵滲漏后周圍土體的力學(xué)性能隨滲漏位置、滲透系數(shù)及箱涵內(nèi)水壓強(qiáng)變化的發(fā)展規(guī)律，通過以上研究得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)滲漏位置位于箱涵底板和側(cè)墻交界處時(shí)，土體的沉降最大，且土體沉降的影響范圍最大，該沉降使箱涵發(fā)生傾斜，影響箱涵的正常運(yùn)行，故應(yīng)多注意箱涵側(cè)墻是否發(fā)生滲漏并及時(shí)修補(bǔ)。

（2）滲漏水壓保持一定時(shí)，滲漏位置所在土層的滲透系數(shù)增大使得滲漏水更容易向上部土體運(yùn)動(dòng)，土體的浸潤(rùn)線高度升高，滲漏水影響的土體范圍變大，土體沉降位移也越大；箱涵周圍土體隨著第三層土體滲透系數(shù)的增長(zhǎng)進(jìn)入塑性屈服階段且等效塑性應(yīng)變?cè)絹?lái)越大。

（3）隨著箱涵內(nèi)水壓強(qiáng)的增大，土體浸潤(rùn)線高度升高滲漏水影響的土體范圍變大，滲漏后土體的沉降也越大且土體沉降范圍也越大；箱涵周圍土體隨著內(nèi)水壓力的增長(zhǎng)進(jìn)入塑性屈服階段且等效塑性應(yīng)變?cè)絹?lái)越大。

（5）土體沉降及塑性區(qū)的開展與土體的孔隙水壓力有密切聯(lián)系，當(dāng)土體的孔壓越大時(shí)，土體沉降越大且箱涵底部?jī)蓚?cè)土體進(jìn)入塑性階段。