錢葉琳, 蘇 穎, 張振華, 李長春, 王磊磊, 徐 陽

(1.安徽省路港工程有限責任公司,安徽 合肥 230031; 2.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

水利工程在建設或者運行期間時常發(fā)生管涌。1998年長江全流域發(fā)生特大洪水,中下游堤防險情73 800余處,長江流域干堤發(fā)生較大管涌872處,占較大險情的51.2%,直接經(jīng)濟損失達1 500億元[1]。2016年全國大范圍地區(qū)出現(xiàn)的持續(xù)強降雨汛情中,湖北、湖南、江西、安徽、四川等多地共發(fā)現(xiàn)并治理了608處堤壩管涌決口,并對長達37.5萬余米的堤防大壩進行了加固[2]。某基坑在開挖過程中坑內(nèi)涌水涌砂2 800 m3,地面塌陷500 m2,深6～8 m,搶險歷時6 d,動用搶險人員累計2 000余人次,不僅影響施工工期,而且嚴重影響到附近高層建筑的安全,造成了巨大的經(jīng)濟損失[3]。

目前對于管涌的研究主要集中在土體發(fā)生管涌的臨界條件以及工程中管涌發(fā)生危險性的研究上[4-5]。文獻[6]以單個土顆粒為研究對象,按照滲透力與土顆粒浮重間的極限平衡推導出砂礫土臨界水力梯度計算公式;文獻[7]考慮多孔介質(zhì)中的流動,并與伯努利方程和臨界牽引應力條件耦合,建立了計算臨界水力梯度的模型;文獻[8]采用泥沙顆粒滾動理論,同時考慮土壤顆粒的相對暴露程度和滲流方向建立二維滲流模型,預測了土壤顆粒運動的臨界水力梯度;文獻[9]利用多個方程構(gòu)建層流管道模型,得出反向侵蝕導致堤壩破壞的臨界水力梯度公式;文獻[10]根據(jù)相對運動原理,推導出考慮周圍粒子受水流拖拽力影響的無黏性土臨界水力梯度;文獻[11]將蒙特卡羅法與有限差分法相結(jié)合進行程序開發(fā),用于預測蓄水后土石壩發(fā)生管涌的可能性,并通過案例對程序進行驗證;文獻[12]考慮水力參數(shù)的不確定性,開發(fā)了一種基于簡單脆弱性指數(shù)的程序,并通過工程實例論證了該程序的可行性;文獻[13]基于微震鏈陣列調(diào)查結(jié)果可揭示滑坡與堤壩的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及自電位調(diào)查結(jié)果可顯示異常滲流帶的路徑,采用微震鏈陣列與自電位測量方法來預測滑坡以及大壩發(fā)生管涌的可能性;文獻[14]通過研究管涌發(fā)展過程中聲發(fā)射特征,得出聲發(fā)射信號的活動與管涌不同階段有關的結(jié)論,據(jù)此將聲發(fā)射信號作為監(jiān)測管涌發(fā)展的指標來判斷管涌發(fā)生的危險程度。

然而在工程上臨界水力梯度通常用于判定出險部位是否發(fā)生了管涌,但不能對管涌區(qū)以外區(qū)域進行管涌危險性識別;現(xiàn)有的管涌危險性預測方法不能達到定量預測的效果,在工程中應用具有一定的局限性。因此有必要提出一種可以定量判別工程中發(fā)生管涌危險程度的方法,以此為防滲加固措施的實施提供科學依據(jù)。本文基于土體發(fā)生管涌的水力條件[2]提出臨界水力梯度接近度指標,該指標可以定量判別土體發(fā)生管涌的危險程度,從而得出管涌危險區(qū)分布,并結(jié)合工程實例對該指標進行合理性論證。

1 工程概況

某船閘基坑東西長457.0 m,南北寬112.0 m,基坑上閘首底部設計開挖高程為17.0 m,臨近河道水位高32.5 m?；釉陂_挖之前沿四周實施一道高壓擺噴墻形成防滲體系。基坑在開挖至高程24.2 m、17.0 m時出現(xiàn)了2次涌水事故?；蝇F(xiàn)場及涌水路線如圖1所示。

根據(jù)鉆探資料和實測資料,將該船閘地層劃分為5層含水層和2層隔水層:第1含水層為潛水,分布在①層素填土、②層壤土中(標高32.5 m);第2含水層為承壓水,分布在③層砂壤土夾粉質(zhì)壤土中(標高23.0～29.0 m);第3含水層為承壓水,分布在④層砂壤土中(標高15.0～20.0 m);第4含水層為承壓水,分布在⑤層輕粉質(zhì)壤土夾砂壤土、⑥層砂壤土中(標高2.0～10.0 m);第5含水層為承壓水,分布在⑦層粉砂、⑧層砂壤土中(標高-11.0～<2.0 m);第1隔水層為③-1層壤土;第2隔水層為④-1層壤土。某船閘基坑地層及含水層分布如圖2所示。

圖2 某船閘基坑地層及含水層分布

2 臨界水力梯度接近度

(1)

其中:i為土體的水力梯度;ic為土體臨界水力梯度。

3 數(shù)值模擬

3.1 基本理論

3.1.1 滲流控制方程

飽和-非飽和滲流理論假定水在非飽和土中仍然服從Darcy定律,然后根據(jù)水流的連續(xù)性條件以及孔隙水壓力不隨時間變化的假定,在不考慮不同流體的流動與土體結(jié)構(gòu)平衡條件之間相互作用的條件下(即不考慮孔隙水與孔隙水的流動對土體結(jié)構(gòu)變形的影響),通過土體非飽和區(qū)域內(nèi)的地下水控制方程式[16]為:

(2)

本文滲流計算是在土體飽和狀態(tài)下進行的,此時地下水的控制方程式為:

(3)

其中:kx、ky分別為土體x、y方向的滲透系數(shù);H為位置水頭與孔隙水壓力兩者之和;Q為微元體的邊界流量;mw為體積含水量變化系數(shù);γw為水的容重。

3.1.2 定解條件

初始條件為:

(4)

邊界條件為:

(5)

其中:H0(x,y,t)為點(x,y)處初始水位;Γ1為一類邊界條件;H1(x,y,t)為點(x,y)在t時刻的邊界已知水位。

3.2 數(shù)值計算模型及邊界條件

基坑涌水位置發(fā)生在上閘首處,因此取該區(qū)域為研究對象,根據(jù)圖紙以及現(xiàn)場情況確定該基坑研究范圍長為120.0 m,寬為42.0 m,深度為17.0～34.5 m。為減小邊界范圍選取過小給計算結(jié)果帶來誤差,選取研究對象最大幾何尺寸的3～5倍確定計算范圍,最終確定整體模型尺寸為900.0 m×540.0 m×134.5 m,網(wǎng)格類型為4節(jié)點SOILD181以及8節(jié)點SOILD185,如圖3所示。

圖3 基坑整體數(shù)值計算模型

數(shù)值模型的滲流邊界條件為:頂面、底面為不透水邊界;前、后、左、右邊界為透水邊界(水位32.5 m);防滲結(jié)構(gòu)均不透水。沿基坑軸線方向剖面邊界條件如圖4所示?；幼畛醴罎B體系數(shù)值模型如圖5所示。

圖5 基坑最初防滲體系數(shù)值模型

3.3 計算參數(shù)

在FLAC3D軟件中對計算模型進行滲流計算[17],以每個網(wǎng)格為研究對象,根據(jù)上文提出的臨界水力梯度接近度計算公式,利用FISH語言進行二次開發(fā),計算獲得基坑涌水剖面的水力梯度以及臨界水力梯度接近度分布。計算時將土層賦予摩爾庫倫模型[18-19],防滲結(jié)構(gòu)賦予線彈性模型[20-21],同時將防滲結(jié)構(gòu)賦予各向同性不透水模型[22]。根據(jù)計算時的參數(shù)需求,在該船閘基坑處取樣進行三軸試驗并結(jié)合參考現(xiàn)場《地質(zhì)勘查報告》,確定計算參數(shù),其中各地層的臨界水力梯度計算公式參考文獻[6]。

計算參數(shù)見表1所列。

表1 各土層計算參數(shù)

3.4 計算步驟

為分析該基坑施工過程中水力梯度以及臨界水力梯度接近度分布隨管涌產(chǎn)生與基坑防滲加固的演化規(guī)律,本文確定了以下4個計算步驟:

1) 基坑開挖至坑底高程為24.2 m,發(fā)生第1次涌水。

2) 針對基坑第1次涌水事故進行防滲加固。

3) 基坑開挖至坑底高程為17.0 m,發(fā)生第2次涌水。

4) 針對基坑第2次涌水事故進行防滲加固。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 第1次涌水剖面計算結(jié)果

基坑第1次涌水剖面水力梯度與臨界水力梯度接近度計算結(jié)果如圖6所示,此時坑底土層為砂壤土夾粉質(zhì)壤土。

圖6 基坑第1次涌水剖面水力梯度與臨界水力梯度接近度計算結(jié)果

從圖6a可以看出,此時坑底涌水剖面出水口處的水力梯度為0.460,大于該土層臨界水力梯度0.287,說明此處發(fā)生了管涌;從圖6b可以看出,涌水剖面的管涌危險區(qū)主要分布在防滲結(jié)構(gòu)與其周圍土體以及防滲結(jié)構(gòu)底部繞滲區(qū)。

根據(jù)計算結(jié)果,涌水部位的臨界水力梯度接近度大于1,基坑發(fā)生管涌的原因是在防滲結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)了繞滲,形成了滲流破壞貫通區(qū),造成在基坑底部發(fā)生管涌。通過以上對比得出,臨界水力梯度用于判定淺表層涌水位置土體是否發(fā)生了管涌,對于涌水部位以外的土體無法進行管涌危險性判定;而臨界水力梯度接近度可以依據(jù)土體發(fā)生管涌的危險程度劃分出管涌危險區(qū),可以判定整個場地內(nèi)土體發(fā)生管涌的危險性。

根據(jù)基坑第1次涌水時管涌危險區(qū)分布,需要對管涌危險區(qū)進行防滲干預。結(jié)合工程現(xiàn)場,在涌水處原高壓擺噴墻外側(cè)新增高壓擺噴墻,如圖7所示。

圖7 基坑第1次防滲加固

基坑第1次涌水剖面在防滲加固后水力梯度與臨界水力梯度接近度分布的計算結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,坑底涌水部位的水力梯度自涌水時的0.460降至0.180,低于該土層的臨界水力梯度0.287,此處不再發(fā)生管涌;坑底涌水口的臨界水力梯度接近度較加固前降低至小于1,滲透破壞貫通區(qū)域遠離坑底,說明針對本次涌水時管涌危險區(qū)分布而提出的防滲加固建議有效。

圖8 基坑第1次涌水防滲加固后涌水剖面水力梯度與臨界水力梯度接近度計算結(jié)果

4.2 第2次涌水剖面計算結(jié)果

基坑第2次涌水剖面水力梯度與臨界水力梯度接近度計算結(jié)果如圖9所示,此時基坑已開挖至設計高程,坑底土層為砂壤土。

圖9 基坑第2次涌水剖面水力梯度與臨界水力梯度接近度計算結(jié)果

從圖9a可以看出,此時坑底涌水剖面出水口處的水力梯度為0.540,大于該土層臨界水力梯度0.246,說明此處發(fā)生了管涌;從圖9b可以看出,此時涌水部位的臨界水力梯度接近度大于1,基坑發(fā)生管涌的原因是在防滲結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)了繞滲,形成了滲流破壞貫通區(qū),最終造成在基坑底部發(fā)生管涌。經(jīng)過對比得出臨界水力梯度無法對涌水部位以外區(qū)域的土體進行管涌危險性判定,而臨界水力梯度接近度可以依據(jù)土體發(fā)生管涌的危險程度劃分出管涌危險區(qū),可以判定整個場地內(nèi)土體發(fā)生管涌的危險性。

根據(jù)基坑第2次涌水時土體管涌危險區(qū)分布,需要對管涌危險區(qū)進行防滲干預。結(jié)合工程現(xiàn)場,在原高壓擺噴墻外側(cè)新增混凝土截滲墻,針對出水部位利用鋼筋混凝土截滲墻進行防滲補強,如圖10所示。基坑第2次涌水剖面在防滲加固后水力梯度與臨界水力梯度接近度分布計算的結(jié)果如圖11所示。

圖10 基坑第2次防滲加固

圖11 基坑第2次涌水防滲加固后涌水剖面水力梯度與臨界水力梯度接近度計算結(jié)果

從圖11a可以看出,此時坑底涌水部位的水力梯度自涌水時的0.540降至0.080,低于該土層的臨界水力梯度0.246,此處不再發(fā)生管涌;從圖11b可以看出,此時坑底涌水口的臨界水力梯度接近度較加固前降低至小于1,滲透破壞貫通區(qū)域遠離坑底,說明針對基坑本次涌水時管涌危險區(qū)分布而提出的防滲加固建議有效。

4.3 討論

以往工程中對于管涌區(qū)的判定只針對淺表層出險區(qū)域,如圖12所示,但伴隨管涌區(qū)的出現(xiàn),管涌潛在危險區(qū)也會存在,這些潛在危險區(qū)在外界條件或工程結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的進一步影響下就會發(fā)展為管涌區(qū),因此能夠有效識別管涌潛在危險區(qū)同等重要。

圖12 以往管涌研究區(qū)域

以往方法因為不能定量預測管涌危險性,所以不能對管涌潛在危險區(qū)進行準確識別。文獻[6,23-25]通過室內(nèi)滲透試驗依據(jù)土樣發(fā)生管涌的危險程度不同,將土體發(fā)生管涌的動態(tài)過程定量劃分為若干個區(qū)間。

本文統(tǒng)計了上述文獻得出的不同土體臨界水力梯度及其發(fā)生管涌潛在危險時(細顆粒普遍流失)的水力梯度,換算得出土體處于管涌潛在危險時的臨界水力梯度接近度經(jīng)驗取值,如圖13所示。由圖13可知,不同土體處于管涌潛在危險時臨界水力梯度接近度整體位于0.6～0.8之間,考慮到實際工程安全性,選取臨界水力梯度接近度為0.6作為土體處于管涌潛在危險時的判斷依據(jù)。

圖13 相關文獻土樣臨界水力梯度接近度轉(zhuǎn)化結(jié)果

圖14 本文臨界水力梯度接近度管涌研究區(qū)域

通過以上分析得出,臨界水力梯度接近度可以根據(jù)土體發(fā)生管涌的危險程度定量劃分區(qū)域,通過及時識別管涌危險區(qū)以及潛在危險區(qū)的分布并提供防治建議,可以有效避免工程發(fā)生管涌,具有重要的工程意義。

5 結(jié) 論

本文基于土體發(fā)生管涌的水力條件,提出可以定量判別工程發(fā)生管涌危險性并提供防滲建議的臨界水力梯度接近度指標,根據(jù)工程實例采用數(shù)值模擬方法對該指標進行合理性論證,得出以下結(jié)論:

1) 臨界水力梯度接近度指標通過表示土體水力梯度與其臨界水力梯度的接近程度來定量判定土體發(fā)生管涌的危險程度,不僅可以用來判定淺表層涌水位置土體是否發(fā)生了管涌,還可以識別復雜土層場地內(nèi)土體發(fā)生管涌的危險性。

2) 根據(jù)臨界水力梯度接近度分布的計算結(jié)果,得出發(fā)生管涌的危險區(qū)以及潛在危險區(qū),據(jù)此分析工程涌水機制,并提供合理的防滲建議,通過提前的防滲干預達到消除管涌的目的。

通過以上研究表明,臨界水力梯度接近度指標的提出為土木工程中管涌的預測以及防治提供一種新的管涌危險性評價的量化方法。