雙層堤基管涌的三維顆粒流模擬*

游碧波，陳紹名

（深圳職業技術學院 建筑與環境工程學院，廣東 深圳 518055）

雙層堤基管涌的三維顆粒流模擬*

游碧波，陳紹名

（深圳職業技術學院 建筑與環境工程學院，廣東 深圳 518055）

基于三維顆粒流程序PFC3D，對北江大堤石角段存在爭議的堤基管涌問題進行了數值仿真研究．在對實際管涌的堤基環境進行概化的基礎上，建立了三維堤基的顆粒流模型，通過流固耦合分析，實現了堤基管涌發展以及顆粒流失全過程的模擬．對基巖不透水和透水2種情況分別建模，分析比較了不同的基巖透水邊界條件下管涌演化的機理，通過FISH語言編程得到了不同基巖條件下顆粒流失量的變化規律．研究結果表明，基巖透水條件的存在，會加速管涌的演化，并可能導致更嚴重的破壞險情．砂土層細顆粒的迅速移出，會引起較大顆粒的流失，在覆蓋層下發生接觸沖刷，對堤基的穩定性構成威脅，且基巖的透水作用對砂土層的影響比卵礫石層更為突出．顆粒流模擬的結果反映了管涌演化的宏觀現象和顆粒流失的細觀規律，取得現場試驗難以測量的顆粒流失規律，證明了顆粒流方法應用于管涌模擬的適用性，為進一步采用顆粒流方法研究管涌問題提供了新思路，對管涌的搶險加固具有一定的指導作用．

堤基管涌；演化；顆粒流模擬；PFC

北江大堤是位于北江下游左岸的堤防，是廣州市防御西江和北江洪水的重要屏障，屬于國家一級堤防．作為廣東省最重要的堤防，北江大堤歷史上曾多次決堤出險，雖經多次加固治理仍久治不愈．對于此段堤基的管涌，前人已做了很多工作，作為堤基管涌高發地段——石角段，成為研究的重點，學者對這一段歷史上曾經出現過的數次管涌分別進行了分析和探討，但在其堤基管涌的發生原因和演化機制方面存在不同的認識，主要存在2種觀點：（1）管涌產生于砂礫石層，基巖不透水．此觀點的代表性研究成果有：李寧新[1]認為，砂層水位與北江河水位有很好的水力聯系，堤基砂層是地下水的良好通道，基巖地下水只是以裂隙水狀態存在，即使遇斷層破碎帶和強風化帶，基巖裂隙水水量不大，承壓性質不明顯．林忠，古曉明[2]認為石角地區的地質調查結果顯示紅層斷裂構造并不發育，較少有規模較大的斷層，在石角段出露的紅層中未發現有溶洞，且該處巖性不可能形成大型溶洞，不具備形成大的集中透水通道的可能；此外，基巖裂隙水滲透通道呈條帶狀，基巖地下水流態在單位流量下流速較快，進入孔隙性砂層后流速迅速減慢，不可能在砂層中形成集中的管道并沖過幾十米砂層直到地表．（2）另一種觀點則認為，管涌由基巖集中滲水通道引起．較有代表性的學者的成果有：陳建生[3-4]采用井流理論對堤防滲流管涌發生后產生集中滲漏通道的機理進行分析，并根據同位素示蹤和天然示蹤方法對堤基基巖滲漏問題進行分析和驗證．葉合欣等[5]通過對石角段水文地質條件分析認為，該段堤基基巖局部透水性很強，基巖紅層中確實存在強透水帶．

由于管涌的復雜性，對其真正機理的研究仍未有定論，研究尚待深入．歷次除險加固都針對第一種成因認識實施相應措施，但效果不佳[6]．隨著計算機技術的發展和各種數值模擬算法的提出，以數值分析技術模擬滲透變形的發生及其發展成為滲透變形分析的一個較為重要的研究方向[7]．在管涌發展的數值模擬方面，目前主要采用以有限單元法為主的連續介質方法．土體顆粒和水流相互作用的具體力學機制十分復雜，帶有很大的隨機性．管涌演化中，研究對象不斷發生改變，研究參數也隨之發生變化，連續介質方法很難反映堤基管涌這類顆粒運移引起的模型和參數不斷調整的復雜問題，更加無法實現對管涌發展演化過程的模擬．而顆粒元方法的提出，對分析此類具有離散性的物質方面顯示出其卓越性能．其基本思想是把非連續體分離開，形成離散顆粒的集合，顆粒之間完全斷開，不用滿足位移連續與變形協調條件，適用于求解大變形和非連續問題．本文采用三維顆粒流數值模擬方法，分別針對兩種不同觀點對該處管涌現象進行模擬，分析在基巖不同透水條件下管涌的演化規律，以期用模擬得到的成果為實際工程的加固維護提供參考．

1 模型的建立

北江大堤所在區域在地質構造上位于印支構造的羅沅——大賽褶皺群和廣花復向斜之間，屬三水紅色盆地西緣，近場斷裂在全新世時處于相對穩定狀態．石角~河口段北江河流方向與該褶皺軸向基本一致，呈北北東一南南西走向．基巖主要是下第三系的紅色砂巖，出露的巖層還有泥盆系中上統的石英砂巖、灰巖和粗面巖等，斷裂構造不發育．第四系沖積層一般厚20~30m，最厚50m，由微弱至弱透水的粘土、粉土、淤泥質細砂、淤質土等粘性土和強透水的粗、中、細砂層組成，有單元、二元和多元地質結構[8]．

石角段堤基的滲流是空間問題，本文采用三維顆粒流方法建立模型，以反映管涌出口附近的流場及顆粒流失的空間特征．樁號7+220~10+980堤段是二元結構，屬于石角段險情多發地段，也是北江大堤主要險段之一，其典型斷面如圖1所示[8]．本文選取此段建立堤基三維模型．

選取包括堤身在內的140 m寬度的堤基范圍建立模型．將堤基地層進行概化，將剖面上滲透系數相近的地層看成一層．劃分為堤身土 、堤身下粘性土覆蓋層、中粗砂層、卵礫石層和基巖．對于基巖部分，分別假設不透水、透水兩種情況建模．模型按照實際尺寸縮小，寬度方向縮小14倍，厚度和高度縮小10倍．考慮比尺效應，計算時采用10倍的重力加速度．

考慮到實際工程中土壤顆粒的大小，要模擬實際的土壤顆粒，只能局限在極小體積范圍內．綜合考慮本文模型的實際尺寸，不可能按實際土顆粒的大小模擬，否則模型中顆粒的數量遠遠超過目前計算計算能力．因此在模擬過程中對土顆粒的尺寸進行了等比放大，在滿足一定的計算精度的基礎上，保證了可控的計算容量和計算速度．最后確定顆粒尺寸如下，采用0.04 m、0.1m粒徑的顆粒分別模擬砂礫層和卵礫石層，堤身采用0.1 m粒徑的顆粒．通過PFC3D開放式的FISH函數編程，由PFC3D隨機生成器生成．在砂土層和卵石層中添加一定數量的0.01m粒徑細顆粒，以保證一定的孔隙率，并在模型里作為主要流失顆粒模擬管涌過程．顆粒生成后，通過循環消除內部的不平衡力．在粘土覆蓋層用單層規則排列的顆粒組來模擬，在靠近堤腳的位置，預留1m×1m的孔洞模擬管涌口．

圖1 北江大堤石角段典型斷面示意圖

本文模擬中，砂土層和卵礫石層顆粒采用接觸剛度模型，覆蓋層采用平行粘接接觸模型．由于迄今還沒有能從細觀力學指標反映宏觀力學指標的關系公式．數值模型采用的各項參數，如剛度、摩擦系數、平行粘接的指標等也并非真實堤基土的物理指標，僅是顆粒流數值模擬的自定義指標，與實際土層參數并沒有直接的關系．本文參數取值遵循顆粒流數值模擬的基本途徑[9]．首先構建并運行簡化模型，這樣可對力學細觀的概念有深入的了解，通過簡化模型的補充模擬，可得計算模型的幾何參數及初始條件，大致確定出各參數的取值范圍，進行分析模型的計算，將計算結果與實測結果或宏觀現象進行對比，多次試算即可得出計算參數的取值．相關參數見表1所示．

本文主要研究的是堤基內部透水層的滲透情況，對于覆蓋粘性土層用定義了連結剛度的規則排列顆粒組，以保證顆粒之間不會脫離，模擬粘土顆粒的粘結力作用．堤身和粘土層的顆粒在管涌過程中固定，僅在堤基穩定性分析時參與作用．以下分別描述基巖不透水和透水兩種情況的建模過程．

模型一（基巖不透水）：在模型范圍內生成墻體，模型在左右側分別設置透水邊界墻作為邊界條件，下側用不透水邊界墻，以模擬基巖不透水的情況．在墻體范圍內生成顆粒．模型尺寸, 寬度×高度×厚度為10 m×1.4 m×1.4 m（不包括堤身的高度），其中砂層厚0.4 m，卵礫石層厚1.0 m．

模型建立后，刪除顆粒內部多余的墻體，生成的顆粒總數約為32,000個，建立的模型如圖2所示．

模型二（基巖透水）：考慮基巖透水時，建模過程基本相同，僅在卵礫石層下方建立厚度為1.8 m的顆粒層，粒徑為0.2 m，流體可以在孔隙中運移，并為其上面的地層提供水力供給，以近似模擬基巖的透水作用．模型尺寸，寬度×高度×厚度為：10 m ×3.2 m×1.4 m（不包括堤身的高度）．生成的模型如圖3所示．

表1 顆粒流模型細觀參數表

圖2 堤基管涌顆粒流模型（基巖不透水情況）

圖3 堤基管涌顆粒流模型（基巖透水情況）

2 計算及結果分析

在2種基巖條件下的模型兩側施加相同的水頭，使細顆粒在相同的水壓力作用下起動流失，根據管涌發生時的實際水頭條件，左側施加水頭8 m，右側為0．直到0.01 m粒徑的細顆粒基本停止流失時結束模擬．

2.1 管涌過程的宏觀現象分析

通過不同基巖透水條件的模擬，可得到管涌演化過程的圖像，如圖4、圖5所示．

通過比較2種基巖條件下管涌顆粒流失的宏觀過程可以看出，當基巖不透水時，管涌的演化發展較為緩慢，覆蓋層下的砂層顆粒在緩慢的向管涌口移動，砂礫層作為主要滲流層，其細顆粒流失明顯快于其上面砂土層的細顆粒，直到顆粒停止流失時，堤基地層中仍存在部分未流失的顆粒．基巖透水條件下，管涌的演化發展較迅速，砂礫層的細顆粒在管涌開始不久，就迅速流失，至管涌演化到一定階段時（25萬步），細顆粒基本上完全流失；覆蓋層下的砂土層顆粒此時也開始逐漸流失，在模擬結束時，砂土層和卵礫石層中的絕大多數細顆粒都已流失．

從圖中還可看出，在模擬結束時，未流失的細顆粒較集中的存在于滲透層的某些孔隙中，在復雜的水土相互作用下，受到孔隙約束作用，成為了骨架顆粒的一部分．

為了模擬管涌顆粒流失對堤基穩定性的影響，在35萬步時，解除對堤身和覆蓋層顆粒的位移約束，使覆蓋層和堤身的顆粒在自重作用下下沉，分別觀察模型的正視圖并進行比較，得到圖6．

圖4 基巖不透水條件下管涌全過程

圖5 基巖透水條件下管涌全過程

圖6 管涌影響堤基穩定性示意圖

由圖6可看出，在基巖不透水條件下，由于砂土層顆粒基本未流失，細顆粒的流失基本不會影響堤身的穩定性，覆蓋層在重力作用下下沉，但堤身的穩定性基本未受到影響，未發生明顯的變形．而考慮基巖透水情況時，由于靠近堤腳位置的砂土層顆粒發生沖刷流失，覆蓋層發生嚴重的下沉變形，并延伸至堤腳附近，由此導致堤身在自身重力作用下出現了明顯的下挫變形（如圖中虛線所示），此時可認為堤身已經破壞．

通過以上模擬結果還可以看出，管涌的演化過程中，顆粒流失存在由小至大的流失規律，當砂土層細顆粒大部分流失后，由于孔隙的增大和流速的增長，引起較大粒徑的顆粒流失，并進一步演化為接觸沖刷，當砂土的流失擴展到堤腳附近時，就有可能導致堤基失穩，發生險情．由此可推測，管涌逸出顆粒如果僅是堤基透水層中的細顆粒，不會對堤基穩定性造成明顯的影響．

2.2 細顆粒流失量的分析

在建模時，砂土層和卵礫石分別設置了5 000和10 000個粒徑為0.01 m的管涌流失顆粒．采用FIAH語言編程，對各個階段的管涌流失顆粒數量進行統計，對應的顆粒流失曲線圖，如圖7、圖8所示．

基巖不透水時，顆粒流失在開始階段較為緩慢，在15萬步左右開始加速流失，在30萬步時，顆粒流失又開始變緩，細顆粒最終流失量占全部細顆粒的66%左右．而考慮基巖透水時，細顆粒在開始階段就快速流失，并一直保持到模擬結束，最終流失量約占全部細顆粒的93%．

分析其原因，基巖不透水時，顆粒流失到一定程度，由于沒有更多的壓力驅動，部分顆粒在遇到拐角或者骨架顆粒的細小孔隙處被卡住，無法流出．而基巖透水時，由于基巖提供了一部分水流驅動力，使得顆粒更易流失，并且在管涌一開始，就體現出了基巖透水的驅動作用．

圖7 基巖不透水條件下管涌顆粒流失過程

圖8 基巖透水條件下管涌顆粒流失過程

3 結論及建議

模擬分析結果表明，管涌演化存在著由小至大的粒徑流失規律．管涌逸出顆粒如果僅是堤基透水層中的細顆粒，將不會對堤基穩定性造成明顯的影響．基巖不透水和透水2種條件下，管涌細顆粒流失量占所有細顆粒的比例分別為66%和93%，基巖透水條件下，顆粒的流失進程明顯加快，體現了基巖透水的驅動作用．基巖透水條件的存在，將會大大加速管涌的演化，并有可能導致更嚴重的破壞險情．基巖的透水作用對砂土層的影響比卵礫石層更為突出，砂土層的細顆粒迅速流失，將引起較大顆粒的流失，在覆蓋層下發生接觸沖刷，對堤基的穩定性構成威脅．

本文的模擬研究得到的是定性或半定量的研究成果，這是由于顆粒流程序目前的發展水平所決定的[10]．模擬結果能夠正確反映管涌演化的宏觀現象和顆粒流失的細觀規律，并得到了現場試驗和連續介質模擬方法難以取得的參數變化規律，證明了顆粒流方法應用于管涌問題的可行性，該成果為進一步采用顆粒流方法研究管涌問題提供了思路，對管涌的搶險加固具有一定的指導作用．

建議應加強對基巖透水邊界條件的監測工作，特別是高水位條件下的監測工作．只有查明堤基地質結構類型，才能從本質上把握堤基巖土性狀、滲透條件等要素的地位和作用，并依據工程性狀，提出合理的治理措施和方案．

[1] 李寧新．北江大堤石角段若干地質問題初步分析[J]．人民珠江，2000（02）：15-18．

[2] 林忠，古曉明．也談北江大堤石角段管涌的認識[J]．廣東水利水電，2005（05）：21-23．

[3] 陳建生，李興文，茹建輝，等．北江大堤石角段同位素綜合示蹤探測管涌研究[J]．工程勘察，2001（06）：24-27．

[4] 陳建生，董海洲，陳亮．采用環境同位素方法研究北江大堤石角段基巖滲漏通道[J]．水科學進展，2003（01）：57-61．

[5] 葉合欣，黃春華，陳建生，等．北江大堤石角管涌多發段基巖地質條件分析[J]．水文地質工程地質，2003（04）：76-78．

[6] 林叔忠．北江大堤石角段強透水堤基滲透變形機理初探[A]//北江大堤石角段滲流問題技術研討會，1998．

[7] 周健，張剛．管涌現象研究的進展與展望[J]．地下空間，2004（04）：536-542．

[8] 《北江大堤志》編纂委員會．北江大堤志[M]．廣州：廣東高等教育出版社，1995．

[9] Itasca Consulting Group Incorporation．PFC2D User’s Guide[R]．Minneapolis，Minnesota:[s.n.]，2004．

[10] 徐泳，孫其誠，張凌，等．顆粒離散元法研究進展[J]．力學進展，2003（02）：251-260．

3D Simulation of Double-Layered Embankment Piping

YOU Bibo, CHEN Shaomin

（School of Architectural and Environment Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

Based on PFC3D software, numerical simulation is made concerning the argument over Shijiao segment of North river levee. A 3D particle flow levee model is developed after the generalization of real levee foundation. According to fluid-solid coupling analysis, the whole process of piping evolution and particles’ loss process are realized. Models are set up in which bedrock is presumed to be permeable and impermeable respectively, evolution mechanisms between two different models are compared, and particles’ loss tendency is acquired based on FISH language. Research shows that, permeable bedrock speeds up the piping evolution, and gives rise to damages and risks. Fine particles’ loss in sand layer results in further larger particles’ loss, and overlying strata erosion poses a threat to the embankment, and the seepage effect of bedrock on sand layer is more severe than that of gravel layer. Simulation results reflect the real piping’s macrophenomena and micro rule of particles’ loss, and verify the validity of particle flow, which offers a new approach to study on piping with particle flow method and is of great significance for piping reinforcement in emergencies.

embankment piping; evolution; PFC simulation; PFC

TV871.2

A

1672-0318（2015）01-0027-06

10.13899/j.cnki.szptxb.2015·01, 006

2014-07-17

*項目來源：深圳職業技術學院青年創新課題（編號：2009k3080020）

游碧波（1980-），男，湖北荊門人，講師，工學博士，主要從事建筑仿真模擬及綠色建筑研究．