滲透對均質(zhì)無黏性土壩潰壩的影響分析

王洪洋 婁浩然

(北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

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滲透對均質(zhì)無黏性土壩潰壩的影響分析

王洪洋 婁浩然

(北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

利用離散單元法，并考慮流固耦合作用，通過設(shè)定不同的邊界水壓力，研究了均質(zhì)無黏性土壩潰壩過程中的滲流和沖刷現(xiàn)象，結(jié)果表明：當(dāng)邊界水壓力較小時(shí)，潰壩主要由表面流沖刷引起；隨著邊界水壓力增大，潰壩同時(shí)由滲流和漫頂兩部分水流引起。

土石壩，潰壩，離散元，流固耦合

0 引言

土石壩作為重要的水工構(gòu)筑物，給人類帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但是，土石壩也較容易發(fā)生潰壩事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，至2006年年底，我國已有3 280余座土石壩發(fā)生潰壩，如河北“63.8”、河南“75.8”暴雨造成數(shù)百座水庫壩體潰壩，致使大量土地村莊被淹，1 000多萬人受災(zāi)[2]。資料表明，全世界范圍內(nèi)也發(fā)生了大量土石壩潰壩事故，例如美國的瓊斯堂大壩、提堂大壩等等。

土石壩潰壩研究涉及土力學(xué)、水力學(xué)和泥沙動(dòng)力學(xué)多個(gè)學(xué)科，潰決過程比較復(fù)雜，顆粒流軟件(PFC)以離散單元法為基本方法，可以模擬非線性、大變形問題，在巖土工程領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。Shamy & Aydin[3]利用該軟件考慮流固耦合作用，建立了一個(gè)飽和的大比尺土石壩模型，對于砂土管涌的臨界水力梯度進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了顆粒流軟件在大變形條件下模擬水土耦合效應(yīng)的可行性；周健等[4]結(jié)合細(xì)觀模型試驗(yàn)，利用PFC對砂土管涌的發(fā)生發(fā)展過程進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果與有關(guān)的模型試驗(yàn)較吻合。

由于均質(zhì)無黏性土壩的滲透系數(shù)較大，在遭遇洪水漫頂時(shí)，漫溢水流一部分沖刷壩體表層，一部分則滲進(jìn)壩體內(nèi)部，對壩身造成滲流沖刷。本文利用顆粒流軟件研究均質(zhì)無黏性土壩潰壩，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測壩體內(nèi)部孔隙率、孔隙水壓力等物理量的變化，研究滲流和沖刷對土石壩潰壩的影響。

1 顆粒流方法簡介

三維顆粒流方法以球體為基本單元，通過定義球體直徑、球體剛度和黏結(jié)強(qiáng)度等細(xì)觀參數(shù)表征宏觀土體的物理性質(zhì)。顆粒運(yùn)動(dòng)符合牛頓第二定律，流體采用固定的粗網(wǎng)格劃分方法，利用SIMPLE方法求解。

流體質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程如下：

(1)

(2)

牛頓流體的本構(gòu)方程為：

(3)

聯(lián)立式(1)～式(3)得到廣義的N-S方程：

(4)

式中：n——孔隙率；

u——流體速度；

nu——達(dá)西流速；

ρf——流體密度；

Ff——體積力；

p——壓強(qiáng)；

τij——摩擦剪應(yīng)力；

μ——?jiǎng)恿φ硿禂?shù)。

顆粒流軟件通過求解廣義N-S方程，實(shí)現(xiàn)流體和固體顆粒的耦合迭代過程。

2 土石壩三維顆粒流模型

利用均質(zhì)無黏性土壩的對稱性，選取壩體的1/4建立數(shù)值模型，以提高計(jì)算效率和收斂速率，如圖1所示。初始生成的長方體模型首先在自重作用下平衡(不平衡力很小)，然后用削坡的方法制備土壩模型，模型尺寸為25 mm×50 mm×25 mm(高×長×寬)。顆粒粒徑為0.35 mm～0.58 mm，顆粒總數(shù)為4 764個(gè)，其余參數(shù)見表1。在土壩模型中部靠近壩坡的位置設(shè)置測量圈，監(jiān)測孔隙率、孔隙水壓力的變化，每1 000步記錄一次數(shù)據(jù)。

對土壩模型劃分4×10×8的流體網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格包含若干球體顆粒，流體壓力以體力的形式作用于顆粒，改變球顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，球體顆粒反過來又影響流體的運(yùn)動(dòng)過程。

表1 顆粒流模型細(xì)觀參數(shù)表

3 模擬結(jié)果分析

3.1 壩坡沖刷過程

以P=634 Pa為例，分析均質(zhì)無黏性土壩的潰壩過程，如圖2所示。在漫頂沖刷前期，單個(gè)顆粒受到流體的拖拽剪應(yīng)力，失去平衡狀態(tài)，開始自壩坡的不同位置以滾動(dòng)的形式下落，到155 000步時(shí)，坡腳的顆粒呈團(tuán)狀脫離壩體，這種現(xiàn)象和室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果一致，在模型試驗(yàn)中，土壩遭遇漫頂洪水時(shí)，首先被沖刷的部位即是下游坡腳。隨著顆粒團(tuán)狀流失，沖刷速率加大，310 000步時(shí)，下游壩坡靠近壩頂?shù)念w粒在流體壓力和重力的共同作用下達(dá)到極限平衡狀態(tài)，沿著破裂面滑動(dòng)，滑坡體在壩坡表面形成不連續(xù)的凸起，到465 000步時(shí)壩坡才重新變得光滑。由于被沖刷的顆粒很多集中堆積在坡腳，使得靠近壩基的土壩模型沖刷較慢，而壩體上部的沖刷速率仍然很大，隨著沖刷的進(jìn)行，壩頂逐漸變窄，到620 000步時(shí)，靠近壩頂位置的壩坡又再次發(fā)生失穩(wěn)滑落。

3.2 壩坡孔隙率變化

不同邊界水壓力下測量圈內(nèi)的孔隙率變化如圖3所示。由圖3可知，初始孔隙率為0.371，在六種邊界水壓力作用下，靠近壩坡位置的孔隙率隨著循環(huán)步數(shù)的增加而增大，但增大的速率不同。當(dāng)邊界水壓力為158.5 Pa，317 Pa和634 Pa時(shí)，在620 000循環(huán)步內(nèi)，孔隙率變?yōu)?.387，0.391和0.411，只分別增加了4.3%，5.4%和10.7%；而當(dāng)邊界水壓力為1 268 Pa時(shí)，孔隙率在400 000步時(shí)明顯增大，最后的孔隙率為0.487，增長率為31%；隨著邊界水壓力進(jìn)一步加大，孔隙率的變化速率越來越快，2 536 Pa和5 072 Pa最終的孔隙率分別為0.603和0.712，相應(yīng)增加了62.5%和92%。

3.3 壩坡孔隙水壓力變化

圖4a)是邊界水壓力為634 Pa時(shí)的孔隙水壓力變化曲線，由于初始階段的應(yīng)力重分布，孔隙水壓力快速下降，出現(xiàn)負(fù)孔壓，大約在70 000步時(shí)，孔隙水壓力到達(dá)平衡值-40 Pa，此后一直保持該值不變。這說明，在均質(zhì)無黏性土壩潰壩初期，土顆粒受到擠壓

作用，孔隙水壓力值為正，而隨著壩體材料被流體沖散，壓實(shí)度降低，孔隙率增加，出現(xiàn)體積膨脹，孔隙水壓力變?yōu)樨?fù)值。圖4b)為不同邊界水壓力時(shí)，平衡孔隙水壓力的變化曲線，由圖4可知，邊界水壓力分別為158.5 Pa，317 Pa，634 Pa，1 268 Pa，2 536 Pa和5 072 Pa時(shí)，平衡孔隙水壓力分別為8.3 Pa，-18 Pa，-40 Pa，-60 Pa，-130 Pa和-450 Pa，隨著邊界水壓力增大，孔隙水壓力的平衡值增加。以上的分析說明：當(dāng)滲透性較大的土石壩發(fā)生漫頂潰壩時(shí)，漫頂水流壓力較小時(shí)，壩內(nèi)孔隙率變化量和平衡孔隙水壓力值很小，此時(shí)的潰壩主要由表面流沖刷引起；反之，當(dāng)漫頂水流壓力較大時(shí)，壩內(nèi)孔隙率變化量和平衡孔隙水壓力值都很大，此時(shí)的潰壩現(xiàn)象由滲流和漫頂兩部分水流造成。

4 結(jié)語

建立均質(zhì)無黏性土壩的離散模型，在壩頂施加不同的水壓力值，研究滲透和沖刷對土壩潰壩的影響。結(jié)果表明：當(dāng)漫頂水流很淺，水壓力很小時(shí)，滲流對土壩潰壩的影響很小；而當(dāng)漫頂水流較深，水壓力較大時(shí)，滲流對土壩潰壩的影響不可忽略。

[1] 解家畢，孫東亞.全國水庫潰壩統(tǒng)計(jì)及潰壩原因分析[J].水利水電技術(shù)，2009(12):124-127.

[2] 汝乃華，牛運(yùn)光.大壩事故與安全——土石壩[M].北京：中國水利水電出版社，2001.

[3] U.EI Shamy,F.Aydin.A micro-scale model for the analysis of flood-induced piping in river levees.Embankments,Dams,and Slopes.ASCE,2007.

[4] 周 健，周凱敏.砂土管涌—濾層防治的離散元數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報(bào)，2010，41(1):17-24.

Influential analysis of penetration upon homogeneous non-viscous earth dam break

Wang Hongyang Lou Haoran

(BeijingUniversityofIndustry,Beijing100124,China)

Applying discrete element method, taking flow-solid coupling into consideration, through setting different boundary water pressure, the paper studies penetration and scouring phenomena occurring homogeneous non-viscous earth dam break process. Results show that: when the boundary water pressure is smaller, the dam break is mainly caused by surface scouring, with the boundary water pressure increasing, the dam break is mainly caused by penetration and overtopping water flow.

earth-rockfill dam, dam break, discrete element, flow-solid coupling

1009-6825(2016)13-0221-02

2016-02-21

王洪洋(1993- )，男，在讀碩士； 婁浩然(1991- )，男，在讀碩士

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