平原水庫土石壩穿壩建筑物三維滲流穩定分析

王 毅，張 誠，鐘 靜

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

為了解決北方部分地區水資源短缺的問題，我國在平原地區興建了大量的平原水庫，極大地緩解了缺水地區的生活和灌溉用水需求。平原水庫的功能是調控蓄水，所以通常與輸水建筑物、進水建筑物和泄水建筑物有機結合。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，與土石壩的結構組成有很大差異，所以壩體-涵管接觸面在庫水位的作用下，常常會發生接觸沖刷破壞，導致壩體漏水、壩坡下游浸水、周圍土地鹽堿化等病害，嚴重的會威脅大壩的安全穩定[1- 4]。

平原水庫土石壩與穿壩涵管接觸沖刷破壞本質上是土-結構接觸面的破壞問題。陳建生等[2]提出了針對均質各向同性地層滲透性的概化和計算模型，模擬了砂礫石層與黏土層接觸沖刷發展過程中水頭和滲透系數的變化、沿流線方向上水力坡降的變化規律。王亞輝[5]以有限元軟件ABAQUS為工具，研究了壩下涵管有無截水環和截水環在什么位置對壩體滲流的影響。王保田等[6]通過試驗模擬研究帶有懸掛式防滲墻的二元結構地基的滲流特性。陳群等[7]利用自主研制的環狀徑向水平滲透儀，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生、發展過程。姜伏偉[8]、范德吞[9]、陶同康等[10]提出了無黏性土層間的接觸沖刷水力坡降計算公式。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算公式。文章在前人研究的基礎上，以某土石壩埋管壩段為工程背景，利用數值模擬軟件ABAQUS對涵管壩段的滲流場進行數值模擬，以期為工程實踐提供參考。

1 數值模擬

1.1 滲流基本理論

1856年，法國工程師Darcy[13- 14]通過試驗研究了水在沙土中的流動，提出如下關系式：

(1)

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

1.2 計算模型及材料參數

1.2.1計算模型

某平原水庫圍壩為復合土工膜防滲體斜墻砂壤土均質壩，圍壩軸線全長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，進口底高程為3.0m，洞底平坡。為研究方便，在涵管周圍設置了0.5m厚的土層，改變該土層的滲透系數來模擬涵管周圍回填土的填筑質量，并考慮在涵管沿水流方向的頂部和底部設置截水環。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格圖

1.2.2材料參數

表1 涵管壩段的滲流參數

除此以外，在ABAQUS中模擬滲流還需要設置折減系數與土體飽和度的關系以及基質吸力與飽和度的關系，如圖2所示。

圖2 滲流參數關系圖

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，下游面設為排水邊界，其余面默認為不透水邊界，固定所有單元節點的三向位移。

2 計算結果分析

為了研究涵管橫向裂縫對涵管周圍土體滲流場的影響，考慮涵管周圍0.5m土體的滲透系數分別為10-6、5×10-7、10-7、5×10-8m/s，以及未設置截滲環四種工況下，研究涵管周圍土體的滲流要素變化規律。

由圖3可知，當涵管出現橫向裂縫時，涵管頂部接觸土體的滲流速度呈臺階型變化規律：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，到達第一個裂縫時滲流速度達到最大值，之后急劇減小，再緩慢增加，到達第二個斷裂縫時急劇增加，之后急劇減小，再緩慢增加。隨著涵周填土滲透系數的不斷增大，裂縫處的滲流速度也在不斷增大。當涵周填土的滲透系數為10-7m/s時，相比于完整的涵管，涵管出現橫向裂縫時，涵管頂部接觸土體的滲流速度在裂縫處出現驟升驟降現象，滲流速度最大值發生在第一個裂縫處，出口處的滲流速度非常小。這可能是因為裂縫處孔壓力幾乎為零，裂縫周圍的土顆粒被吸到涵管內，使得該處土顆粒的滲流速度發生急劇變化：對于裂縫上游側的土顆粒來說，滲流速度受到同向的吸力作用，所以急劇增大，對于裂縫下游側的土顆粒來說，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，當涵管斷裂時，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律，在裂縫處也出現驟升驟降現象：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，到達第一個斷裂縫時滲流速度達到最大值，之后急劇減小，再緩慢增加，到達第二個斷裂縫時急劇增加，之后急劇減小，再緩慢增加。隨著涵周填土滲透系數的不斷增大，裂縫處的滲流速度也在不斷增大。當涵周填土的滲透系數為10-7m/s時，相比于完整的涵管，涵管出現橫向裂縫時，涵管底部接觸土體的滲流速度在裂縫處出現驟升驟降現象，滲流速度最大值發生在第一個裂縫處，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，當涵管斷裂時，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律，在裂縫處出現“折斷”現象：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的不斷增大，進口處初始孔壓力不斷減小，并沿程保持這種變化。當涵周填土的滲透系數為10-7m/s時，涵管完整時涵管頂部接觸土體的孔壓力沿程大于涵管斷裂時的孔壓力，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，當涵管斷裂時，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律，在裂縫處出現“折斷”現象：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不斷增大，進口處初始孔壓力不斷減小，但是差別很小。當涵周填土的滲透系數為10-7m/s時，涵管完整時涵管頂部接觸土體的孔壓力沿程與涵管斷裂時的孔壓力幾乎一致。

圖6 涵管底部接觸土體孔壓力圖

由圖7可知，當涵管斷裂時，涵管頂部土體的滲透坡降呈臺階型的變化規律：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，到達第一個斷裂縫時滲透坡降達到最大值，之后急劇減小，再緩慢增加，到達第二個斷裂縫時急劇增加，之后急劇減小，再緩慢增加。隨著涵周填土滲透系數的不斷增大，裂縫處的滲透坡降也在不斷增大。當涵周填土的滲透系數為10-7m/s時，相比于完整的涵管，涵管出現橫向裂縫時，涵管頂部接觸土體的滲透坡降在裂縫處出現驟升驟降現象，滲透坡降最大值發生在第一個裂縫處，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，當涵管斷裂時，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律，在裂縫處出現驟升驟降現象：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，到達第一個斷裂縫時滲透坡降達到最大值，之后急劇減小，再緩慢增加，到達第二個斷裂縫時急劇增加，之后急劇減小，再緩慢增加。隨著涵周填土滲透系數的不斷增大，裂縫處的滲透坡降也在不斷增大。當涵周填土的滲透系數為10-7m/s時，相比于完整的涵管，涵管出現橫向裂縫時，涵管底部接觸土體的滲透坡降在裂縫處出現驟升驟降現象，滲透坡降最大值發生在第一個裂縫處，為1.53，出口處的滲透坡降略小于完整涵管下的滲透坡降。對比涵管斷裂時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，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，這是因為滲透系數越大，更多的滲水流進涵管內，所以壩段土體的滲流量減小。

圖9 涵管壩段滲透量

3 結論

(1)當涵管出現橫向裂縫時，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，到達第一個裂縫時滲流速度達到最大值，之后急劇減小，再緩慢增加，到達第二個斷裂縫時急劇增加，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生急劇變化，大大超過土體的允許坡降，隨著時間的推移，將會發生滲透破壞。

(3)涵管斷裂后產生的滲透破壞會大大影響該壩段的安全穩定性，在日常維護過程中應該多注意涵管壩段下游的滲漏量，做好預防工作。