白蟻巢對土石壩滲流影響分析

紀 娟

(嶺南水務集團有限公司，北京 100068)

由于白蟻巢會在土石壩外部筑造泥被，使土石壩內部產生腔巢，嚴重影響土石壩的安全性及穩定性。近年來，許多專家學者針對白蟻巢對土石壩的穩定性影響開展相關研究。

陸俊等人[1]基于綜合物探法，研究白蟻對堤壩產生的危害。臧德記等人[2]以某地區水庫和土壩為研究對象，對其進行電阻率檢測，以探測其結構內部的白蟻巢穴情況。吳高偉等人[3]以某地區大堤為研究對象，針對性地對其進行白蟻防治實驗，以驗證防治效果的可靠性與安全性。夏旭東等人[4]以水電站為研究對象，基于IPM技術，對水電站的白蟻防治效果進行分析，驗證了IPM技術的可行性。張紅旭[5]以某地區水庫堤壩為研究對象，采用無損探測修復技術，對水庫堤壩的白蟻危害情況進行防治，為后續的白蟻防治提供了理論依據及技術支持。

本文基于有限元軟件，研究白蟻巢穴對土石壩滲流情況的影響，分析有無蟻巢下，土石壩內部滲流孔壓及滲流速度的變化情況，對比分析不同蟻道類型對土石壩內部滲流孔壓及滲流速度的影響。

1 土石壩有限元模型

本研究通過有限元軟件，對土石壩進行有限元建模，分析其滲流情況。土石壩有限元相關參數如表1所示。

表1 土石壩相關參數

由于白蟻巢會使土石壩內部產生腔巢，當水位線上漲時，水會隨著白蟻巢進入土石壩內部，在其內部形成滲流通道，從而影響土石壩的滲流情況。不同型式的白蟻巢在土石壩內部的結構型式不同，對土石壩的滲流情況的影響程度也不同，本研究將白蟻巢分為虹吸式、直通式和串通式，研究不同型式白蟻巢對土石壩的滲流影響。

虹吸式蟻巢的兩端蟻道較低，中部蟻道最高，且蟻巢位于蟻道的下部，當水位上漲時，只有水位超過中部最高蟻道時，土石壩內部才會有滲流現象。直通式蟻巢的蟻道呈直線，蟻巢位于蟻道上部，由于上下部蟻道存在高差，且蟻道上下貫通，當水位上升時，滲流速度較大，土石壩在滲流作用下，容易發生結構破壞。串聯式蟻巢的蟻巢位于蟻道內部，一段蟻道為水平，一段蟻道為傾斜，由于其蟻道存在高差，當水位上升時，土石壩內形成滲流現象，且水流速度較快，從而影響土石壩的內部結構，使其發生破壞。蟻巢與土石壩的材料參數如表2所示。

2 蟻巢對土石壩滲流影響

2.1 蟻巢對滲流孔壓的影響

將蟻巢視為圓柱體，研究其與土石壩接觸點的滲流孔壓，并對其表面的點進行編號，對其進行有限元分析，其滲流孔壓變化如圖1所示。

表2 蟻巢與土石壩的材料參數

由圖可知，隨特征節點編號的增大，蟻巢周圍的滲透孔壓呈先增大，后減小的趨勢，當特征節點編號為25時，有最大滲透孔壓。當特征節點小于25時，無蟻巢的滲流孔壓大于有蟻巢的滲流孔壓；當特征節點大于25時，有蟻巢的滲流孔壓大于無蟻巢的滲流孔壓。有無蟻巢的滲流孔壓曲線差距較小，說明蟻巢的存在對土石壩的滲流孔壓有一定的影響，但是其影響程度較小。

圖1 蟻巢周圍滲流孔壓

2.2 蟻巢對滲流速度的影響

圖2分別為當蟻巢位于浸潤線以上和以下時的蟻巢周圍的滲流速度。

由圖2可知，隨著特征節點編號的增大，蟻巢周圍的滲流速度呈先上升、后下降的趨勢，當特征節點編號為25時，有蟻巢周圍最大滲流速度。有蟻巢時的滲流速度大于無蟻巢時的滲流速度，說明蟻巢的存在對土石壩的滲流速度會產生一定的影響。當處于浸潤線以下時，有蟻巢和無蟻巢的滲流速度均大于處于浸潤線以上的滲流速度，這是由于，當處于浸潤線以下時，水會進入蟻巢內部，而蟻巢的滲透系數較大，從而在土石壩內部形成滲流，使土體處于飽和狀態，所以浸潤線以上的有蟻巢滲流速度小于浸潤線以下的有蟻巢滲流速度；且當處于浸潤線以下時，水位存在高差，使無蟻巢的滲流速度大于浸潤線以上的無蟻巢滲流速度。當處于浸潤線以上時，有蟻巢和無蟻巢的滲流系數差距較大，當處于浸潤線以下時，有蟻巢和無蟻巢的滲流系數差距較小，說明在浸潤線以上時，蟻巢對于土石壩內部滲流速度的影響較大。

2.3 不同類型蟻道對滲流孔壓的影響

為研究不同類型蟻道對土石壩滲流孔壓的影響，對土石壩進行有限元分析，不同類型蟻道蟻巢周圍的滲流孔壓如圖3所示。

圖2 蟻巢周圍滲流速度

圖3 不同類型蟻道滲流孔壓

由圖3可知，隨特征節點編號的增大，蟻巢周圍的滲流孔壓呈先增大后減小的趨勢，當特征節點在25左右時，有最大滲流孔壓。在不同的浸潤線情況下，僅有蟻巢的滲流孔壓最大，當在浸潤線以上時，串聯巢穴的滲流孔壓最小，當在浸潤線以下時，直通巢穴的滲流孔壓最小。當蟻巢位于浸潤線以上時，虹吸巢穴與直通巢穴滲流孔壓曲線相近，四種不同類型蟻道的滲流孔壓差距較大，當蟻巢位于浸潤線以下時，虹吸蟻巢、直通蟻巢和串聯蟻巢滲流孔壓差距較小，曲線較為接近，以上三種蟻巢與僅有蟻巢的滲流孔壓差距較大。說明當蟻巢位于浸潤線以下時，不同類型的蟻道對土石壩蟻巢周圍的滲流孔壓影響較大，且影響規律具有一致性。當蟻巢位于浸潤線以上時，串聯蟻巢對滲透孔壓的影響最大，直通蟻巢和虹吸蟻巢對滲透孔壓的影響次之，且其影響規律具有一致性。當蟻巢位于浸潤線以下時，土體處于飽和狀態，土體內發生滲流，由于直通蟻巢水位存在高差，且蟻道上下貫通，對蟻巢周圍的滲流孔壓影響較大。

2.4 不同蟻道對滲流速度的影響

為研究不同類型蟻道對滲流速度的影響，對土石壩進行有限元分析，當蟻巢位于浸潤線以上時，不同類型蟻道蟻巢周圍的滲流速度如圖4所示。

圖4 不同類型蟻巢對滲流速度的影響(浸潤線以上)

由圖4可知，僅有蟻巢的土石壩滲流速度和直通巢穴的蟻巢周圍的土石壩滲流速度變化曲線趨勢類似，均呈現先增大、后減小的趨勢，當特征節點編號為25時，有最大滲流速度。虹吸巢穴與串聯巢穴的蟻巢周圍的滲流速度變化曲線趨勢類似，其曲線變化趨勢呈“M”形，當特征節點編號為15左右時，存在最大滲流速度。串聯巢穴的最大滲流速度最大，為9.2×10-3m/s，直通巢穴次之，最大滲流速度為2.7×10-6m/s，再次為僅有蟻巢，最大滲流速度為1.7×10-3m/s，虹吸巢穴最小，最大滲流速度為1.3×10-6m/s。這是由于，串聯式蟻巢的蟻巢位于蟻道內部，蟻道內存在高差，當水位上升時，土石壩內形成滲流現象，且水流速度較快，導致其滲流速度較大。直通式蟻巢的蟻道呈直線，蟻巢位于蟻道上部，由于上下部蟻道存在高差，且蟻道上下貫通，當水位上升時，其滲流速度較大。

為研究不同類型蟻道對滲流速度的影響，對土石壩進行有限元分析，當蟻巢位于浸潤線以下時，不同類型蟻道蟻巢周圍的滲流速度如圖5所示。

圖5 不同類型蟻巢對滲流速度的影響(浸潤線以下)

由圖5可知，僅有蟻巢的滲流速度和直通巢穴的蟻巢周圍的滲流速度變化曲線趨勢類似，虹吸巢穴與串聯巢穴的蟻巢周圍的滲流速度變化曲線趨勢類似，其曲線變化趨勢呈“M”形。在蟻巢低于浸潤線時，三種不同蟻道的滲流速度均大于僅有蟻巢的滲流速度，說明蟻道的存在顯著影響了土石壩內部的滲流速度。這是由于，串聯式蟻巢蟻道存在高差，當水位上升時，土石壩內形成滲流現象，且水流速度較快，導致其滲流速度較大。

3 結 論

本文基于有限元軟件，研究白蟻巢穴對土石壩滲流情況的影響，分析有無蟻巢下，土石壩內部滲流孔壓及滲流速度的變化情況，對比分析不同蟻道對土石壩內部滲流孔壓及滲流速度的影響。結論如下:

(1)特征節點編號的增大，蟻巢周圍的滲透孔壓呈先增大、后減小的趨勢，當特征節點編號為25時，有最大滲透孔壓。有無蟻巢的滲流孔壓曲線差距較小，蟻巢的存在對土石壩的滲流孔壓有一定的影響，但是其影響程度不大。

(2)當處于浸潤線以下時，有蟻巢和無蟻巢的滲流速度均大于處于浸潤線以上的滲流速度，這是由于，蟻巢的滲透系數較大，當處于浸潤線以下時，水會進入蟻巢內部，從而在土石壩內部形成滲流，使土體處于飽和狀態。

(3)在不同的浸潤線情況下，僅有蟻巢的滲流孔壓最大，當在浸潤線以上時，串聯巢穴的滲流孔壓最小，當在浸潤線以下時，直通巢穴的滲流孔壓最小。當蟻巢位于浸潤線以下時，土體處于飽和狀態，土體內發生滲流，由于直通蟻巢水位存在高差，且蟻道上下貫通，對蟻巢周圍的滲流孔壓影響較大。

(4)僅有蟻巢的滲流速度和直通巢穴的蟻巢周圍的滲流速度變化曲線趨勢類似；虹吸巢穴與串聯巢穴的蟻巢周圍的滲流速度變化曲線趨勢類似，其曲線變化趨勢呈“M”型。串聯巢穴滲流速度最大，串聯式蟻巢的蟻巢位于蟻道內部，由于其蟻道存在高差，當水位上升時，土石壩內形成滲流現象，導致其滲流速度較大。