堤防管涌滲流場響應特征的數值模擬

劉 勝,王 媛,馮 迪

(1.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098; 2.河海大學土木與交通學院,江蘇 南京 210098)

堤防工程是我國防洪體系的重要基礎,在保護沿岸人民生命財產安全方面起到了重要作用。管涌作為一種主要的堤防滲透破壞形式,嚴重威脅堤防的安全運行。狹義的管涌是指在滲流作用下土體中的細土粒在粗土粒形成的孔隙通道中發生移動并被帶出的現象[1]。工程中常將堤防背水側地面被其下承壓水頂穿形成孔洞冒水涌沙的現象稱為管涌[2],為了說明方便,本文中的管涌指工程中堤防冒水涌沙的滲透破壞行為。

國內外學者針對堤防管涌開展了大量的研究[3]。例如:劉洪辰等[4]采用管涌砂槽模型試驗研究了覆蓋層及其與砂層接觸面特性對堤基管涌發生發展的影響;倪小東等[5]基于透明土技術與顆粒流方法聯合開展了管涌細觀機理的研究;Akrami等[6]研究了粗砂屏障對管涌發生發展機理的影響。目前對堤防管涌的研究主要關注管涌發生發展的機理,對管涌發生前后堤防滲流場變化的研究較少。管涌發生后周圍土體的滲流場會發生相應變化[7-8],研究管涌發生后孔隙水壓力(簡稱孔壓)的響應特征,對于進一步認識管涌機理和監測識別管涌險情具有重要意義。

管涌險情的識別和預測對防汛搶險至關重要。明攀等[9]研究了管涌發生過程中聲發射信號的變化規律,發現在管涌發生時聲發射信號參數存在明顯的特征變化,可據此對管涌進行預報;Bersan等[10]研究了光纖分布式溫度傳感器在堤防管涌監測中的應用。一些學者研究了基于紅外熱成像技術的堤壩滲漏險情探測方法[11],但這些方法大多處于研究階段。目前汛期堤防管涌險情的巡查主要靠人海戰術,不僅消耗大量人力,而且效率較低。研究基于孔壓響應特征的管涌監測方法,對于快速識別管涌險情、提升搶險效率具有重要意義。

為了減小室內試驗帶來的尺寸效應,本文采用數值模擬方法研究管涌發生后堤防的滲流場響應特征,研究管涌發生后堤防不同深度和水平位置處的孔壓變化規律,分析管涌位置和管涌通道尺寸對管涌發生后堤防孔壓變化的影響,以期提出基于孔壓變化特征快速識別堤防管涌險情的思路,得到可用于堤防管涌監測的孔壓測量設備合理布設區域。文中將堤基內形成豎向管涌通道后的堤防滲流場作為管涌發生后的滲流場。

1 模擬方法

對堤防發生管涌后的滲流場計算已有了大量的研究。張健等[12-13]將管涌通道看作完整井或非完整井,推導管涌發生后的堤防滲流場理論公式,這些理論公式使用方便,但適用性有限,無法考慮復雜的地質條件和堤身結構對滲流場的影響。王霜等[14-15]將管涌通道的滲透系數進行放大,在整個計算區域采用達西滲流理論計算堤防的滲流場,這種方法操作簡單,但是管涌通道滲透系數的科學確定比較困難。王大宇等[16]在管涌通道區域采用管流理論,在其他區域采用達西滲流理論計算,管流和達西滲流區域公共邊界上水頭相等、流量大小相等且方向相反,這種計算方法更加精確,但是需要耦合計算,計算代價較大。

管涌發生后,由于與地表連通的豎直管涌通道內水流流速較小,為兼顧計算效率和精度,本文不考慮管涌發生后豎直管涌通道內的水頭損失,以地面為零位置水頭面,管涌通道邊界的總水頭為零,刪除管涌通道內的介質,其余區域采用達西滲流理論計算堤防的滲流場。

1.1 方法驗證

以王霜等[17-18]的管涌模型槽試驗為參考進行數值模擬,驗證所提出模擬方法的合理性。數值模擬中模型參數的選取參考文獻[17-18],數值計算模型如圖1所示,模型長73cm,寬、高均為30cm。模型頂部為厚5cm的黏土層,滲透系數為5.0×10-6m/s,下部為砂土層,滲透系數為8.7×10-5m/s。模型左側為進水室,以模型頂面為零位置水頭面,模型左側的總水頭為23.4cm。模型頂面預設一管涌通道,管涌通道直徑和深度均為5cm,管涌通道中心與模型右側邊界的距離為20cm。模型中設置7個測壓點,測壓點與模型頂面和側邊間的距離均為10cm。模型左側設置為總水頭為23.4cm的邊界條件,管涌通道邊界設置為總水頭為0的邊界條件,其余邊界均為不透水邊界,進行穩態達西滲流計算。

不同測壓點處總水頭的試驗值和數值解如表1所示。由表1可知,測壓點處總水頭的試驗值和數值解基本一致,僅在4號測壓點處兩者有一定偏差,在該測壓點處總水頭的數值解比試驗值低5.7%,仍在可接受的范圍內,因此本文中采用的數值模擬方法在管涌發生后的堤防滲流場的模擬上是可行的。

表1 測壓點處總水頭的試驗值和數值解

1.2 模型設置

為減小尺寸效應給滲流場計算帶來的影響,建立場地尺度的堤防數值模型,如圖2所示。選用典型的二元堤基堤防結構,具體尺寸參考GB5028—2013《堤防工程設計規范》和文獻[19],堤頂寬6m,堤身高8m,堤身迎水坡和背水坡的坡度均為1∶3,堤基長320m、寬100m,背水坡堤基長度為4倍的堤身底部寬度。覆蓋層厚3m,滲透系數為3.0×10-6m/s,下臥層厚25m,滲透系數為3.0×10-4m/s。在堤腳附近管涌口位置設置豎向管涌通道,管涌通道位于模型寬度的中間位置。

圖2 堤防場地尺度數值模型(單位:m)

滲流場計算中邊界條件的設置如下:以堤基表面為零位置水頭面,將堤防迎水坡和迎水坡側堤基頂面設置為總水頭為7m的邊界條件,模擬設計洪水位的情況,將堤防背水坡側堤基頂面和管涌通道邊界設置為總水頭為0的邊界條件,將堤防背水坡設置為自由溢出邊界,其余邊界設置為不透水邊界。將管涌通道周邊位置網格進行加密,計算管涌發生后堤防穩定滲流場。上覆黏土層被承壓水頂穿后滲流場是一個非穩定滲流的過程,最終趨于穩定,本文采用穩定滲流分析,模擬的是上覆黏土層被承壓水頂穿后滲流場穩定的工況。

2 結果與分析

分別計算堤防發生管涌前后的滲流場,分析堤防不同位置處孔壓的變化規律。為了解管涌通道周圍不同位置處孔壓的響應規律,以堤防的截面A和截面B(圖3(a)(b))為代表(截面A為通過管涌通道中心的軸向截面,截面B為通過管涌通道中心的橫向截面),分析不同位置處的孔壓變化規律。截面A上設置測線Ⅰ和測線Ⅱ兩條水平測線(圖3(c))。截面B上設置4條測線(圖3(d)),測線Ⅲ和測線Ⅳ為豎向直線,測線Ⅴ和測線Ⅵ為水平直線。

圖3 堤防典型截面及測線示意圖

2.1 管涌發生后不同深度處孔壓變化規律

管涌通道直徑設置為1m,深度設置為3m,完全貫通覆蓋層,管涌通道邊緣與堤腳的距離設置為1m,計算該工況下堤防的滲流場。選用截面B上的兩條豎向直線為測線,測線Ⅲ通過管涌通道中心,測線Ⅳ位于管涌通道右側,距管涌通道右邊緣1m。管涌發生后兩條測線上不同深度處孔壓變化情況如圖4所示。管涌發生后,堤防不同位置處的孔壓均出現一定程度的降低。在測線Ⅲ上,隨著測點深度的增加,孔壓降低值不斷減小,且減小幅度逐漸降低。越靠近管涌通道底部,孔壓降低值越大,管涌發生后管涌通道底部孔壓降低了2.199m,降低42.3%;孔壓降低率(指管涌發生后的孔壓相對于沒有發生管涌時孔壓降低的百分比)變化規律與孔壓降低值變化規律相似。

圖4 管涌發生后堤防不同深度處孔壓變化

在測線Ⅳ上,隨著測點深度的增大,孔壓降低值先增大后減小,管涌通道底部上側1m處(距離地表2m)孔壓降低值最大,為0.557m,降低16.1%。管涌通道底部對應的深度處(距離地表3m)孔壓降低0.538m,降低10.4%。隨著測點深度的增大,孔壓降低率逐漸減小。相同深度處測線Ⅲ上測點的孔壓降低值大于測線Ⅳ,兩條測線上管涌通道底部以下4.9m范圍內的孔壓降低值均大于0.2m。綜上所述,當管涌通道貫通覆蓋層后,管涌通道底部及其上部1m范圍內孔壓有較大幅度的降低,可作為監測管涌發生的孔壓測量設備埋設深度范圍。

2.2 管涌發生后不同水平位置處孔壓變化規律

管涌通道直徑設置為1m,深度設置為3m,完全貫通覆蓋層,管涌通道邊緣與堤腳距離設置為1m,計算該工況下堤防的滲流場。選用截面B上兩條水平直線為測線,測線Ⅴ通過管涌通道底部,測線Ⅵ位于管涌通道底部以上1m處。管涌發生后兩條測線上不同位置處的孔壓變化如圖5所示,當測點位于管涌通道左側時,測點與管涌通道邊緣的距離設為負值。管涌發生后,越靠近管涌通道位置孔壓降低值越大,隨著測點與管涌通道距離的增大,孔壓降低值的減小逐漸變緩。管涌通道兩側與管涌通道距離相同位置處的孔壓變化基本一致。

圖5 管涌發生后堤防截面B上不同水平位置處孔壓變化

對管涌發生后截面B上兩條測線不同位置處孔壓變化數據進行分析,管涌通道左側測點的孔壓降低值稍大于右側距離相同位置處,但孔壓降低率稍小于右側距離相同位置處。當測線位于管涌通道底部時(測線Ⅴ),管涌通道邊緣處孔壓降低值為2.213m,降低率為42.5%;管涌通道邊緣兩側3m范圍內孔壓降低值大于0.26m,降低率不小于5%;管涌通道邊緣兩側16m范圍內孔壓降低值不小于0.1m。當測線位于管涌通道底部以上1m時(測線Ⅵ),管涌通道邊緣處孔壓降低值為1.567m,降低率為43.9%;管涌通道邊緣兩側3m范圍內孔壓降低值大于0.19m,降低率不小于5.8%;管涌通道邊緣兩側7m范圍內孔壓降低值大于0.1m。

當測點與管涌通道邊緣距離大于1m時,與測線Ⅵ上測點相比,測線Ⅴ上測點的孔壓降低值更大,但降低率更小。對于測線Ⅴ和測線Ⅵ上的測點,管涌通道兩側孔壓降低率不小于5%的范圍分別為3.0m和3.6m,測線Ⅵ上測點的范圍比測線Ⅴ大0.6m。

選用截面A上的兩條水平直線為測線,測線Ⅰ通過管涌通道底部,測線Ⅱ位于管涌通道底部以上1m處。管涌發生后兩條測線上不同位置處孔壓變化情況如圖6所示,當測點位于管涌通道左側時,測點與管涌通道邊緣的距離設為負值。管涌發生后,越靠近管涌通道位置孔壓降低值越大,隨著測點與管涌通道距離的增大,孔壓降低值的減小逐漸變緩;管涌通道兩側與管涌通道距離相同位置處的孔壓變化基本一致。

圖6 管涌發生后堤防截面A上不同水平位置處孔壓變化

對管涌發生后截面A上兩條測線不同位置處的孔壓變化數據進行分析,當測線位于管涌通道底部時(測線Ⅰ),管涌通道邊緣處孔壓降低值為2.199m,降低率為42.3%;距管涌通道邊緣3m位置處孔壓降低值為0.264m,管涌通道邊緣兩側3m范圍內孔壓降低率大于5%;管涌通道邊緣兩側19m范圍內孔壓降低值不小于0.1m。當測線位于管涌通道底部以上1m時(測線Ⅱ),管涌通道邊緣處孔壓降低值為1.524m,降低率為43.2%;距管涌通道邊緣3m位置處孔壓降低值為0.201m,管涌通道邊緣兩側3.5m范圍內孔壓降低率大于5%;管涌通道邊緣兩側8m范圍內孔壓降低值大于0.1m。

當測點與管涌通道邊緣距離大于1m時,與測線Ⅱ上測點相比,測線Ⅰ上測點的孔壓降低值更大,但降低率更小。對于測線Ⅰ和測線Ⅱ上的測點,管涌通道兩側孔壓降低率不小于5%的范圍分別為3.1、3.5m,測線Ⅱ上測點的范圍比測線Ⅰ大0.4m。以孔壓降低率閾值作為判別管涌發生的指標時,將孔壓監測設備置于測線Ⅱ上監測范圍更大,以孔壓降低值閾值作為判別管涌發生的指標時,將孔壓監測設備置于測線Ⅰ上監測范圍更大。

2.3 管涌位置的影響

改變管涌通道與堤腳的距離計算堤防滲流場,分析管涌通道位置對管涌發生后堤防不同位置孔壓變化的影響。管涌通道直徑設為1m,深度設為3m,管涌通道完全貫通覆蓋層。定義管涌通道邊緣與堤腳的距離為d,d分別取為1、5、10、20、50m。選用堤防截面A測線Ⅰ上測點作為代表分析管涌發生后孔壓的變化規律,管涌通道距堤腳不同距離時測線Ⅰ上測點孔壓降低值如圖7(a)所示。管涌通道與堤腳距離不同時,測線上孔壓變化規律相似,越靠近管涌通道,孔壓降低值越大。當d分別為1、5、10、20、50m時,測線Ⅰ上距管涌通道邊緣3m處孔壓降低值分別為0.264、0.249、0.233、0.204、0.144m;管涌通道距堤腳越遠,與管涌通道距離相同位置處孔壓降低值越小。

圖7 管涌通道與堤腳距離不同時管涌發生后測線Ⅰ上測點孔壓變化

管涌通道與堤腳距離不同時,管涌發生后堤防截面A測線Ⅰ上測點孔壓降低率見圖7(b)。管涌通道兩側距離相同位置處孔壓變化基本一致,越靠近管涌通道,孔壓降低率越大。隨著管涌通道與堤腳距離的增大,與管涌通道距離相同位置處孔壓降低率逐漸減小,當d從1m增大到50m時,與管涌通道邊緣相距3m位置處的孔壓降低率從5.1%降低到3.4%。當d分別為1、5、10、20、50m時,管涌通道兩側孔壓降低率不小于5%的范圍分別為3.1、2.9、2.7、2.4、1.7m(截面A測線Ⅰ上測點)。管涌通道與堤腳的距離越大,發生管涌后管涌周邊位置孔壓降低值和降低率越小,使用孔壓監測設備監測管涌發生的監測范圍就越小。

2.4 管涌尺寸的影響

改變管涌通道直徑計算堤防滲流場,分析管涌通道尺寸對管涌發生后堤防不同位置孔壓變化的影響。數值模擬中管涌通道邊緣與堤腳的距離設為1m、深度設為3m,管涌通道完全貫通覆蓋層。管涌通道直徑分別取0.5、1、2m。選用堤防截面A測線Ⅰ上測點作為代表分析管涌發生后孔壓的變化規律,不同管涌通道直徑條件下管涌發生后測線Ⅰ上測點孔壓降低值如圖8(a)所示。管涌通道直徑不同時,測線上孔壓變化規律相似,越靠近管涌通道,孔壓降低值越大。當管涌通道直徑分別為0.5、1、2m時,測線Ⅰ上距管涌通道邊緣3m處孔壓降低值分別為0.136、0.264、0.510m,管涌通道直徑越大,與管涌通道距離相同位置處孔壓降低值越大。當管涌通道直徑分別為0.5、1、2m時,測線Ⅰ上管涌通道兩側孔壓降低值大于0.2m對應的范圍分別為1.6、4.6、16.8m。

不同管涌通道直徑條件下,管涌發生后測線Ⅰ上測點孔壓降低率見圖8(b)。越靠近管涌通道,孔壓降低率越大。隨著管涌通道直徑的增大,與管涌通道距離相同位置處孔壓降低率顯著增加,當管涌通道直徑從0.5m增大到2m時,與管涌通道邊緣相距3m位置處的孔壓降低率從2.6%增加到9.8%。當管涌通道直徑分別為0.5、1、2m時,管涌通道兩側孔壓降低率不小于5%的范圍分別為1.1、3.1、9.2m(截面A測線Ⅰ上測點)。管涌通道直徑越大,發生管涌后管涌通道周邊位置孔壓降低值和降低率越大,使用孔壓監測設備監測管涌發生的監測范圍就越大。

3 討 論

目前我國汛期堤防管涌險情的巡查主要靠人海戰術,管涌險情搶險效率低,如何根據管涌險情關鍵參數的響應特征對其進行快速識別,提升防汛搶險效率,是工程中亟須解決的難題。當堤防外水位不變時,管涌發生后,堤防不同位置處的孔壓會發生一定程度的降低。因為管涌險情的出現一般具有突發性,若埋設在堤防周邊的滲壓計讀數突然降低,可能是由于附近區域發生了管涌,可利用堤防孔壓的監測數據快速識別管涌險情的發生。

由前文分析可知,當管涌發生后,管涌通道底部及其上部1m范圍內的孔壓有較大幅度的降低,可將覆蓋層底部及以上1m范圍作為監測管涌發生的孔壓測量設備埋設深度范圍。管涌發生后,與管涌通道底部以上1m深度處相比,管涌通道底部所在深度的孔壓降低值更大,但孔壓降低率更小。以孔壓降低率的閾值作為判別管涌發生的指標時,將孔壓測量設備置于管涌通道底部以上1m深度時,監測效果更好;以孔壓降低值的閾值作為判別管涌發生的指標時,將孔壓測量設備置于管涌通道底部深度時監測效果更好。

管涌發生后,同一水平面上與管涌通道距離相同的位置處孔壓降低值近似相等,管涌通道與堤腳的距離越大,發生管涌后管涌周邊位置孔壓降低值和降低率越小。可根據此規律對管涌的發生進行監測。例如:在本文數值模擬設置的條件下,當管涌通道邊緣與堤腳距離為5m,且管涌通道的直徑為1m時,在管涌通道底部所在的平面內,管涌發生后以管涌通道中心為圓心,四周2.9m范圍的孔壓降低率均不小于5%;以孔壓降低率大于等于5%為管涌發生的閾值,將滲壓計埋設在覆蓋層下側,若距堤腳2.1m處滲壓計孔壓降低率均大于5%,說明滲壓計方圓2.9m范圍內有直徑1m以上的管涌發生。

4 結 論

a.管涌發生后,堤防不同位置處的孔壓均出現一定程度的降低。管涌通道底部及其上部1m深度范圍內孔壓降低幅度較大,可作為監測管涌發生的孔壓測量設備埋設深度范圍。

b.管涌發生后,同一水平面上與管涌通道距離相同的位置孔壓變化基本一致,越靠近管涌通道位置孔壓降低值越大,隨著測點與管涌通道距離的增大,孔壓降低值的減小逐漸變緩。

c.管涌通道與堤腳的距離越大,發生管涌后管涌周邊位置孔壓降低值和降低率越小。管涌通道尺寸對管涌后堤防滲流場影響較大,隨著管涌通道直徑增大,發生管涌后管涌通道周邊位置孔壓降低值和降低率顯著增大。