基于臨界水力梯度接近度的工程管涌危險程度量化研究

錢葉琳, 蘇 穎, 張振華, 李長春, 王磊磊, 徐 陽

(1.安徽省路港工程有限責任公司,安徽 合肥 230031; 2.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

水利工程在建設或者運行期間時常發生管涌。1998年長江全流域發生特大洪水,中下游堤防險情73 800余處,長江流域干堤發生較大管涌872處,占較大險情的51.2%,直接經濟損失達1 500億元[1]。2016年全國大范圍地區出現的持續強降雨汛情中,湖北、湖南、江西、安徽、四川等多地共發現并治理了608處堤壩管涌決口,并對長達37.5萬余米的堤防大壩進行了加固[2]。某基坑在開挖過程中坑內涌水涌砂2 800 m3,地面塌陷500 m2,深6～8 m,搶險歷時6 d,動用搶險人員累計2 000余人次,不僅影響施工工期,而且嚴重影響到附近高層建筑的安全,造成了巨大的經濟損失[3]。

目前對于管涌的研究主要集中在土體發生管涌的臨界條件以及工程中管涌發生危險性的研究上[4-5]。文獻[6]以單個土顆粒為研究對象,按照滲透力與土顆粒浮重間的極限平衡推導出砂礫土臨界水力梯度計算公式;文獻[7]考慮多孔介質中的流動,并與伯努利方程和臨界牽引應力條件耦合,建立了計算臨界水力梯度的模型;文獻[8]采用泥沙顆粒滾動理論,同時考慮土壤顆粒的相對暴露程度和滲流方向建立二維滲流模型,預測了土壤顆粒運動的臨界水力梯度;文獻[9]利用多個方程構建層流管道模型,得出反向侵蝕導致堤壩破壞的臨界水力梯度公式;文獻[10]根據相對運動原理,推導出考慮周圍粒子受水流拖拽力影響的無黏性土臨界水力梯度;文獻[11]將蒙特卡羅法與有限差分法相結合進行程序開發,用于預測蓄水后土石壩發生管涌的可能性,并通過案例對程序進行驗證;文獻[12]考慮水力參數的不確定性,開發了一種基于簡單脆弱性指數的程序,并通過工程實例論證了該程序的可行性;文獻[13]基于微震鏈陣列調查結果可揭示滑坡與堤壩的內部結構以及自電位調查結果可顯示異常滲流帶的路徑,采用微震鏈陣列與自電位測量方法來預測滑坡以及大壩發生管涌的可能性;文獻[14]通過研究管涌發展過程中聲發射特征,得出聲發射信號的活動與管涌不同階段有關的結論,據此將聲發射信號作為監測管涌發展的指標來判斷管涌發生的危險程度。

然而在工程上臨界水力梯度通常用于判定出險部位是否發生了管涌,但不能對管涌區以外區域進行管涌危險性識別;現有的管涌危險性預測方法不能達到定量預測的效果,在工程中應用具有一定的局限性。因此有必要提出一種可以定量判別工程中發生管涌危險程度的方法,以此為防滲加固措施的實施提供科學依據。本文基于土體發生管涌的水力條件[2]提出臨界水力梯度接近度指標,該指標可以定量判別土體發生管涌的危險程度,從而得出管涌危險區分布,并結合工程實例對該指標進行合理性論證。

1 工程概況

某船閘基坑東西長457.0 m,南北寬112.0 m,基坑上閘首底部設計開挖高程為17.0 m,臨近河道水位高32.5 m。基坑在開挖之前沿四周實施一道高壓擺噴墻形成防滲體系。基坑在開挖至高程24.2 m、17.0 m時出現了2次涌水事故。基坑現場及涌水路線如圖1所示。

根據鉆探資料和實測資料,將該船閘地層劃分為5層含水層和2層隔水層:第1含水層為潛水,分布在①層素填土、②層壤土中(標高32.5 m);第2含水層為承壓水,分布在③層砂壤土夾粉質壤土中(標高23.0～29.0 m);第3含水層為承壓水,分布在④層砂壤土中(標高15.0～20.0 m);第4含水層為承壓水,分布在⑤層輕粉質壤土夾砂壤土、⑥層砂壤土中(標高2.0～10.0 m);第5含水層為承壓水,分布在⑦層粉砂、⑧層砂壤土中(標高-11.0～<2.0 m);第1隔水層為③-1層壤土;第2隔水層為④-1層壤土。某船閘基坑地層及含水層分布如圖2所示。

圖2 某船閘基坑地層及含水層分布

2 臨界水力梯度接近度

(1)

其中:i為土體的水力梯度;ic為土體臨界水力梯度。

3 數值模擬

3.1 基本理論

3.1.1 滲流控制方程

飽和-非飽和滲流理論假定水在非飽和土中仍然服從Darcy定律,然后根據水流的連續性條件以及孔隙水壓力不隨時間變化的假定,在不考慮不同流體的流動與土體結構平衡條件之間相互作用的條件下(即不考慮孔隙水與孔隙水的流動對土體結構變形的影響),通過土體非飽和區域內的地下水控制方程式[16]為:

(2)

本文滲流計算是在土體飽和狀態下進行的,此時地下水的控制方程式為:

(3)

其中:kx、ky分別為土體x、y方向的滲透系數;H為位置水頭與孔隙水壓力兩者之和;Q為微元體的邊界流量;mw為體積含水量變化系數;γw為水的容重。

3.1.2 定解條件

初始條件為:

(4)

邊界條件為:

(5)

其中:H0(x,y,t)為點(x,y)處初始水位;Γ1為一類邊界條件;H1(x,y,t)為點(x,y)在t時刻的邊界已知水位。

3.2 數值計算模型及邊界條件

基坑涌水位置發生在上閘首處,因此取該區域為研究對象,根據圖紙以及現場情況確定該基坑研究范圍長為120.0 m,寬為42.0 m,深度為17.0～34.5 m。為減小邊界范圍選取過小給計算結果帶來誤差,選取研究對象最大幾何尺寸的3～5倍確定計算范圍,最終確定整體模型尺寸為900.0 m×540.0 m×134.5 m,網格類型為4節點SOILD181以及8節點SOILD185,如圖3所示。

圖3 基坑整體數值計算模型

數值模型的滲流邊界條件為:頂面、底面為不透水邊界;前、后、左、右邊界為透水邊界(水位32.5 m);防滲結構均不透水。沿基坑軸線方向剖面邊界條件如圖4所示。基坑最初防滲體系數值模型如圖5所示。

圖5 基坑最初防滲體系數值模型

3.3 計算參數

在FLAC3D軟件中對計算模型進行滲流計算[17],以每個網格為研究對象,根據上文提出的臨界水力梯度接近度計算公式,利用FISH語言進行二次開發,計算獲得基坑涌水剖面的水力梯度以及臨界水力梯度接近度分布。計算時將土層賦予摩爾庫倫模型[18-19],防滲結構賦予線彈性模型[20-21],同時將防滲結構賦予各向同性不透水模型[22]。根據計算時的參數需求,在該船閘基坑處取樣進行三軸試驗并結合參考現場《地質勘查報告》,確定計算參數,其中各地層的臨界水力梯度計算公式參考文獻[6]。

計算參數見表1所列。

表1 各土層計算參數

3.4 計算步驟

為分析該基坑施工過程中水力梯度以及臨界水力梯度接近度分布隨管涌產生與基坑防滲加固的演化規律,本文確定了以下4個計算步驟:

1) 基坑開挖至坑底高程為24.2 m,發生第1次涌水。

2) 針對基坑第1次涌水事故進行防滲加固。

3) 基坑開挖至坑底高程為17.0 m,發生第2次涌水。

4) 針對基坑第2次涌水事故進行防滲加固。

4 數值模擬結果及分析

4.1 第1次涌水剖面計算結果

基坑第1次涌水剖面水力梯度與臨界水力梯度接近度計算結果如圖6所示,此時坑底土層為砂壤土夾粉質壤土。

圖6 基坑第1次涌水剖面水力梯度與臨界水力梯度接近度計算結果

從圖6a可以看出,此時坑底涌水剖面出水口處的水力梯度為0.460,大于該土層臨界水力梯度0.287,說明此處發生了管涌;從圖6b可以看出,涌水剖面的管涌危險區主要分布在防滲結構與其周圍土體以及防滲結構底部繞滲區。

根據計算結果,涌水部位的臨界水力梯度接近度大于1,基坑發生管涌的原因是在防滲結構處出現了繞滲,形成了滲流破壞貫通區,造成在基坑底部發生管涌。通過以上對比得出,臨界水力梯度用于判定淺表層涌水位置土體是否發生了管涌,對于涌水部位以外的土體無法進行管涌危險性判定;而臨界水力梯度接近度可以依據土體發生管涌的危險程度劃分出管涌危險區,可以判定整個場地內土體發生管涌的危險性。

根據基坑第1次涌水時管涌危險區分布,需要對管涌危險區進行防滲干預。結合工程現場,在涌水處原高壓擺噴墻外側新增高壓擺噴墻,如圖7所示。

圖7 基坑第1次防滲加固

基坑第1次涌水剖面在防滲加固后水力梯度與臨界水力梯度接近度分布的計算結果如圖8所示。由圖8可知,坑底涌水部位的水力梯度自涌水時的0.460降至0.180,低于該土層的臨界水力梯度0.287,此處不再發生管涌;坑底涌水口的臨界水力梯度接近度較加固前降低至小于1,滲透破壞貫通區域遠離坑底,說明針對本次涌水時管涌危險區分布而提出的防滲加固建議有效。

圖8 基坑第1次涌水防滲加固后涌水剖面水力梯度與臨界水力梯度接近度計算結果

4.2 第2次涌水剖面計算結果

基坑第2次涌水剖面水力梯度與臨界水力梯度接近度計算結果如圖9所示,此時基坑已開挖至設計高程,坑底土層為砂壤土。

圖9 基坑第2次涌水剖面水力梯度與臨界水力梯度接近度計算結果

從圖9a可以看出,此時坑底涌水剖面出水口處的水力梯度為0.540,大于該土層臨界水力梯度0.246,說明此處發生了管涌;從圖9b可以看出,此時涌水部位的臨界水力梯度接近度大于1,基坑發生管涌的原因是在防滲結構處出現了繞滲,形成了滲流破壞貫通區,最終造成在基坑底部發生管涌。經過對比得出臨界水力梯度無法對涌水部位以外區域的土體進行管涌危險性判定,而臨界水力梯度接近度可以依據土體發生管涌的危險程度劃分出管涌危險區,可以判定整個場地內土體發生管涌的危險性。

根據基坑第2次涌水時土體管涌危險區分布,需要對管涌危險區進行防滲干預。結合工程現場,在原高壓擺噴墻外側新增混凝土截滲墻,針對出水部位利用鋼筋混凝土截滲墻進行防滲補強,如圖10所示。基坑第2次涌水剖面在防滲加固后水力梯度與臨界水力梯度接近度分布計算的結果如圖11所示。

圖10 基坑第2次防滲加固

圖11 基坑第2次涌水防滲加固后涌水剖面水力梯度與臨界水力梯度接近度計算結果

從圖11a可以看出,此時坑底涌水部位的水力梯度自涌水時的0.540降至0.080,低于該土層的臨界水力梯度0.246,此處不再發生管涌;從圖11b可以看出,此時坑底涌水口的臨界水力梯度接近度較加固前降低至小于1,滲透破壞貫通區域遠離坑底,說明針對基坑本次涌水時管涌危險區分布而提出的防滲加固建議有效。

4.3 討論

以往工程中對于管涌區的判定只針對淺表層出險區域,如圖12所示,但伴隨管涌區的出現,管涌潛在危險區也會存在,這些潛在危險區在外界條件或工程結構失穩的進一步影響下就會發展為管涌區,因此能夠有效識別管涌潛在危險區同等重要。

圖12 以往管涌研究區域

以往方法因為不能定量預測管涌危險性,所以不能對管涌潛在危險區進行準確識別。文獻[6,23-25]通過室內滲透試驗依據土樣發生管涌的危險程度不同,將土體發生管涌的動態過程定量劃分為若干個區間。

本文統計了上述文獻得出的不同土體臨界水力梯度及其發生管涌潛在危險時(細顆粒普遍流失)的水力梯度,換算得出土體處于管涌潛在危險時的臨界水力梯度接近度經驗取值,如圖13所示。由圖13可知,不同土體處于管涌潛在危險時臨界水力梯度接近度整體位于0.6～0.8之間,考慮到實際工程安全性,選取臨界水力梯度接近度為0.6作為土體處于管涌潛在危險時的判斷依據。

圖13 相關文獻土樣臨界水力梯度接近度轉化結果

圖14 本文臨界水力梯度接近度管涌研究區域

通過以上分析得出,臨界水力梯度接近度可以根據土體發生管涌的危險程度定量劃分區域,通過及時識別管涌危險區以及潛在危險區的分布并提供防治建議,可以有效避免工程發生管涌,具有重要的工程意義。

5 結 論

本文基于土體發生管涌的水力條件,提出可以定量判別工程發生管涌危險性并提供防滲建議的臨界水力梯度接近度指標,根據工程實例采用數值模擬方法對該指標進行合理性論證,得出以下結論:

1) 臨界水力梯度接近度指標通過表示土體水力梯度與其臨界水力梯度的接近程度來定量判定土體發生管涌的危險程度,不僅可以用來判定淺表層涌水位置土體是否發生了管涌,還可以識別復雜土層場地內土體發生管涌的危險性。

2) 根據臨界水力梯度接近度分布的計算結果,得出發生管涌的危險區以及潛在危險區,據此分析工程涌水機制,并提供合理的防滲建議,通過提前的防滲干預達到消除管涌的目的。

通過以上研究表明,臨界水力梯度接近度指標的提出為土木工程中管涌的預測以及防治提供一種新的管涌危險性評價的量化方法。