蟲穴對土石壩滲流規律分析

牛來福，張玉民

(山東潤泰水利工程有限公司，山東 泰安 271000)

水庫大壩是水利工程中最為核心的構成部分，一些研究表明，很多土石壩由于多種原因導致壩體內部產生空腔，嚴重威脅大壩的安全運營。這些空腔產生的原因有多種，如螞蟻、昆蟲筑巢產生的蟲穴。程聲龍[1]基于滲流理論系統的分析了土石壩滲流破壞及其控制措施。研究表明，通過增加翻綠排水層及削坡等措施可以有效提高庫壩的穩定性。此外，加強堤壩白蟻防治，提高防洪標準等處理措施可以有效提高壩體的安全運營能力。侯彥釗[2]基于巢對土石壩滲流及穩定性影響。系統的研究了蟻巢和蟻道情況下土石壩滲流場的演變規律。結果表明，蟻巢對周圍的滲流孔壓影響較小。此外，土石壩穩定性隨螞蟻蟲穴半徑及深度增大而減小。史新偉等[3]系統的研究探地雷達技術在白蟻巢穴探測中的應用，并采用實例分析的方法驗證了文章的有效性。臧德記等[4]基于高密度電阻率法研究了該方法在白蟻巢穴探測中的應用。并使用該方法在多核土石壩工程得到了驗證，證明了該方法的有效性。吳高偉等[5]基于江西省南昌縣贛東大堤開展了室內模型試驗，系統的研究了白蟻防治的有效解決方案。該防治方案可以為相關工程提供經驗。常利營等[6]基于數值模擬研究了礫石土粗粒含量對高土石壩蓄水期滲流的影響。結果表明，在均勻蓄水情況下，壩體心墻內最大滲透坡降隨蓄水速度的增加顯著增大，實際工程中應合理考慮蓄水速度。

本文采用數值有限元方法，系統的研究了土石壩內部空腔蟲穴對大壩的滲流穩定性的影響。對比分析了不同類型的空腔對土石壩內部滲流的影響。為相關工程設計及優化提供工程參考。

1 數值模型

本文采用有限元對典型土石壩建立計算模型，分析滲流情況。土石壩的相關參數見表1。

表1 土石壩參數匯總

數值模擬使用的力學參數見表2。

表2 蟲穴計算參數匯總

計算蟲穴時，為簡化計算，本文將蟲穴簡化為圓柱體，主要研究蟲穴與周圍土體接觸界面處的滲流及孔壓變化趨勢。

既有研究表明，土石壩內部的孔洞形式會對土石壩滲流產生影響。一般孔洞的形式可以分為虹吸式、直通式和串通式3種[7-8]。其中，相對于其他蟲穴而言，虹吸式蟲穴的兩端較低，中部位置最高，對于水流入蟲穴時，只有當水位上漲超過中部最高蟻道時，土石壩內部才會產生滲流現象。對于直通式蟲穴，蟲穴呈直線形態，且蟲穴內部起伏不平，存在高差，當水位上升時，滲流速度較大，且容易導致土石壩破壞。串聯式蟲穴一般為傾斜形態，當水位上升時，土石壩內形成滲流現象，且水流速度較快，產生滲透力導致土石壩破壞。本文分別計算了不同形式的孔洞對土石壩滲流的影響。本文采用的關于土石壩、蟲穴和蟲道的力學計算參數見表2。

2 結果與分析

2.1 蟲穴對土石壩滲流的影響

蟲穴對土石壩內部孔壓的影響如圖1所示。

圖1 蟲穴對孔壓的影響

結果表明，浸潤線以上和浸潤線以下蟲穴對孔壓的影響比較一致。隨著監測點編號的增大，孔壓先增大后減小，在節點編號為25時，孔壓達到最大，其最大孔壓在浸潤線以上為-18kPa，在浸潤線以下為44.5kPa。綜合來看，有蟲穴的滲流孔壓大于與無蟲穴的孔壓，但蟲穴對土石壩內部的滲流影響較小。

蟲穴對滲流速度的影響如圖2所示。

圖2 蟲穴對滲流速度的影響

結果表明，有蟲穴和沒蟲穴對滲漏速度的影響較大。在節點25時，滲流速度達到最大，此外，在浸潤線以下時，有蟲穴和無蟲穴的滲流速度均大于浸潤線以上的滲流速度。這是因為，當處于浸潤線以下時，水會流入蟲穴，是周文土體達到飽和狀態。因此浸潤線以上的滲流速度小于浸潤線以下的滲流速度。整體來看，有無蟲穴對滲流速度的影響比對孔壓的影響大。

蟲穴類型對滲流速度的影響如圖3所示。

圖3 蟲穴類型對滲流速度的影響

結果表明，隨監測點的增大，滲流孔壓先增大后減小。其中在僅有蟲穴的孔壓最大，當在浸潤線以上時，串聯蟲穴孔壓最小，擋在浸潤線以下時，直通蟲穴的孔壓最小。此外，虹吸蟲穴和直通蟲穴的孔壓基本接近。以上分析表明，3種不同的蟲穴對孔壓的影響較大，當蟲穴位于浸潤線以上時，串聯蟲穴對孔壓影響最大，直通蟲穴影響最小，當位于浸潤線以下時，土體飽和，直通蟲穴對孔壓的影響最大。

2.2 不同蟲穴對滲流速度的影響

不同形式的蟲穴對浸潤線以上滲流速度的影響如圖4所示。

圖4 不同形式蟲穴對滲流速度的影響(浸潤線以上)

結果表明，對于單一蟲穴和直通型蟲穴而言，隨監測點的增大，滲流速度隨監測點的增大而先增大后減小。而對于虹吸蟲穴和串聯蟲穴而言，滲流速度呈現M型。其中，單一蟲穴最大滲流速度為1.7×10-3m/s，虹吸蟲穴最大滲流速度為1.3×10-6m/s，直通蟲穴最大滲流速度為2.8×10-6m/s，串聯蟲穴最大滲流速度為9.4×10-3m/s。綜合來看，導致以上滲流速度差異性的原因是由于，串聯式的蟲洞位于土石壩內部，由于水頭差的原因，當水位升高時，在土石壩內部形成滲流，從而導致滲流速度增大。而對于直通式的蟲穴而言，由于蟲穴為直線，由于上下蟲穴存在高差且相互貫通，因此滲流速度相對也較大。

不同形式的蟲穴對浸潤線以下滲流速度的影響如圖5所示。

圖5 不同形式蟲穴對滲流速度的影響(浸潤線以下)

結果表明，對于單一蟲穴和直通型蟲穴而言，隨監測點的增大，滲流速度隨監測點的增大而先增大后減小。而對于虹吸蟲穴和串聯蟲穴而言，滲流速度呈現M型。其中，單一蟲穴最大滲流速度為1.3×10-5cm/s，虹吸蟲穴最大滲流速度為1.4×10-4cm/s，直通蟲穴最大滲流速度為5.5×10-5cm/s，串聯蟲穴最大滲流速度為0.033cm/s。綜合來看，3種不同的蟲穴滲流速度均大于單一蟲穴的滲流速度，這證明蟲穴的存在確實會對土石壩內部的滲流產生影響。對于串聯式蟲穴而言，由于水位上升導致土體飽和，水流速度增大，因此導致滲流速度增大。

3 結論

本文采用數值模擬研究了土石壩內部蟲洞及空腔類型對土石壩的滲流作用的影響。得到以下結論。

(1)浸潤線以上和浸潤線以下蟲穴對孔壓的影響比較一致。隨著監測點編號的增大，孔壓先增大后減小，最大孔壓在浸潤線以上為-18kPa，在浸潤線以下為44.5kPa。綜合來看，有蟲穴的滲流孔壓大于與無蟲穴的孔壓。

(2)蟲穴位于浸潤線以上時，串聯蟲穴對孔壓影響最大，直通蟲穴影響最小，當位于浸潤線以下時，土體飽和，直通蟲穴對孔壓影響最大。

(3)多種蟲穴滲流速度均大于單一蟲穴的滲流速度，對于串聯式蟲穴而言，由于水位上升導致土體飽和，水流速度增大，導致滲流速度增大。