土石壩碎石土內(nèi)部滲透侵蝕顆粒級(jí)配影響的數(shù)值模擬研究

余啟清

(鄱陽(yáng)縣水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)室，江西 鄱陽(yáng) 333100)

1 研究背景

碎石土是碎石和土相互混合形成的建筑材料，在水利工程建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用[1]。按照其來(lái)源，碎石土和可以分為天然碎石土和人工碎石土兩大類型。其中，人工碎石土是指通過(guò)人工方法獲取碎石，并將其混入天然土里，使粒徑在2mm以上的碎石顆粒含量大于土體體積的50%而形成的碎石土[2]。人工碎石土在壓實(shí)以后具有強(qiáng)度高、滲透性好、變形小等諸多優(yōu)勢(shì)，在工程建設(shè)中具有廣泛應(yīng)用，而土石堤壩是人工碎石土在水利工程領(lǐng)域的主要應(yīng)用方向。雖然人工碎石土在土石堤壩建設(shè)中具有重要優(yōu)勢(shì)，但是工程應(yīng)用中的滲透破壞問(wèn)題也不容忽視[3]。根據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)資料，我國(guó)的30%以上的土石壩破壞類型為滲透破壞，并主要表現(xiàn)為流土、沖刷、管涌等幾種形式[4]。但是，無(wú)論何種碎石土滲透破壞形式，均需要及時(shí)解決，否則都可能誘發(fā)堤壩的潰決，造成嚴(yán)重影響。從機(jī)理層面來(lái)看，堤壩的碎石土均由松散巖土介質(zhì)構(gòu)成，其松散顆粒之間存在大量的孔隙結(jié)構(gòu)，在水的滲透作用下，其內(nèi)部的細(xì)顆粒會(huì)穿過(guò)粗顆粒構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)，進(jìn)而造成內(nèi)侵蝕作用[5]。由此可見(jiàn)，對(duì)碎石土內(nèi)部侵蝕演化過(guò)程和機(jī)理的正確認(rèn)知具有十分重要的意義。雖然諸多學(xué)者利用各種研究手段，對(duì)碎石土的滲透侵蝕問(wèn)題進(jìn)行了廣泛而深入的研究，但是研究的重點(diǎn)均集中于碎石土的孔隙比、水力梯度以及臨界剪切強(qiáng)度等若干方面[6]?；诖耍疚脑噲D通過(guò)數(shù)值模擬的方式，展開(kāi)顆粒級(jí)配對(duì)堤壩碎石土內(nèi)部滲透侵蝕影響研究，為相關(guān)理論的完善和碎石土內(nèi)部滲流機(jī)理的研究提供必要的經(jīng)驗(yàn)支撐。

2 PFC3D數(shù)值計(jì)算模型

2.1 PFC3D軟件簡(jiǎn)介

PFC3D(Particle Flow Code)是美國(guó)ITASCA公司開(kāi)發(fā)的一款基于離散單元法原理的顆粒流商業(yè)軟件[7]。該軟件主要用于顆粒集合體的破裂和發(fā)展以及大位移顆粒流方面的問(wèn)題研究，是一款復(fù)雜固體力學(xué)和顆粒流問(wèn)題方面的重要數(shù)值模擬研究工具。因此，本文研究中選擇PFC3D軟件進(jìn)行建模分析研究。

2.2 數(shù)值計(jì)算模型的構(gòu)建

碎石土內(nèi)顆粒按照粒徑的大小可以為細(xì)顆粒和骨架粗顆粒兩種。研究中結(jié)合SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》中關(guān)于粒組的分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合研究對(duì)象的實(shí)際特點(diǎn)，確定顆粒粒徑的最小值和最大值分別為0.075、20mm，并將0.25、1.0、2.0、5.0、10.0、15.0mm作為分點(diǎn)，劃分為7個(gè)不同的區(qū)間，設(shè)計(jì)3組不同不連續(xù)碎石土級(jí)配，其最大粒徑分別為10、15、20mm，其中不同粒徑顆粒的具體配比見(jiàn)表1。研究中利用PFC3D軟件構(gòu)建長(zhǎng)方體模型。其底面為邊長(zhǎng)88.6mm的正方形，高度為150mm。按照3種不同的級(jí)配，將模型等分為上中下3層，并將底層和中層分別設(shè)置為紅色和黑色，頂層不設(shè)置顏色，然后保存模型。

表1 不連續(xù)碎石土級(jí)配表

由于碎石土中的顆粒比較接近于球形，因此在模型的構(gòu)建過(guò)程中選擇球形顆粒進(jìn)行數(shù)值模擬，生成的顆粒單元數(shù)量在20萬(wàn)左右[8]。在模型的上方設(shè)置一片可以使顆粒向上移動(dòng)的區(qū)域，以契合實(shí)際情況。顆粒單元之間選擇線性結(jié)合粗模式。顆粒單元之間的接觸力鏈用線條體現(xiàn)，接觸力越大，線條就越粗。數(shù)值模型的接觸圖如圖1所示。由圖1可知，顆粒單元之間的接觸力鏈主要為上下方向，這也與實(shí)際情況相吻合。對(duì)模型進(jìn)行帶有壓力的流體網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?，共劃分?60個(gè)網(wǎng)格單元。模型的網(wǎng)格劃分示意圖如圖2所示。

圖1 數(shù)值模型接觸圖

圖2 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分示意圖

模擬實(shí)驗(yàn)從滲透坡降0.4開(kāi)始，直至沒(méi)有細(xì)顆粒流出為止，然后增大水頭，使?jié)B透坡降達(dá)到0.72，直至沒(méi)有細(xì)顆粒流出為止，然后在滲透坡降為1.2、1.8、2.4的條件下重復(fù)上述試驗(yàn)過(guò)程。

3 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 A-1組模擬結(jié)果與分析

模擬試驗(yàn)從水力梯度0.4開(kāi)始，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的滲流之后，一直沒(méi)有細(xì)顆粒流出，因此增加水力梯度繼續(xù)試驗(yàn)，當(dāng)水力梯度為0.72時(shí)試樣頂層的沒(méi)有染色的細(xì)顆粒開(kāi)始流出，試驗(yàn)一段時(shí)間之后，發(fā)現(xiàn)有少量的黑色細(xì)顆粒流出，直至沒(méi)有細(xì)顆粒明顯流出時(shí)，滲流出的細(xì)顆?？偭繛?.8g，此時(shí)的滲流速度為0.037cm/s；繼續(xù)將水力梯度增加到1.2，此時(shí)測(cè)的滲流速度為0.048cm/s，最終涌沙量為1.6g；等細(xì)顆粒不再明顯流出時(shí)將水力梯度值增加至1.8，此時(shí)對(duì)應(yīng)的滲流速度為0.065cm/s，同時(shí)涌沙量也明顯增大，直到?jīng)]有明顯的細(xì)顆粒流出時(shí)，測(cè)得涌沙量達(dá)到了15.4g；將水力梯度增加至2.4繼續(xù)試驗(yàn)，此時(shí)的滲流速度增加至0.092cm/s，在沒(méi)有明顯的細(xì)顆粒流出時(shí)停止試驗(yàn)，測(cè)得最終涌沙量達(dá)到了16.9g。整個(gè)模擬試驗(yàn)過(guò)程中的總涌沙量為34.7g。A-1組顆粒流動(dòng)模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 A-1組顆粒流動(dòng)模擬結(jié)果

3.2 A-2組模擬結(jié)果與分析

試驗(yàn)從水力梯度0.4開(kāi)始，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的滲流之后，一直沒(méi)有細(xì)顆粒流出，因此增加水力梯度繼續(xù)試驗(yàn)，當(dāng)水力梯度為0.64時(shí)試樣頂層的沒(méi)有染色的細(xì)顆粒開(kāi)始流出，試驗(yàn)一段時(shí)間之后，發(fā)現(xiàn)有少量的黑色細(xì)顆粒流出，直至沒(méi)有細(xì)顆粒明顯流出時(shí)，涌出的細(xì)顆?？偭繛?.2g，此時(shí)的滲流速度為0.038cm/s；繼續(xù)將水力梯度增加到1.2，模擬結(jié)果顯示滲流速度為0.055cm/s，最終涌沙量為1.8g；等細(xì)顆粒不再明顯流出時(shí)將水力梯度值增加至1.8繼續(xù)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的滲流速度為0.080cm/s，同時(shí)涌沙量也明顯增大，直到?jīng)]有明顯的細(xì)顆粒流出時(shí)，測(cè)得涌沙量達(dá)到了20.6g；將水力梯度增加至2.4繼續(xù)試驗(yàn)，此時(shí)的滲流速度增加至0.12cm/s，在沒(méi)有明顯的細(xì)顆粒流出時(shí)停止模擬試驗(yàn)，最終涌沙量達(dá)到了27.3g。整個(gè)模擬試驗(yàn)過(guò)程中的總涌沙量為50.9g。A-2組顆粒流動(dòng)模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 A-2組顆粒流動(dòng)模擬結(jié)果

3.3 A-3組模擬結(jié)果與分析

試驗(yàn)從水力梯度0.4開(kāi)始，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的滲流之后，一直沒(méi)有細(xì)顆粒流出，因此增加水力梯度繼續(xù)試驗(yàn)，當(dāng)水力梯度為0.61時(shí)試樣頂層的沒(méi)有染色的細(xì)顆粒開(kāi)始流出，試驗(yàn)一段時(shí)間之后，發(fā)現(xiàn)有少量的黑色細(xì)顆粒流出，直至沒(méi)有細(xì)顆粒明顯流出時(shí)，涌出的細(xì)顆?？偭繛?.0g，此時(shí)的滲流速度為0.042cm/s；繼續(xù)將水力梯度增加到1.2，此時(shí)測(cè)得滲流速度為0.064cm/s，最終涌沙量為5.7g；等細(xì)顆粒不再明顯流出時(shí)將水力梯度值增加至1.8，此時(shí)對(duì)應(yīng)的滲流速度為0.093cm/s，同時(shí)涌沙量也明顯增大，直到?jīng)]有明顯的細(xì)顆粒流出時(shí)，涌沙量達(dá)到了24.1g；將水力梯度增加至2.4繼續(xù)試驗(yàn)，此時(shí)的滲流速度增加至0.15cm/s，在沒(méi)有明顯的細(xì)顆粒流出時(shí)停止試驗(yàn)，測(cè)的最終涌沙量達(dá)到了27.8g。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的總涌沙量為58.6g。A-3組顆粒流動(dòng)模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 A-3組顆粒流動(dòng)模擬結(jié)果

3.4 各組試驗(yàn)的對(duì)比分析

基于各組模擬結(jié)果，繪制出如圖6—7所示的各組模擬實(shí)驗(yàn)中滲流速度和涌沙量隨水力梯度變化的關(guān)系曲線。由圖可知，在相同的水力梯度條件下，A- 1試樣的流速和涌沙量均為最小，說(shuō)明該組式樣的滲透穩(wěn)定性最高，也就是抗?jié)B透破壞性能最好；A-3試樣的流速和涌沙量均為最大，說(shuō)明該組式樣的滲透穩(wěn)定性最低，也就是抗?jié)B透破壞性能最差。結(jié)合表1所列的各組式樣的級(jí)配設(shè)計(jì)可知，在其他條件相同時(shí)，碎石土的顆粒級(jí)配變化范圍越窄，越有利于提高其抗?jié)B穩(wěn)定性。因此，在碎石土堤壩施工過(guò)程中，在條件允許的情況下，建議選擇顆粒級(jí)配范圍較窄的碎石土，以提高堤壩的抗?jié)B性能。

圖6 滲流速度隨水力梯度變化曲線

圖7 涌沙量隨水力梯度變化曲線

4 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬分析的方法，探索了顆粒級(jí)配對(duì)碎石土內(nèi)部滲透侵蝕影響，根據(jù)模擬研究的結(jié)果，獲得如下主要結(jié)論。

(1)滲透流速會(huì)隨著水力梯度的增加而增大，在水力梯度相同時(shí)，顆粒級(jí)配范圍越大，滲透流速就越大。

(2)涌沙量會(huì)隨著水力梯度的增加而增大，在水力梯度相同時(shí)，顆粒級(jí)配范圍越大，涌沙量就越大。

(3)在其他條件相同時(shí)，碎石土的顆粒級(jí)配變化范圍越窄，越有利于提高其抗?jié)B穩(wěn)定性；建議在碎石土堤壩施工過(guò)程中選擇顆粒級(jí)配范圍較窄的碎石土，以提高堤壩的抗?jié)B性能。