双层堤基管涌的三维颗粒流模拟*

游碧波，陈绍名

（深圳职业技术学院 建筑与环境工程学院，广东 深圳 518055）

双层堤基管涌的三维颗粒流模拟*

游碧波，陈绍名

（深圳职业技术学院 建筑与环境工程学院，广东 深圳 518055）

基于三维颗粒流程序PFC3D，对北江大堤石角段存在争议的堤基管涌问题进行了数值仿真研究．在对实际管涌的堤基环境进行概化的基础上，建立了三维堤基的颗粒流模型，通过流固耦合分析，实现了堤基管涌发展以及颗粒流失全过程的模拟．对基岩不透水和透水2种情况分别建模，分析比较了不同的基岩透水边界条件下管涌演化的机理，通过FISH语言编程得到了不同基岩条件下颗粒流失量的变化规律．研究结果表明，基岩透水条件的存在，会加速管涌的演化，并可能导致更严重的破坏险情．砂土层细颗粒的迅速移出，会引起较大颗粒的流失，在覆盖层下发生接触冲刷，对堤基的稳定性构成威胁，且基岩的透水作用对砂土层的影响比卵砾石层更为突出．颗粒流模拟的结果反映了管涌演化的宏观现象和颗粒流失的细观规律，取得现场试验难以测量的颗粒流失规律，证明了颗粒流方法应用于管涌模拟的适用性，为进一步采用颗粒流方法研究管涌问题提供了新思路，对管涌的抢险加固具有一定的指导作用．

堤基管涌；演化；颗粒流模拟；PFC

北江大堤是位于北江下游左岸的堤防，是广州市防御西江和北江洪水的重要屏障，属于国家一级堤防．作为广东省最重要的堤防，北江大堤历史上曾多次决堤出险，虽经多次加固治理仍久治不愈．对于此段堤基的管涌，前人已做了很多工作，作为堤基管涌高发地段——石角段，成为研究的重点，学者对这一段历史上曾经出现过的数次管涌分别进行了分析和探讨，但在其堤基管涌的发生原因和演化机制方面存在不同的认识，主要存在2种观点：（1）管涌产生于砂砾石层，基岩不透水．此观点的代表性研究成果有：李宁新[1]认为，砂层水位与北江河水位有很好的水力联系，堤基砂层是地下水的良好通道，基岩地下水只是以裂隙水状态存在，即使遇断层破碎带和强风化带，基岩裂隙水水量不大，承压性质不明显．林忠，古晓明[2]认为石角地区的地质调查结果显示红层断裂构造并不发育，较少有规模较大的断层，在石角段出露的红层中未发现有溶洞，且该处岩性不可能形成大型溶洞，不具备形成大的集中透水通道的可能；此外，基岩裂隙水渗透通道呈条带状，基岩地下水流态在单位流量下流速较快，进入孔隙性砂层后流速迅速减慢，不可能在砂层中形成集中的管道并冲过几十米砂层直到地表．（2）另一种观点则认为，管涌由基岩集中渗水通道引起．较有代表性的学者的成果有：陈建生[3-4]采用井流理论对堤防渗流管涌发生后产生集中渗漏通道的机理进行分析，并根据同位素示踪和天然示踪方法对堤基基岩渗漏问题进行分析和验证．叶合欣等[5]通过对石角段水文地质条件分析认为，该段堤基基岩局部透水性很强，基岩红层中确实存在强透水带．

由于管涌的复杂性，对其真正机理的研究仍未有定论，研究尚待深入．历次除险加固都针对第一种成因认识实施相应措施，但效果不佳[6]．随着计算机技术的发展和各种数值模拟算法的提出，以数值分析技术模拟渗透变形的发生及其发展成为渗透变形分析的一个较为重要的研究方向[7]．在管涌发展的数值模拟方面，目前主要采用以有限单元法为主的连续介质方法．土体颗粒和水流相互作用的具体力学机制十分复杂，带有很大的随机性．管涌演化中，研究对象不断发生改变，研究参数也随之发生变化，连续介质方法很难反映堤基管涌这类颗粒运移引起的模型和参数不断调整的复杂问题，更加无法实现对管涌发展演化过程的模拟．而颗粒元方法的提出，对分析此类具有离散性的物质方面显示出其卓越性能．其基本思想是把非连续体分离开，形成离散颗粒的集合，颗粒之间完全断开，不用满足位移连续与变形协调条件，适用于求解大变形和非连续问题．本文采用三维颗粒流数值模拟方法，分别针对两种不同观点对该处管涌现象进行模拟，分析在基岩不同透水条件下管涌的演化规律，以期用模拟得到的成果为实际工程的加固维护提供参考．

1 模型的建立

北江大堤所在区域在地质构造上位于印支构造的罗沅——大赛褶皱群和广花复向斜之间，属三水红色盆地西缘，近场断裂在全新世时处于相对稳定状态．石角~河口段北江河流方向与该褶皱轴向基本一致，呈北北东一南南西走向．基岩主要是下第三系的红色砂岩，出露的岩层还有泥盆系中上统的石英砂岩、灰岩和粗面岩等，断裂构造不发育．第四系冲积层一般厚20~30m，最厚50m，由微弱至弱透水的粘土、粉土、淤泥质细砂、淤质土等粘性土和强透水的粗、中、细砂层组成，有单元、二元和多元地质结构[8]．

石角段堤基的渗流是空间问题，本文采用三维颗粒流方法建立模型，以反映管涌出口附近的流场及颗粒流失的空间特征．桩号7+220~10+980堤段是二元结构，属于石角段险情多发地段，也是北江大堤主要险段之一，其典型断面如图1所示[8]．本文选取此段建立堤基三维模型．

选取包括堤身在内的140 m宽度的堤基范围建立模型．将堤基地层进行概化，将剖面上渗透系数相近的地层看成一层．划分为堤身土 、堤身下粘性土覆盖层、中粗砂层、卵砾石层和基岩．对于基岩部分，分别假设不透水、透水两种情况建模．模型按照实际尺寸缩小，宽度方向缩小14倍，厚度和高度缩小10倍．考虑比尺效应，计算时采用10倍的重力加速度．

考虑到实际工程中土壤颗粒的大小，要模拟实际的土壤颗粒，只能局限在极小体积范围内．综合考虑本文模型的实际尺寸，不可能按实际土颗粒的大小模拟，否则模型中颗粒的数量远远超过目前计算计算能力．因此在模拟过程中对土颗粒的尺寸进行了等比放大，在满足一定的计算精度的基础上，保证了可控的计算容量和计算速度．最后确定颗粒尺寸如下，采用0.04 m、0.1m粒径的颗粒分别模拟砂砾层和卵砾石层，堤身采用0.1 m粒径的颗粒．通过PFC3D开放式的FISH函数编程，由PFC3D随机生成器生成．在砂土层和卵石层中添加一定数量的0.01m粒径细颗粒，以保证一定的孔隙率，并在模型里作为主要流失颗粒模拟管涌过程．颗粒生成后，通过循环消除内部的不平衡力．在粘土覆盖层用单层规则排列的颗粒组来模拟，在靠近堤脚的位置，预留1m×1m的孔洞模拟管涌口．

图1 北江大堤石角段典型断面示意图

本文模拟中，砂土层和卵砾石层颗粒采用接触刚度模型，覆盖层采用平行粘接接触模型．由于迄今还没有能从细观力学指标反映宏观力学指标的关系公式．数值模型采用的各项参数，如刚度、摩擦系数、平行粘接的指标等也并非真实堤基土的物理指标，仅是颗粒流数值模拟的自定义指标，与实际土层参数并没有直接的关系．本文参数取值遵循颗粒流数值模拟的基本途径[9]．首先构建并运行简化模型，这样可对力学细观的概念有深入的了解，通过简化模型的补充模拟，可得计算模型的几何参数及初始条件，大致确定出各参数的取值范围，进行分析模型的计算，将计算结果与实测结果或宏观现象进行对比，多次试算即可得出计算参数的取值．相关参数见表1所示．

本文主要研究的是堤基内部透水层的渗透情况，对于覆盖粘性土层用定义了连结刚度的规则排列颗粒组，以保证颗粒之间不会脱离，模拟粘土颗粒的粘结力作用．堤身和粘土层的颗粒在管涌过程中固定，仅在堤基稳定性分析时参与作用．以下分别描述基岩不透水和透水两种情况的建模过程．

模型一（基岩不透水）：在模型范围内生成墙体，模型在左右侧分别设置透水边界墙作为边界条件，下侧用不透水边界墙，以模拟基岩不透水的情况．在墙体范围内生成颗粒．模型尺寸, 宽度×高度×厚度为10 m×1.4 m×1.4 m（不包括堤身的高度），其中砂层厚0.4 m，卵砾石层厚1.0 m．

模型建立后，删除颗粒内部多余的墙体，生成的颗粒总数约为32,000个，建立的模型如图2所示．

模型二（基岩透水）：考虑基岩透水时，建模过程基本相同，仅在卵砾石层下方建立厚度为1.8 m的颗粒层，粒径为0.2 m，流体可以在孔隙中运移，并为其上面的地层提供水力供给，以近似模拟基岩的透水作用．模型尺寸，宽度×高度×厚度为：10 m ×3.2 m×1.4 m（不包括堤身的高度）．生成的模型如图3所示．

表1 颗粒流模型细观参数表

图2 堤基管涌颗粒流模型（基岩不透水情况）

图3 堤基管涌颗粒流模型（基岩透水情况）

2 计算及结果分析

在2种基岩条件下的模型两侧施加相同的水头，使细颗粒在相同的水压力作用下起动流失，根据管涌发生时的实际水头条件，左侧施加水头8 m，右侧为0．直到0.01 m粒径的细颗粒基本停止流失时结束模拟．

2.1 管涌过程的宏观现象分析

通过不同基岩透水条件的模拟，可得到管涌演化过程的图像，如图4、图5所示．

通过比较2种基岩条件下管涌颗粒流失的宏观过程可以看出，当基岩不透水时，管涌的演化发展较为缓慢，覆盖层下的砂层颗粒在缓慢的向管涌口移动，砂砾层作为主要渗流层，其细颗粒流失明显快于其上面砂土层的细颗粒，直到颗粒停止流失时，堤基地层中仍存在部分未流失的颗粒．基岩透水条件下，管涌的演化发展较迅速，砂砾层的细颗粒在管涌开始不久，就迅速流失，至管涌演化到一定阶段时（25万步），细颗粒基本上完全流失；覆盖层下的砂土层颗粒此时也开始逐渐流失，在模拟结束时，砂土层和卵砾石层中的绝大多数细颗粒都已流失．

从图中还可看出，在模拟结束时，未流失的细颗粒较集中的存在于渗透层的某些孔隙中，在复杂的水土相互作用下，受到孔隙约束作用，成为了骨架颗粒的一部分．

为了模拟管涌颗粒流失对堤基稳定性的影响，在35万步时，解除对堤身和覆盖层颗粒的位移约束，使覆盖层和堤身的颗粒在自重作用下下沉，分别观察模型的正视图并进行比较，得到图6．

图4 基岩不透水条件下管涌全过程

图5 基岩透水条件下管涌全过程

图6 管涌影响堤基稳定性示意图

由图6可看出，在基岩不透水条件下，由于砂土层颗粒基本未流失，细颗粒的流失基本不会影响堤身的稳定性，覆盖层在重力作用下下沉，但堤身的稳定性基本未受到影响，未发生明显的变形．而考虑基岩透水情况时，由于靠近堤脚位置的砂土层颗粒发生冲刷流失，覆盖层发生严重的下沉变形，并延伸至堤脚附近，由此导致堤身在自身重力作用下出现了明显的下挫变形（如图中虚线所示），此时可认为堤身已经破坏．

通过以上模拟结果还可以看出，管涌的演化过程中，颗粒流失存在由小至大的流失规律，当砂土层细颗粒大部分流失后，由于孔隙的增大和流速的增长，引起较大粒径的颗粒流失，并进一步演化为接触冲刷，当砂土的流失扩展到堤脚附近时，就有可能导致堤基失稳，发生险情．由此可推测，管涌逸出颗粒如果仅是堤基透水层中的细颗粒，不会对堤基稳定性造成明显的影响．

2.2 细颗粒流失量的分析

在建模时，砂土层和卵砾石分别设置了5 000和10 000个粒径为0.01 m的管涌流失颗粒．采用FIAH语言编程，对各个阶段的管涌流失颗粒数量进行统计，对应的颗粒流失曲线图，如图7、图8所示．

基岩不透水时，颗粒流失在开始阶段较为缓慢，在15万步左右开始加速流失，在30万步时，颗粒流失又开始变缓，细颗粒最终流失量占全部细颗粒的66%左右．而考虑基岩透水时，细颗粒在开始阶段就快速流失，并一直保持到模拟结束，最终流失量约占全部细颗粒的93%．

分析其原因，基岩不透水时，颗粒流失到一定程度，由于没有更多的压力驱动，部分颗粒在遇到拐角或者骨架颗粒的细小孔隙处被卡住，无法流出．而基岩透水时，由于基岩提供了一部分水流驱动力，使得颗粒更易流失，并且在管涌一开始，就体现出了基岩透水的驱动作用．

图7 基岩不透水条件下管涌颗粒流失过程

图8 基岩透水条件下管涌颗粒流失过程

3 结论及建议

模拟分析结果表明，管涌演化存在着由小至大的粒径流失规律．管涌逸出颗粒如果仅是堤基透水层中的细颗粒，将不会对堤基稳定性造成明显的影响．基岩不透水和透水2种条件下，管涌细颗粒流失量占所有细颗粒的比例分别为66%和93%，基岩透水条件下，颗粒的流失进程明显加快，体现了基岩透水的驱动作用．基岩透水条件的存在，将会大大加速管涌的演化，并有可能导致更严重的破坏险情．基岩的透水作用对砂土层的影响比卵砾石层更为突出，砂土层的细颗粒迅速流失，将引起较大颗粒的流失，在覆盖层下发生接触冲刷，对堤基的稳定性构成威胁．

本文的模拟研究得到的是定性或半定量的研究成果，这是由于颗粒流程序目前的发展水平所决定的[10]．模拟结果能够正确反映管涌演化的宏观现象和颗粒流失的细观规律，并得到了现场试验和连续介质模拟方法难以取得的参数变化规律，证明了颗粒流方法应用于管涌问题的可行性，该成果为进一步采用颗粒流方法研究管涌问题提供了思路，对管涌的抢险加固具有一定的指导作用．

建议应加强对基岩透水边界条件的监测工作，特别是高水位条件下的监测工作．只有查明堤基地质结构类型，才能从本质上把握堤基岩土性状、渗透条件等要素的地位和作用，并依据工程性状，提出合理的治理措施和方案．

[1] 李宁新．北江大堤石角段若干地质问题初步分析[J]．人民珠江，2000（02）：15-18．

[2] 林忠，古晓明．也谈北江大堤石角段管涌的认识[J]．广东水利水电，2005（05）：21-23．

[3] 陈建生，李兴文，茹建辉，等．北江大堤石角段同位素综合示踪探测管涌研究[J]．工程勘察，2001（06）：24-27．

[4] 陈建生，董海洲，陈亮．采用环境同位素方法研究北江大堤石角段基岩渗漏通道[J]．水科学进展，2003（01）：57-61．

[5] 叶合欣，黄春华，陈建生，等．北江大堤石角管涌多发段基岩地质条件分析[J]．水文地质工程地质，2003（04）：76-78．

[6] 林叔忠．北江大堤石角段强透水堤基渗透变形机理初探[A]//北江大堤石角段渗流问题技术研讨会，1998．

[7] 周健，张刚．管涌现象研究的进展与展望[J]．地下空间，2004（04）：536-542．

[8] 《北江大堤志》编纂委员会．北江大堤志[M]．广州：广东高等教育出版社，1995．

[9] Itasca Consulting Group Incorporation．PFC2D User’s Guide[R]．Minneapolis，Minnesota:[s.n.]，2004．

[10] 徐泳，孙其诚，张凌，等．颗粒离散元法研究进展[J]．力学进展，2003（02）：251-260．

3D Simulation of Double-Layered Embankment Piping

YOU Bibo, CHEN Shaomin

（School of Architectural and Environment Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

Based on PFC3D software, numerical simulation is made concerning the argument over Shijiao segment of North river levee. A 3D particle flow levee model is developed after the generalization of real levee foundation. According to fluid-solid coupling analysis, the whole process of piping evolution and particles’ loss process are realized. Models are set up in which bedrock is presumed to be permeable and impermeable respectively, evolution mechanisms between two different models are compared, and particles’ loss tendency is acquired based on FISH language. Research shows that, permeable bedrock speeds up the piping evolution, and gives rise to damages and risks. Fine particles’ loss in sand layer results in further larger particles’ loss, and overlying strata erosion poses a threat to the embankment, and the seepage effect of bedrock on sand layer is more severe than that of gravel layer. Simulation results reflect the real piping’s macrophenomena and micro rule of particles’ loss, and verify the validity of particle flow, which offers a new approach to study on piping with particle flow method and is of great significance for piping reinforcement in emergencies.

embankment piping; evolution; PFC simulation; PFC

TV871.2

A

1672-0318（2015）01-0027-06

10.13899/j.cnki.szptxb.2015·01, 006

2014-07-17

*项目来源：深圳职业技术学院青年创新课题（编号：2009k3080020）

游碧波（1980-），男，湖北荆门人，讲师，工学博士，主要从事建筑仿真模拟及绿色建筑研究．