土石坝碎石土内部渗透侵蚀颗粒级配影响的数值模拟研究

余启清

(鄱阳县水利电力勘测设计室，江西 鄱阳 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，在水利工程建设中具有广泛的应用[1]。按照其来源，碎石土和可以分为天然碎石土和人工碎石土两大类型。其中，人工碎石土是指通过人工方法获取碎石，并将其混入天然土里，使粒径在2mm以上的碎石颗粒含量大于土体体积的50%而形成的碎石土[2]。人工碎石土在压实以后具有强度高、渗透性好、变形小等诸多优势，在工程建设中具有广泛应用，而土石堤坝是人工碎石土在水利工程领域的主要应用方向。虽然人工碎石土在土石堤坝建设中具有重要优势，但是工程应用中的渗透破坏问题也不容忽视[3]。根据相关的统计资料，我国的30%以上的土石坝破坏类型为渗透破坏，并主要表现为流土、冲刷、管涌等几种形式[4]。但是，无论何种碎石土渗透破坏形式，均需要及时解决，否则都可能诱发堤坝的溃决，造成严重影响。从机理层面来看，堤坝的碎石土均由松散岩土介质构成，其松散颗粒之间存在大量的孔隙结构，在水的渗透作用下，其内部的细颗粒会穿过粗颗粒构成的骨架结构，进而造成内侵蚀作用[5]。由此可见，对碎石土内部侵蚀演化过程和机理的正确认知具有十分重要的意义。虽然诸多学者利用各种研究手段，对碎石土的渗透侵蚀问题进行了广泛而深入的研究，但是研究的重点均集中于碎石土的孔隙比、水力梯度以及临界剪切强度等若干方面[6]。基于此，本文试图通过数值模拟的方式，展开颗粒级配对堤坝碎石土内部渗透侵蚀影响研究，为相关理论的完善和碎石土内部渗流机理的研究提供必要的经验支撑。

2 PFC3D数值计算模型

2.1 PFC3D软件简介

PFC3D(Particle Flow Code)是美国ITASCA公司开发的一款基于离散单元法原理的颗粒流商业软件[7]。该软件主要用于颗粒集合体的破裂和发展以及大位移颗粒流方面的问题研究，是一款复杂固体力学和颗粒流问题方面的重要数值模拟研究工具。因此，本文研究中选择PFC3D软件进行建模分析研究。

2.2 数值计算模型的构建

碎石土内颗粒按照粒径的大小可以为细颗粒和骨架粗颗粒两种。研究中结合SL237—1999《土工试验规程》中关于粒组的分类标准，结合研究对象的实际特点，确定颗粒粒径的最小值和最大值分别为0.075、20mm，并将0.25、1.0、2.0、5.0、10.0、15.0mm作为分点，划分为7个不同的区间，设计3组不同不连续碎石土级配，其最大粒径分别为10、15、20mm，其中不同粒径颗粒的具体配比见表1。研究中利用PFC3D软件构建长方体模型。其底面为边长88.6mm的正方形，高度为150mm。按照3种不同的级配，将模型等分为上中下3层，并将底层和中层分别设置为红色和黑色，顶层不设置颜色，然后保存模型。

表1 不连续碎石土级配表

由于碎石土中的颗粒比较接近于球形，因此在模型的构建过程中选择球形颗粒进行数值模拟，生成的颗粒单元数量在20万左右[8]。在模型的上方设置一片可以使颗粒向上移动的区域，以契合实际情况。颗粒单元之间选择线性结合粗模式。颗粒单元之间的接触力链用线条体现，接触力越大，线条就越粗。数值模型的接触图如图1所示。由图1可知，颗粒单元之间的接触力链主要为上下方向，这也与实际情况相吻合。对模型进行带有压力的流体网格单元划分，共划分为960个网格单元。模型的网格划分示意图如图2所示。

图1 数值模型接触图

图2 数值模型网格划分示意图

模拟实验从渗透坡降0.4开始，直至没有细颗粒流出为止，然后增大水头，使渗透坡降达到0.72，直至没有细颗粒流出为止，然后在渗透坡降为1.2、1.8、2.4的条件下重复上述试验过程。

3 模拟实验结果与分析

3.1 A-1组模拟结果与分析

模拟试验从水力梯度0.4开始，经过一段时间的渗流之后，一直没有细颗粒流出，因此增加水力梯度继续试验，当水力梯度为0.72时试样顶层的没有染色的细颗粒开始流出，试验一段时间之后，发现有少量的黑色细颗粒流出，直至没有细颗粒明显流出时，渗流出的细颗粒总量为0.8g，此时的渗流速度为0.037cm/s；继续将水力梯度增加到1.2，此时测的渗流速度为0.048cm/s，最终涌沙量为1.6g；等细颗粒不再明显流出时将水力梯度值增加至1.8，此时对应的渗流速度为0.065cm/s，同时涌沙量也明显增大，直到没有明显的细颗粒流出时，测得涌沙量达到了15.4g；将水力梯度增加至2.4继续试验，此时的渗流速度增加至0.092cm/s，在没有明显的细颗粒流出时停止试验，测得最终涌沙量达到了16.9g。整个模拟试验过程中的总涌沙量为34.7g。A-1组颗粒流动模拟结果如图3所示。

图3 A-1组颗粒流动模拟结果

3.2 A-2组模拟结果与分析

试验从水力梯度0.4开始，经过一段时间的渗流之后，一直没有细颗粒流出，因此增加水力梯度继续试验，当水力梯度为0.64时试样顶层的没有染色的细颗粒开始流出，试验一段时间之后，发现有少量的黑色细颗粒流出，直至没有细颗粒明显流出时，涌出的细颗粒总量为1.2g，此时的渗流速度为0.038cm/s；继续将水力梯度增加到1.2，模拟结果显示渗流速度为0.055cm/s，最终涌沙量为1.8g；等细颗粒不再明显流出时将水力梯度值增加至1.8继续进行模拟实验，此时对应的渗流速度为0.080cm/s，同时涌沙量也明显增大，直到没有明显的细颗粒流出时，测得涌沙量达到了20.6g；将水力梯度增加至2.4继续试验，此时的渗流速度增加至0.12cm/s，在没有明显的细颗粒流出时停止模拟试验，最终涌沙量达到了27.3g。整个模拟试验过程中的总涌沙量为50.9g。A-2组颗粒流动模拟结果如图4所示。

图4 A-2组颗粒流动模拟结果

3.3 A-3组模拟结果与分析

试验从水力梯度0.4开始，经过一段时间的渗流之后，一直没有细颗粒流出，因此增加水力梯度继续试验，当水力梯度为0.61时试样顶层的没有染色的细颗粒开始流出，试验一段时间之后，发现有少量的黑色细颗粒流出，直至没有细颗粒明显流出时，涌出的细颗粒总量为1.0g，此时的渗流速度为0.042cm/s；继续将水力梯度增加到1.2，此时测得渗流速度为0.064cm/s，最终涌沙量为5.7g；等细颗粒不再明显流出时将水力梯度值增加至1.8，此时对应的渗流速度为0.093cm/s，同时涌沙量也明显增大，直到没有明显的细颗粒流出时，涌沙量达到了24.1g；将水力梯度增加至2.4继续试验，此时的渗流速度增加至0.15cm/s，在没有明显的细颗粒流出时停止试验，测的最终涌沙量达到了27.8g。整个试验过程中的总涌沙量为58.6g。A-3组颗粒流动模拟结果如图5所示。

图5 A-3组颗粒流动模拟结果

3.4 各组试验的对比分析

基于各组模拟结果，绘制出如图6—7所示的各组模拟实验中渗流速度和涌沙量随水力梯度变化的关系曲线。由图可知，在相同的水力梯度条件下，A- 1试样的流速和涌沙量均为最小，说明该组式样的渗透稳定性最高，也就是抗渗透破坏性能最好；A-3试样的流速和涌沙量均为最大，说明该组式样的渗透稳定性最低，也就是抗渗透破坏性能最差。结合表1所列的各组式样的级配设计可知，在其他条件相同时，碎石土的颗粒级配变化范围越窄，越有利于提高其抗渗稳定性。因此，在碎石土堤坝施工过程中，在条件允许的情况下，建议选择颗粒级配范围较窄的碎石土，以提高堤坝的抗渗性能。

图6 渗流速度随水力梯度变化曲线

图7 涌沙量随水力梯度变化曲线

4 结论

本文利用数值模拟分析的方法，探索了颗粒级配对碎石土内部渗透侵蚀影响，根据模拟研究的结果，获得如下主要结论。

(1)渗透流速会随着水力梯度的增加而增大，在水力梯度相同时，颗粒级配范围越大，渗透流速就越大。

(2)涌沙量会随着水力梯度的增加而增大，在水力梯度相同时，颗粒级配范围越大，涌沙量就越大。

(3)在其他条件相同时，碎石土的颗粒级配变化范围越窄，越有利于提高其抗渗稳定性；建议在碎石土堤坝施工过程中选择颗粒级配范围较窄的碎石土，以提高堤坝的抗渗性能。