大体积有压箱涵渗漏对土体力学性能影响分析

付清凯，刘卫其，张磊，宗金辉，通信作者

（1. 南水北调中线干线工程建设管理局 天津分局，天津 300000；2. 河北工业大学 土木与交通学院，天津 300130）

管线渗漏使得周围土体承载力降低产生不均匀沉降，从而加剧了管线渗漏引起地面塌陷等一系列灾害[1]。李大勇等[2]以实际工程为依托采用数值模拟分析得到了渗漏后土体饱和度、基础沉降及地基土应力分布变化特性。黄乐艺[3]研究了城市供水管道渗漏后非饱和土的渗流规律，分析了渗漏区的形态特征及管线周围土体含水率的变化规律。张成平等[4]分析研究了隧道施工扰动下导致的管道渗漏水对地面塌陷事故规律的影响，结果显示，管道渗漏水范围是影响地面塌陷事故严重程度的重要因素。郭帅[5]针对地下管道破损后地下水内渗管道侵蚀管周土体的情况，通过建立渗漏量计算数学模型，定性地给出了土体的渗透性、管道直径、水头、破损口的位置及张开角等对入渗量的影响，但只基于二维模型进行计算，可以进一步使用三维模型进行计算。王帅超[6]使用FLAC3D 设置通过试验得到的地下空洞形态，计算提取了路面沉降值和塑性区分布来分析地下空洞对路面塌陷的影响，但未考虑水土的相互作用。付栋等[7]通过将有限元和离散元进行耦合，从管线渗漏位置和对邻近管线影响两个方面诱发地下空洞机理进行数值研究，结果表明管道侧方渗漏会引起周围土质疏松引起不均匀沉降。

目前对于地下管线渗漏问题的分析及研究较多，但针对复杂条件下长距离大体积有压箱涵渗漏处理方面的研究并不完善，由此诱发工程灾变机理及控制分析还不够深入。本文针对长距离大体积有压箱涵渗漏产生的箱涵周围土体力学性能变化问题进行研究，旨在考虑渗流-应力的耦合作用，通过数值模拟分析不同的渗漏位置、不同土体渗透系数及不同的箱涵内水压力三种因素下箱涵渗漏产生的土体力学性能变化规律。

1 数值模型的建立

采用ABAQUS 软件进行分析研究，由于箱涵水流动方向上长度很大，可将该问题简化为平面应变问题进行计算分析。本文主要研究渗漏对土体造成的影响，不考虑箱涵自身从内到外的渗漏过程，而是参照实际工程中箱涵的渗漏特点，在分析模型中设置箱涵渗漏位置，所以模型中省略了箱涵接口处止水带及其他填充材料。箱涵渗漏原因多样，渗水的位置有所差异[8]。本文将对五个不同渗漏位置工况进行模拟分析，渗漏位置示意图如图1 所示。

图1 渗漏位置示意图

1.1 物理和力学参数

根据某实际工程地勘报告可知该模型中土体有4 种不同性质的土层，确定最上层土体alQ34厚度为3.0 m，第二层土体L+hQ24厚度为5.7 m，第三层土体mQ24厚度为8.3 m，第四层土体alQ14厚度为33.0 m。经试算，箱涵渗漏影响区域较大[9]，故设置计算区域为水平方向200 m、竖直方向50 m，能够满足模型边界条件对渗流场及位移场无影响的要求。土体采用弹塑性本构关系，其中塑性部分由摩尔-库伦塑性模型定义，土体各项参数见表1。

表1 土体参数

箱涵结构采用C30混凝土，选用线弹性模型建立模型，弹性模量30 GPa，泊松比为0.2，在箱涵内部施加水压，经查询资料箱涵顶面水压为70 kPa，底面水压为114 kPa，箱涵侧墙水压呈线性分布。按照实际工程，箱涵横截面尺寸为长15.3 m，高5.7 m。顶板厚度为0.6 m，底板厚度为0.7 m，两侧侧墙厚度为0.55 m，中间侧墙为0.5 m。本文中将地下水位设置在地表以下10 m，计算模型如图2所示。

图2 土体分层图

1.2 边界条件

1.2.1 位移边界条件

为使模型边界在分析过程中不受影响，根据以往相关资料和经验，模型宽度为箱涵宽度的5倍以上，本文分析模型宽度取200 m，模型高度选择箱涵上覆土厚度为3 m的一种工况下进行模拟，确定模型高度（土体厚度）为40 m。模型底面约束水平位移及竖向位移，模型两侧约束水平位移。

1.2.2 渗流边界条件

根据地下水位的高度大小在模型四周设置孔压边界条件，模型底面为不透水边界，在地下水位线上是否设置浸润面对隧道及土体沉降影响较小，故在模型顶部设置与地下水位相协调孔压为定值的孔压边界[10]。

1.3 网格划分

土体与箱涵网格划分皆为结构划分，土体网格单元采用CPE4P 单元，箱涵网格单元采用CPS4R 单元模拟。

1.4 分析工况

工况列表如表2 所示。

2 不同渗漏位置影响分析

由于箱涵渗漏导致箱涵周围地下水位升高，土体承载力降低，渗漏位置附近土体产生沉降位移，取距模型左边界及右边界各70 m 中间位置的部分模型，图3 给出了5 个位置发生渗漏计算结束后土体的竖向位移变化云图。

图3 渗漏后箱涵周围土体位移云图

图3 显示，5 个位置渗漏后箱涵周围土体均有不同程度的沉降，这是由于渗漏后箱涵周围土体承载力降低，土体在箱涵自重作用下产生沉降。其中5 个位置发生渗漏后，D 位置渗漏使土体产生的沉降最大，沉降约为8.5 mm，A 位置渗漏使箱涵底部土体产生的沉降最小，沉降约为0.8 mm，因为D 位置的渗漏水压较大，对土的渗透力较大，而A 位置渗漏后的渗漏水压最小且对箱涵顶部土体的位移变化影响较大，故A 位置渗漏后土体沉降最小。图4 也显示出渗漏位置不同土体最大沉降位置也不同。随渗漏发生箱涵附近土体产生沉降，但箱涵远处土体在箱涵周围土体沉降挤密过程中产生向上的隆起趋势，由此产生的不均匀沉降危害对周围建（构）筑物影响较大。为分析箱涵周围土体随渗漏发展的位移变化，取箱涵底部一点绘制其随计算开始至计算结束的位移曲线图，该点位置示意如图4 所示。

图4 渗漏后土体竖向位移曲线图

由图4 可知，在箱涵发生渗漏过程中，箱涵附近土体随着渗漏的发展逐渐产生沉降，当渗漏发展的时间较久后，该点土体的位移变化趋于稳定，不再继续产生沉降。

在渗漏过程中，B、C、D 三个位置的渗漏发生使土体产生的沉降基本保持一致，A 位置的渗漏则使箱涵底部土体只有很小的沉降变化，这是由于A 位置渗漏的水压较小，且距离箱涵两侧及底部土体的渗流路径较长，对箱涵周围土体位移变化的影响最小。E 位置渗漏后渗漏水向下渗且E位置距离地下水位线较近，渗流路径也较短[11]，计算终止时影响的土体范围较小，故E 位置渗漏使土体的沉降也较小。

图5 给出了5 个不同渗漏位置渗漏后的土体竖向应力云图。

图5 不同位置渗漏后土体竖向应力云图

图5 显示，当渗漏结束后渗漏点附近的土体竖向应力一直减小[12]，根据土的有效应力原理当土体中孔隙水压力升高后土体的有效应力减小。由图5 还也可看出，土体的有效应力有明显的分层，这是由于不同土层的密度不同导致的。分析不同渗漏位置发生渗漏后土体的塑性区开展变化，土体的等效塑性应变云图如图6 所示。

图6 渗漏后土体等效塑性应变云图

图6 显示，只有当D 位置发生渗漏后，箱涵周围土体在渗流分析步计算结束后开展塑性，渗漏位置周围土体屈服，其余位置的渗漏并未使箱涵周围土体进入塑性阶段，且由图6-d 可以看出，塑性区存在明显的不连续，这是第2 层与第3 层土体性质不同导致的。

3 不同渗漏系数影响分析

为研究土层渗透系数对渗漏后土体力学性能变化，当E 位置发生渗漏后，在其余条件不变情况下，分别增大第二层土体和第三层土体的渗透系数，分析表2 中工况6～工况9 渗漏计算终止后箱涵周围土体的竖向位移场及塑性开展变化规律。图7 给出了工况6～工况9 渗漏后的箱涵周围土体的竖向位移变化云图。

图7 渗漏后土体竖向位移云图

图7 显示，当第二层土体渗透系数增加后，箱涵底部土体的沉降越来越小，这是由于箱涵渗漏水压一定即可流动至第二层土体的渗漏水量一定时，当渗漏水流到第二层土体时，渗透系数增大使得水更容易向两侧水平发生流动，而渗透系数较小时渗漏水不易流动在渗漏水压的作用下向上运动，渗漏水影响的土体范围更大，所以渗透系数增大使得土体的沉降减小。

当第三层土体渗透系数增大后，箱涵底部土体沉降则越来越大，这是由于第三层渗透系数的增大使得水更容易流动至第二层且渗漏水向水平流动的同时更易向上流动，所以随着第三层渗透系数的增大，渗漏水影响土体的范围增大，土体沉降更多。

选择箱涵右下角的节点，绘制各个工况下该节点在渗漏开始至计算结束后孔压随时间变化的曲线图（图8）。

图8 渗漏后土体位移变化曲线图

由图8 可以看出，该点孔压在渗漏初期迅速升高，并逐渐趋于稳定渗流达到稳定状态直至计算结束；随着第二层渗透系数的增大，该节点孔压逐渐减小，且计算结束所需时间减少，这是由于在渗漏水量一定的情况下渗透系数增大使得渗漏水在第二层土体内更容易水平流动，土体浸润面高度降低，所以该节点的孔压减小；而随着第三层渗透系数的增大该节点孔压逐渐增大，这是因为渗透系数增大在渗漏水压一定情况下更多渗漏水向第二层土体流动，土体浸润线高度增高，该节点孔压增大，意味着渗漏水影响到更多土体，土体的沉降量也越来越大，与图7 竖向位移云图显示的沉降规律一致。

为分析渗漏计算结束后4 种工况下的土体塑性发展情况，箱涵周围土体的等效塑性应变云图如图9 所示。

图9 渗漏后土体等效塑性应变云图

由工况6～工况9 的等效塑性应变云图可以看出，第二层土体渗透系数变化土体均未进入塑性屈服，但随着第三层土体渗透系数的增大，土体的塑性应变数值不断增长。这是因为第三层土体渗透系数增大，渗漏水可以向土体更高位置运动，土体的孔压增大导致土体的有效应力减小，而土体有效应力的减小则使土的抗剪强度降低，故而土体更容易进入塑性状态发生屈服。

4 不同内水压力影响分析

为保证长距离箱涵的正常输水功能箱涵内部需有一定水压力，分析不同内水压力下发生渗漏后对土体的影响，通过改变箱涵顶板内水压力分别为90、130、150 kPa 计算E 位置渗漏后箱涵周围土体的位移场变化并分析其变化规律，不同内水压强的箱涵渗漏后竖向位移云图如图10 所示。

图10 渗漏后土体竖向位移云图

图10 显示，箱涵内水压力越小，在渗漏发生后土体的沉降越小，但由于渗漏位置未发生改变，故土体最大沉降位置基本无变化位于箱涵渗漏位置以下。图中显示随着内水压强的增大，土体沉降范围也在不断扩大。选择箱涵右下角的节点，绘制各工况下该点在渗漏开始至计算结束后孔压随时间变化的曲线图（图11）。

图11 渗漏后土体位移变化曲线图

由图11可以看出，随着箱涵内水压强的增大，该点孔压逐渐增大，这是由于箱涵渗漏水压增大后，渗漏水能够向更高的位置渗流，使得浸润线逐渐上移，该点处孔压也逐渐增大。该图显示的孔压变化规律也表明随内水压力的增大，渗漏水运动位置更高，所影响的土体范围更大，土体的沉降位移也更大。当E 位置发生渗漏时，内水压力变化时土体的等效塑性应变云图如图12 所示。

图12 渗漏后土体塑性应变云图

图12 显示，随着箱涵内水压力的增大，箱涵底部两侧土体进入塑性屈服阶段且土体的等效塑性应变不断增大，由于内水压强增大后土体的浸润线高度更高，土体的有效应力减小，土体抗剪强度降低，故塑性应变随内水压力增大而增大，塑性开展区域有明显分层现象，这是由于土体分层导致的。

5 结论

本文分析了箱涵渗漏后周围土体的力学性能随渗漏位置、渗透系数及箱涵内水压强变化的发展规律，通过以上研究得出以下结论：

（1）当渗漏位置位于箱涵底板和侧墙交界处时，土体的沉降最大，且土体沉降的影响范围最大，该沉降使箱涵发生倾斜，影响箱涵的正常运行，故应多注意箱涵侧墙是否发生渗漏并及时修补。

（2）渗漏水压保持一定时，渗漏位置所在土层的渗透系数增大使得渗漏水更容易向上部土体运动，土体的浸润线高度升高，渗漏水影响的土体范围变大，土体沉降位移也越大；箱涵周围土体随着第三层土体渗透系数的增长进入塑性屈服阶段且等效塑性应变越来越大。

（3）随着箱涵内水压强的增大，土体浸润线高度升高渗漏水影响的土体范围变大，渗漏后土体的沉降也越大且土体沉降范围也越大；箱涵周围土体随着内水压力的增长进入塑性屈服阶段且等效塑性应变越来越大。

（5）土体沉降及塑性区的开展与土体的孔隙水压力有密切联系，当土体的孔压越大时，土体沉降越大且箱涵底部两侧土体进入塑性阶段。