虫穴对土石坝渗流规律分析

牛来福，张玉民

(山东润泰水利工程有限公司，山东 泰安 271000)

水库大坝是水利工程中最为核心的构成部分，一些研究表明，很多土石坝由于多种原因导致坝体内部产生空腔，严重威胁大坝的安全运营。这些空腔产生的原因有多种，如蚂蚁、昆虫筑巢产生的虫穴。程声龙[1]基于渗流理论系统的分析了土石坝渗流破坏及其控制措施。研究表明，通过增加翻绿排水层及削坡等措施可以有效提高库坝的稳定性。此外，加强堤坝白蚁防治，提高防洪标准等处理措施可以有效提高坝体的安全运营能力。侯彦钊[2]基于巢对土石坝渗流及稳定性影响。系统的研究了蚁巢和蚁道情况下土石坝渗流场的演变规律。结果表明，蚁巢对周围的渗流孔压影响较小。此外，土石坝稳定性随蚂蚁虫穴半径及深度增大而减小。史新伟等[3]系统的研究探地雷达技术在白蚁巢穴探测中的应用，并采用实例分析的方法验证了文章的有效性。臧德记等[4]基于高密度电阻率法研究了该方法在白蚁巢穴探测中的应用。并使用该方法在多核土石坝工程得到了验证，证明了该方法的有效性。吴高伟等[5]基于江西省南昌县赣东大堤开展了室内模型试验，系统的研究了白蚁防治的有效解决方案。该防治方案可以为相关工程提供经验。常利营等[6]基于数值模拟研究了砾石土粗粒含量对高土石坝蓄水期渗流的影响。结果表明，在均匀蓄水情况下，坝体心墙内最大渗透坡降随蓄水速度的增加显著增大，实际工程中应合理考虑蓄水速度。

本文采用数值有限元方法，系统的研究了土石坝内部空腔虫穴对大坝的渗流稳定性的影响。对比分析了不同类型的空腔对土石坝内部渗流的影响。为相关工程设计及优化提供工程参考。

1 数值模型

本文采用有限元对典型土石坝建立计算模型，分析渗流情况。土石坝的相关参数见表1。

表1 土石坝参数汇总

数值模拟使用的力学参数见表2。

表2 虫穴计算参数汇总

计算虫穴时，为简化计算，本文将虫穴简化为圆柱体，主要研究虫穴与周围土体接触界面处的渗流及孔压变化趋势。

既有研究表明，土石坝内部的孔洞形式会对土石坝渗流产生影响。一般孔洞的形式可以分为虹吸式、直通式和串通式3种[7-8]。其中，相对于其他虫穴而言，虹吸式虫穴的两端较低，中部位置最高，对于水流入虫穴时，只有当水位上涨超过中部最高蚁道时，土石坝内部才会产生渗流现象。对于直通式虫穴，虫穴呈直线形态，且虫穴内部起伏不平，存在高差，当水位上升时，渗流速度较大，且容易导致土石坝破坏。串联式虫穴一般为倾斜形态，当水位上升时，土石坝内形成渗流现象，且水流速度较快，产生渗透力导致土石坝破坏。本文分别计算了不同形式的孔洞对土石坝渗流的影响。本文采用的关于土石坝、虫穴和虫道的力学计算参数见表2。

2 结果与分析

2.1 虫穴对土石坝渗流的影响

虫穴对土石坝内部孔压的影响如图1所示。

图1 虫穴对孔压的影响

结果表明，浸润线以上和浸润线以下虫穴对孔压的影响比较一致。随着监测点编号的增大，孔压先增大后减小，在节点编号为25时，孔压达到最大，其最大孔压在浸润线以上为-18kPa，在浸润线以下为44.5kPa。综合来看，有虫穴的渗流孔压大于与无虫穴的孔压，但虫穴对土石坝内部的渗流影响较小。

虫穴对渗流速度的影响如图2所示。

图2 虫穴对渗流速度的影响

结果表明，有虫穴和没虫穴对渗漏速度的影响较大。在节点25时，渗流速度达到最大，此外，在浸润线以下时，有虫穴和无虫穴的渗流速度均大于浸润线以上的渗流速度。这是因为，当处于浸润线以下时，水会流入虫穴，是周文土体达到饱和状态。因此浸润线以上的渗流速度小于浸润线以下的渗流速度。整体来看，有无虫穴对渗流速度的影响比对孔压的影响大。

虫穴类型对渗流速度的影响如图3所示。

图3 虫穴类型对渗流速度的影响

结果表明，随监测点的增大，渗流孔压先增大后减小。其中在仅有虫穴的孔压最大，当在浸润线以上时，串联虫穴孔压最小，挡在浸润线以下时，直通虫穴的孔压最小。此外，虹吸虫穴和直通虫穴的孔压基本接近。以上分析表明，3种不同的虫穴对孔压的影响较大，当虫穴位于浸润线以上时，串联虫穴对孔压影响最大，直通虫穴影响最小，当位于浸润线以下时，土体饱和，直通虫穴对孔压的影响最大。

2.2 不同虫穴对渗流速度的影响

不同形式的虫穴对浸润线以上渗流速度的影响如图4所示。

图4 不同形式虫穴对渗流速度的影响(浸润线以上)

结果表明，对于单一虫穴和直通型虫穴而言，随监测点的增大，渗流速度随监测点的增大而先增大后减小。而对于虹吸虫穴和串联虫穴而言，渗流速度呈现M型。其中，单一虫穴最大渗流速度为1.7×10-3m/s，虹吸虫穴最大渗流速度为1.3×10-6m/s，直通虫穴最大渗流速度为2.8×10-6m/s，串联虫穴最大渗流速度为9.4×10-3m/s。综合来看，导致以上渗流速度差异性的原因是由于，串联式的虫洞位于土石坝内部，由于水头差的原因，当水位升高时，在土石坝内部形成渗流，从而导致渗流速度增大。而对于直通式的虫穴而言，由于虫穴为直线，由于上下虫穴存在高差且相互贯通，因此渗流速度相对也较大。

不同形式的虫穴对浸润线以下渗流速度的影响如图5所示。

图5 不同形式虫穴对渗流速度的影响(浸润线以下)

结果表明，对于单一虫穴和直通型虫穴而言，随监测点的增大，渗流速度随监测点的增大而先增大后减小。而对于虹吸虫穴和串联虫穴而言，渗流速度呈现M型。其中，单一虫穴最大渗流速度为1.3×10-5cm/s，虹吸虫穴最大渗流速度为1.4×10-4cm/s，直通虫穴最大渗流速度为5.5×10-5cm/s，串联虫穴最大渗流速度为0.033cm/s。综合来看，3种不同的虫穴渗流速度均大于单一虫穴的渗流速度，这证明虫穴的存在确实会对土石坝内部的渗流产生影响。对于串联式虫穴而言，由于水位上升导致土体饱和，水流速度增大，因此导致渗流速度增大。

3 结论

本文采用数值模拟研究了土石坝内部虫洞及空腔类型对土石坝的渗流作用的影响。得到以下结论。

(1)浸润线以上和浸润线以下虫穴对孔压的影响比较一致。随着监测点编号的增大，孔压先增大后减小，最大孔压在浸润线以上为-18kPa，在浸润线以下为44.5kPa。综合来看，有虫穴的渗流孔压大于与无虫穴的孔压。

(2)虫穴位于浸润线以上时，串联虫穴对孔压影响最大，直通虫穴影响最小，当位于浸润线以下时，土体饱和，直通虫穴对孔压影响最大。

(3)多种虫穴渗流速度均大于单一虫穴的渗流速度，对于串联式虫穴而言，由于水位上升导致土体饱和，水流速度增大，导致渗流速度增大。