双层堤基管涌渗流破坏过程模拟研究

双层堤基管涌渗流破坏过程模拟研究

0管涌口和渗流场模拟双库大坝的使用在大坝工程中尤其常见。水库的基本形状通常由弱渗透性的顶层和强渗透性的下降层组成。上覆层为自然堆积或人工碾压而成的黏土层,而下伏层为强透水砂层。在渗透破坏发生前,由于上覆层的渗透性比下伏层大的多,上覆层底面承受很大的水压力,如果压力值破坏了上覆层的静力平衡,则水压力会顶穿上覆层形成管涌口。下伏层细颗粒在水流作用下被带出土体,形成集中渗漏通道并引发渗透破坏。从20世纪初开始,尤其是“九八”大洪水以后,人们充分认识到了双层堤基渗透破坏发生发展研究的重要性,各国学者对土的管涌破坏机理展开了深入研究,通过大量的室内处试验及理论分析,提出了一系列渗透破坏的判定方法,并且在实践中得到了应用。同时,一些新的研究方法及研究手段也在渗透破坏研究中得到了应用,如虚拟镜像注水井的方法、人工智能方法、有限单元法、离散单元法等,取得了良好的效果。管涌是渗透破坏的主要形式,本文利用自行研制的渗透破坏试验仪,对管涌发生及发展过程进行了模拟。在模拟过程中,记录管涌发生时以及管涌发展过程中试样不同位置处孔隙水压力的变化情况;同时,通过观测流量、出砂量等参数,掌握管涌的发展与时间、上游水头的关系。在试样发生渗透破坏以后,降下上游水头,重新进行渗透破坏试验,模拟堤坝在多次高水位作用下发生渗透破坏的联系与区别,研究多次管涌对堤坝抵抗渗透破坏能力的影响。1试验模型和试验步骤1.1高血压土试验设备及参数设计试验在自行研制的渗透破坏试验仪中进行,试验模型槽的构造见图1。该模型槽长150cm,宽、高各70cm。模型槽顶面为活动盖板,具有竖向移动自由度且隔水作用。盖板及以下设置厚度为7.5cm的黏土垫层模拟弱透水的上覆层。盖板右端在指定位置开有直径为10cm的出水口,以模拟上覆层的薄弱环节,上覆黏土层在出水口处被顶穿而形成管涌口。模型槽侧壁上设置10支孔隙水压力传感器(图1),测量试验过程中试样内孔隙水压力的变化情况。试验过程中传感器数据利用计算机数据采集系统每隔一定的时间自动采集并保存。以地面为零势面,出口水头高度为86cm。利用孔隙水压力与水头的关系,将测得的孔隙水压力值换算成水头高度进行分析。本次试验的试样由砾石和细砂按一定的比例混合配制而成,混合后试样的物理参数d20=0.28;d30=0.4;d60=30;Cu=107.14。试样的颗粒组成情况见图2。1.2土垫层试样渗透试验(1)装样并饱和。设计试样颗粒级配,并按预定的密实度分层装样,每层厚约10cm,击实至预定密实度,直至设计标高;在试样上部覆盖黏土垫层,盖上盖板;向模型槽内加水至试样顶面以上,饱和24h以上;(2)分级增加上游水头开始试验。试验采用卷扬机提升水箱方法控制上游水位,水箱内设置液位传感器,当液位下降时控制水泵向水箱内注水,实现上游水头的稳定;(3)试验开始后连续测量流量、孔隙水压力等参数;(4)收集渗透破坏过程中涌出砂;(5)在试样渗透破坏发生后,降下上游水头并静置一段时间;(6)重复步骤(2),进行下一循环的试验。2试验过程2.1第一阶段:2002400min试样饱和到预定时间,试验开始计时,100min后开始逐级施加上游水头。试验初期渗流速度缓慢,每级增加水头大约为15cm,200min以后每级增加的水头约为5cm。水头施加后静置一段时间,确保渗流达到稳定。图3为各孔压传感器处水头随上游水头升高的变化曲线。施加上游水头后,结合流量曲线(图4)与试验过程中的现象,试验过程分为以下几个阶段:(1)试验初期的稳定阶段(100~400min)。在这一阶段,试样内水头在随着上游水头的增加而增加,且保持很好的一致性;这一阶段流量较小,随上游水头的升高呈线性增长。(2)上覆层薄弱点破坏阶段(400~410min)。当试验进行到400min时,渗透流量突然增加,出水口涌出水变浑浊且夹杂黏土垫层细颗粒,说明此时上覆层破坏,管涌口形成。传感器测得上覆层破坏后水头值降低,靠近出水口的1号、2号、3号、5号及8号传感器处水头降低幅度较大,越远离出水口,水头降低幅度越小。(3)上覆层破坏后的稳定阶段(410~700min)。当上覆层破坏后,出水口涌出水由混浊逐渐变清,渗流又进入一个相对稳定期,在这一阶段,试样内水头随上游水头的增加而增加,流量基本呈线性增长,线性拟合曲线的斜率是阶段2的3倍左右。(4)下伏层渗透破坏阶段(700min以后)。当试验进行到700min左右时,上游水头增加至183cm,此时出水口流量骤然增加,由17.6mL/s增加到276mL/s,流量增加了15倍,并且还有继续增大的趋势。大量细砂夹杂在水中流出,试样发生管涌破坏。由于流量的剧增,出水口涌水不能及时排出,从而使出水口水头上升,试样侧面各点处水头在破坏时骤然上升,并随后下降。随后降下上游水头,结束这一阶段的试验。2.2试验结果分析在第一次渗透破坏发生后,将上游水头降至与出水口相等,使试样内孔隙水恢复至静止状态。然后重新施加上游水头,重复类似上次的试验过程,直至流量出现突变,如此反复,再进行3次试验。为方便叙述,将第一次试验记为“试验一”,后3次试验分别标记为“试验二”、“试验三”以及“试验四”。取1,5,6,7号传感器位置处的水头变化进行分析(图5)。“试验二”与“试验一”相同,在试验前期,随上游水头的增加,试样内各点的水头大小基本呈线性增加,流量与水头差也基本呈线性关系;当试验进行到477min时,水头曲线出现突变,随后5,6,7号传感器位置处水头有下降趋势,同时流量值偏离原线性曲线,呈加速增加,在同一水头差下流量迅速增加,大量细砂随水流出,试样又一次出现渗透性破坏。“试验二”结束后,以同样的方式,降下上游水头后进行下一轮试验。在随后进行的“试验三”及“试验四”中,虽然试样内水头的总体变化趋势依然是随上游水头的增加而增加,但5,6,7号传感器位置处水头值的差值减小,到进行“试验四”时,3个位置处的水头值基本相同。试验过程中没有出现水头的突变情况,流量随上游水头的增加呈线性增长(图6)。3试验结果的分析3.1管涌口渗透系数计算对于双层堤基,管涌的发生是从上覆层的破坏开始的。在本次试验中,上覆层的破坏发生在“试验一”的400min左右,此时上游水头为146.5cm,在此水头下上覆层被顶破,根据破坏前后各孔压传感器测得的数据,绘制试样内水头分布的等势线图(图7)。在上覆层破坏后,试样内的水头重分布,破坏后试样内的水力梯度明显增加,说明在上覆层破坏前,上下游间的水头差主要消耗在上覆层上,即上覆层底部要承受很强的向上水压力,当水压力不断增加且破坏了上覆层的静力平衡后,上覆层破坏而形成管涌口。上覆层破坏后,由上覆层承担的水头差转由下伏层承担,使得下伏层内的水力梯度上升。在上覆层破坏前,出水口可以认为是平底圆浅井,利用孔口附加阻力近似式,可以对上覆层承担的水头差进行计算。设上下游总的水头差为H,上覆层承受的水头差为∆H。根据孔口附加阻力近似式,可以得到管涌口处的流量表达式为式中Q为流量;k为下伏层渗透系数;T为下伏层厚度;L为管涌口距上游入水口的距离;r0为管涌口半径;c为管涌口到侧边界的距离。由式(1)可以得到∆H的表达式:利用室内常水头测定渗透系数的方法,对试样下伏层的渗透系数进行测量,得到下伏层的渗透系数为5×10-3cm/s。在水头流量曲线取一组上覆层未破坏时的数据,如取水头133cm、流量1.863mL/s,上下游水头差为133-86=47cm,将渗透系数、水头差、流量代入式(2),得到∆H=20cm,即上覆层承担总水头差为20cm,而下伏层承担的水头差为27cm,也就是说,在管涌破坏发生前,即上覆层破坏前,有近43%的水头差作用在了厚度仅为下伏层1/10的上覆层上。3.2管涌破坏阶段在上覆层破坏后,由上覆层承担的水头差转由下伏层承担,管涌口附近水头下降,渗流场水头重新分布,试样整体水力梯度增加,如果水力梯度增加至下伏砂层的临界水力梯度,则在渗流作用下颗粒沿管涌口被带出地面,形成管涌破坏,但在本次试验中,当上覆层破坏后渗流又进入一个相对稳定期,渗透流量随上下游水头差的增加呈线性增长,即说明上覆层破坏后试样内的水力梯度虽然增加,但还未达到临界水力梯度。直至试验进行至700min左右时,出水口流量骤然增加,大量细砂在水流作用下被带出,且流量还有继续增加的趋势,说明此时土体进入下伏层的渗透破坏阶段。同时也说明,上覆层破坏后的渗流稳定阶段并非一定存在,如果上覆层被顶破的压力较大,在上覆层破坏后,原来由上覆层承担的高水头差转由下伏层承担,所引起的水力梯度超过了试样的临界水力梯度,则直接进入下伏层渗透破坏阶段。3.3管涌通道与试样细粒组化在第一次重复试验,即“试验二”中,试验前期流量与水头差基本呈线性关系,但对于相同水头差下的流量值,“试验二”较“试验一”有了很大的增长,说明在经过第一次试验的破坏过程后,试样的渗透性有了明显的增加;当试验进行到477min时,各水头曲线出现突变,同时流量值偏离原线性曲线,流量迅速增加,大量细砂随水流出,试样又一次出现渗透破坏,此时上游水头为172cm,较第一次试验降低了11cm。而在“试验三”与“试验四”中,试样内同一水平面上的5,6,7三个传感器位置处水头基本相同,流量随试验次数的增加而增长,且流量与上游水头基本呈线性关系,说明试样中已形成了较为集中的管涌通道。在试验过程中,每隔一定时间,对涌出砂粒进行了收集,并分析了单位时间内的涌砂量以及涌出砂的平均颗粒组成(图8,9)。在“试验二”中,对应流量曲线中的流量突变点,当试样发生渗透破坏时涌砂量也呈现出急剧增加的现象;而对于“试验三”与“试验四”,同一水头差下的涌砂量较“试验二”小,且两次试验中的涌砂量曲线十分相近,即在“试验三”及“试验四”中管涌通道规模较“试验二”稳定。从涌砂的平均级配曲线中可以看出,随着试验的进行,涌出砂的颗粒组成越来越接近原样土中的细砂的颗粒组成。在4次试验结束后,揭开盖板及黏土垫层以检验管涌冲刷对试样的破坏情况(图10)。发现黏土垫层下部试样顶面的细颗粒基本全部流失,形成强渗漏的管涌通道,通过开挖发现通道厚度约有5cm,通道贯穿入水口与管涌口,在管涌口处收缩,在管涌口附近,流失区域轮廓呈以管涌口为中心的半圆形。在通道下部及周边未破坏的区域,颗粒流失较少。4管涌渗变形破坏的力学性能本文利用室内试验装置,模拟了双层堤基在上游水头升高的过程中发生渗透破坏的过程,并通过对发生过破坏的试样再次施加高水头,模拟了多次洪峰作用下堤基抵御渗透破坏能力的变化以及渗透破坏过程的特性。从试验中可以看出,双层堤基发生渗透破坏主要经历了两个破坏过程,即上覆层被顶破的过程以及下伏层颗粒被带出而发生管涌的过程。上覆层在破坏前承担更多的上、下游水头差;当上覆层破坏后,由上覆层承担的水头差转由下伏砂层承担,致使靠近管涌口位置处的下伏层水头降低,整体水力梯度增加,当水力梯度超过下伏层发生管涌的临界水力梯度时,下伏层将发生渗透破坏。堤基经历渗透破坏过程后,其抵御破坏的能力严重下降,再施加高水头时更容易发生渗透破坏,并形成集中的渗透通道。当地层中形成集中渗漏通道后,大量细颗粒在水流作用下被带出,涌水量及通道规模都不断增加,如果