悬挂式防渗墙对堤基管涌的影响研究

季卫星

(江苏昌泰建设工程有限公司，江苏 泰兴 225400)

堤防和大坝潜在的渗透问题给工程带来了很大的安全隐患。我国土石坝在大坝工程中占有很大部分，Foster et al针对世界上11192座大型土石坝的破坏方式进行统计，得到由管涌问题导致大坝破坏的比例高达45%；贾金生对我国坝高高于30m的大坝进行统计，其中土石坝约占59%[1- 8]。在堤防工程方面，长江水利委员会统计出，由管涌引发的险情约占52%；我国在2011年进行水利普查时，我国的堤防总长度为413679km。由此可知，管涌问题的研究对于保护土石坝和堤防安全是重要的研究方向。

目前，防渗墙分为截断式防渗墙、半截断式防渗墙和悬挂式防渗墙。大量的试验表明悬挂式防渗墙随着贯入度的增加，渗流量随之降低。张家发等通过试验研究发现悬挂式防渗墙能够有效的阻止管涌的发展，对于渗透的扩展制约更大[9]；李广信等通过试验发现随着悬挂式防渗墙深度的增加，它能阻止管涌发展的作用更大[10]；丁留谦等通过改变悬挂式防渗墙在地基中的位置，得出其在背水侧对阻止管涌发展的效果更加的明显。目前，通过试验对悬挂式防渗墙的了解已经有了总体的认识，但是在悬挂强数值模拟方面对其作用的机制研究还不够深入。

1 管涌动态发展模型的建立

1.1 渗流域和管流域控制方程

在管涌发展过程中，水流状态可分为层流和紊流。管涌通道边界的渗流域和管流域存在着水头差。通道尖端和管壁之间的土体颗粒都会被冲刷到管涌通道中。本文假设被侵蚀颗粒的浓度没有达到流体性质的程度，水流仍然视为粘性和不可压缩的牛顿流体。这样可实现简化模型的优点，水流中的质量和动量守恒方程如下：

(1)

(2)

式中，Q—水流量；q—单位长度的渗流量；v—断面的平均流速；H—上游水头；A—断面面积；λ—阻力系数。

相对于二维的渗流区域，二维的渗流微分方程符合达西定律，方程如下：

(3)

式中，kx、ky—x、y方向的渗透系数。

1.2 颗粒侵蚀与管涌通道发展

对于后向性侵蚀的现象，其内部的侵蚀过程通常认为是通过渗流水将骨架中细小的颗粒随着水流的渗出而带走，这样的过程将会导致骨架中细小颗粒的含量越来越少，土体中的孔隙含量越来越大，从而使土体最终被侵蚀破坏。本文从四个方面了解颗粒侵蚀的物理现象，如图1所示。

图1 管涌发生发展物理图景

(1)通道发展方向

颗粒的运动是受渗透水流作用力和颗粒与周边颗粒摩擦力的共同作用引起的，颗粒在不同的侵蚀环境下所受到的启动条件是不一样的。土体内部在侵蚀的过程中，由于土的各向异性，因素在各个方向的受力是不同的，土体产生的侵蚀方向也是不同的，通过对土体内部颗粒的受力分析可知，颗粒可以再几个方向上同时起动。随着渗流的作用，土体内部细小的颗粒不断的被水流带走，细小颗粒的比重不断的减少，最终导致土骨架的破坏。随着细小颗粒的流失，在土体的内部将会出现一个水流最大的方向，在这时颗粒的侵蚀现象也会随之增大，因此，选择颗粒侵蚀最大的方向为通道的发展方向。

(2)管涌通道的前进速度

管涌尖端的前进速度由水流带走颗粒的速度决定的，由于管涌的发生是在土体的内部，对于管涌通道的前进速度的计算就显得尤为困难。目前，大多数研究侵蚀的方程基本上都是基于表面的侵蚀研究，但是这样有很严重的缺点，在土体的内部和表面管涌的前进速度是不一样的，这样就使毛管模型在土体参数上与多孔介质原型上难以相互验证。因为内部侵蚀发生时，涉及到颗粒的沉积和阻塞问题，土体内部与土体表面的侵蚀速率相比较小。一些学者提出了过量渗流流速的侵蚀率公式：

Es=k3(u-uc)

(4)

式中，ES—单位面积土体的侵蚀量，K—侵蚀系数，U—渗流流速，i—水力梯度，u0—渗流流速对应的临界值。当侵蚀率确定后，可以计算出通道尖端沿着发展方向的前进距离。

2 悬挂式防渗墙的影响

2.1 悬挂式防渗墙对路堤管涌的控制作用

本文选取强透水层的土体初始孔隙度为0.35，悬挂墙设置在堤身的中间位置，距上游堤角之间的距离为75m，强透水层的厚度为45m。图2为上游水头为4m时，防渗墙深度为3m时的堤基破坏形态示意图，其中管涌通道通过红色的实线表示。

图2 管涌贯穿堤基破坏的通道形态

当悬挂式防渗墙不能够阻止管涌的继续发展，图3比较了在上游水头4m的位置下，不设置防渗墙的发展时间变化过程。

图3 管涌水平发展距离与时间关系的曲线

由图3可以看出，如果内有悬挂式防渗墙，上游4m水头时管涌贯穿堤基需要时间为86个小时。而当设计3m深的悬挂式防渗墙时，其发展速度缓慢，将近50个小时，可以得到：悬挂式防渗墙能够起到减缓管涌发展的速度，能够争取抢险的时间。

2.2 悬挂式防渗墙墙身的影响

由上一节可知，墙身的增加对管涌破坏的水头是有效的，本节计算中仅仅改变墙深的深度。图4为不同墙深的情况下模拟管涌贯穿堤基的临界上游水头结果；图5为PSD2砂样的孔隙度和各项异性的数得到的计算结果。

图4 临界贯穿破坏水头与防渗墙深度的关系(PSD1)

图5 临界贯穿破坏水头与防渗墙深度关系(PSD2)

由图5的模拟结果可知：在相同的外界条件和相同的水力条件下，细颗粒更容易随着管涌的现象被带出，也更容易发生管涌现象，而在工程经验中墙深与临界水头的关系在模拟使用中受限。

2.3 悬挂式防渗墙位置的影响

在施工时，一般的情况下都会将悬挂式防渗墙从堤顶打入，根据需要深度到堤基的不同位置，但是也有很多情况是将防身措施同地方工程同时施工，合并在一起同时发挥作用。本算例通过改变悬挂式防渗墙的位置，研究悬挂式防渗墙分布在不同位置的作用效果。图6是以砂样PSD1作为土料，通过改变墙的深度，研究不同深度与管涌贯穿堤基破坏的临界上游水头。

图6 临界贯穿破坏水头与防渗墙深度的关系(PSD1)

从图6可以看出，在防渗效果方面，悬挂式防渗墙的位置对防渗效果有很明显的影响，悬挂式防渗墙在提防中部比设置在上游堤脚处的效果要好很多。当悬挂式防渗墙设置在上游的堤脚位置时，只有墙深大于8m时才能够按照工程经验设置防渗墙的位置，而当墙深小于8m时，就有可能出现管涌绕过防渗墙的情况。

3 结论

本文研究了在典型条件下，悬挂式防渗墙设置不能够阻止管涌现象的发生，但是悬挂式防渗墙能够有效的延缓管涌贯穿堤基的发展时间，为工程抢险提供了准备的时间，能够有效的防治险情的继续扩展，得到的主要结论如下：

(1)当墙深在8m以上时，通过工程经验和上游水头的关系都能够保证悬挂式防渗墙控制管涌发展的作用；当墙深在3m以下时，各种工况的防渗效果都发挥阻止管涌发展的作用。

(2)悬挂式防渗墙能够明显的影响局部流场。如果管涌发生点不在防渗墙的影响范围内时，则防渗墙发挥的作用很小。

(3)悬挂式防渗墙墙深的增加能有效提高管涌破坏时的临界水头。由于土体渗透系数的各向异性，导致一般土体在竖向上的渗透系数较小，从而降低了绕流时的初始渗流力，使管涌现象更加的不容易发生，从而提高了悬挂式防渗墙的作用。