堤坝蚁穴的稳定性及盐土防蚁研究

2023-09-15范志辉

水利科技与经济 2023年9期

范志辉

(东莞市东莞大堤管理处,广东东莞 523000)

0 引言

白蚁巢会使堤坝内部产生腔巢,严重影响堤坝的安全性及稳定性。近年来,许多专家学者针对白蚁巢对堤坝的稳定性影响开展了相关研究。张树田等[1]以某水利枢纽土石坝为研究对象,对比不同白蚁防治措施的优劣以及资金投入情况,为水利工程白蚁的防治工作提供参考依据。夏旭东等[2]以某水电站为研究对象,采用白蚁监控技术,分析该技术在实际工程中的应用效果,对该水电站的白蚁治理提出相关建议。沃玉报等[3]以某堤坝工程为研究对象,根据该地区的实际情况,针对性地提出白蚁治理建议,分析治理措施对堤坝工程的稳定性影响情况。张红旭等[4]以某地区水库堤坝为研究对象,采用无损探测修复技术,对水库堤坝的白蚁危害情况进行防治,为后续的白蚁防治提供了理论依据及技术支持。臧德记等[5]以某地区水库和土坝为研究对象,对其进行电阻率检测,以探测其结构内部的白蚁巢穴情况,并根据检测结果,提出针对性的白蚁防治措施。

本文以某堤坝为研究对象,利用有限元软件,分析白蚁蚁穴对其渗流特性和稳定性的影响,并提出盐土防蚁的相关建议。

1 工程概况

本文以某堤坝为研究对象,其总长度410 m,坡高10 m,坡角45°。该地区地势东高西低,地质情况良好,主要以粉质黏土、粉砂和黏土为主;边坡表层为残积土及下层的全风化岩层,土质以红黏土、砂土和粉质黏土为主;地下水位线位于地下2m处。

2 有限元模型

由于蚁穴会使堤坝内部产生腔巢,当水位线上涨时,水会随着蚁穴进入堤坝内部,在其内部形成渗流通道,从而影响堤坝的稳定性。不同形式的蚁穴在堤坝内部的结构形式不同,对堤坝稳定性的影响程度也不同。本文将蚁穴分为虹吸式、直通式和串通式,分别对不同形式蚁穴对土堤坝的稳定性影响进行研究。

虹吸式蚁穴的两端蚁道较低,中部蚁道最高,且蚁穴位于蚁道的下部,当水位上涨时,只有水位超过中部最高蚁道时,堤坝内部才会有渗流现象。直通式蚁穴的蚁道呈直线,蚁穴位于蚁道上部,由于上下部蚁道存在高差,且蚁道上下贯通,当水位上升时,渗流速度较大,堤坝在渗流作用下,容易发生结构破坏。串联式蚁穴位于蚁道内部,一段蚁道为水平,一段蚁道为倾斜,由于其蚁道存在高差,当水位上升时,堤坝内形成渗流现象,且水流速度较快,从而影响堤坝的内部结构,使其发生破坏。

对堤坝进行有限元模拟,分析其稳定性变化规律,模型见图1。由上游或下游堤坝的水位静水压力来模拟堤坝期间使用的初始水力条件。堤坝沿上游斜坡的最低水位2.5m,最高为8.5m,为了模拟该地区的雨季,上游斜坡水位在20天内以0.3m/d的速度从2.5m增加至8.5m;20天后,上游坡面水位由8.5m下降至2.5m,水位随后在30天内保持不变。

图1 有限元模型

模型相关参数见表1。

表1 模型相关参数

3 结果分析

3.1 渗流特性分析

为了分析白蚁对堤坝的渗流和稳定性的影响,比较3种不同白蚁筑巢堤坝和非侵蚀堤坝浸润线的位置变化情况。非侵蚀堤坝的浸润线高度变化曲线见图2。由图2可知,随着距离的增大,非侵蚀堤坝的浸润线逐渐下降。其中,50 天的浸润线高度最大,70天的浸润线高度最小,浸润线高度与时间呈负相关关系。当模拟时间越大时,其浸润线高度越小,这是由于在模拟的前期,在降雨条件作用下,上游斜坡的水位迅速上升,而后水位下降,最后保持不变,这时堤坝内部的渗流较不稳定,所以此时浸润线高度较大;当时间较大时,堤坝内部的渗流情况逐渐稳定,此时堤坝的浸润线高度较小。当距离小于0m时,不同时间的浸润线高度差距较为明显;当距离大于0m时,不同时间的浸润线高度具有一致性。这是由于此侧为常水位,与水接触的面积较大,所以不同时间堤坝内部的渗流情况具有一定的差异性;而另一侧为尾水位,与水接触的面积较小,不同时间的堤坝内部的渗流情况差距较小。

图2 非侵蚀堤坝的浸润线高度变化曲线

直通式蚁穴堤坝的浸润线高度变化曲线见图3。由图3可知,直通式蚁穴堤坝的浸润线变化趋势与非侵蚀堤坝类似,随着距离的增大,直通式蚁穴堤坝的浸润线逐渐下降,浸润线高度与时间呈负相关关系,当模拟时间越大时,其浸润线高度越小。当时间为50天时,堤坝的水位下降,保持在2.5m,由于前期降雨条件的影响,此时浸润线高度仍为最大,对比非侵蚀堤坝浸润线高度可得,直通式蚁穴堤坝的最大浸润线高度与非侵蚀堤坝差距较小。相较于其它时间的曲线,直通式蚁穴堤坝50与55天的曲线较为分散,其余时间的曲线较为集中。这是由于50与55天的堤坝浸润线位于蚁穴上部,直通蚁巢水位存在高差,且蚁道上下贯通,对蚁巢周围的渗流孔压影响较大,其浸润线能更快达到稳定状态,且此趋势在时间较小时较为明显。表明直通式蚁穴对堤坝的浸润线高度有一定的影响,且在时间较小时,其效果较为明显。

图3 直通式蚁穴堤坝的浸润线高度变化曲线

虹吸式蚁穴堤坝的浸润线高度变化曲线见图4。由图4可知,虹吸式蚁穴堤坝的浸润线高度曲线与上述两种堤坝的浸润线高度曲线具有一定的差异性。随着距离的增大,虹吸式蚁穴堤坝的浸润线逐渐下降,浸润线高度与时间呈负相关关系,但是位于常水位一侧的浸润线高度变化较小,位于尾水位一侧的浸润线高度变化趋势较为明显,且大部分浸润线高度位于蚁道以下。这是由于虹吸式蚁穴的两端蚁道较低,中部蚁道最高,且蚁穴位于蚁道的下部,只有水位超过中部最高蚁道时,堤坝内部才会有渗流现象;当水位上涨时,呈现先上升后下降的趋势,在尾水位一侧,水流迅速下降,当水进入蚁道后,使得堤坝浸润线上溯较高,其内部的土体对水的吸附能力下降。

图4 虹吸式蚁穴堤坝的浸润线高度变化曲线

串联式蚁穴堤坝的浸润线高度变化曲线见图5。由图5可知,串联式蚁穴堤坝的浸润线高度曲线与上述3种堤坝的浸润线高度曲线存在显著的差异性。随着距离的增大,串联式蚁穴堤坝的浸润线逐渐下降,浸润线高度与时间呈负相关关系,串联式蚁穴堤坝的浸润线高度在蚁穴处发生突变,下降趋势显著。当时间大于60天时,不同时间下的浸润线高度曲线较为集中,时间为50和55天的浸润线曲线在常水位一侧差距较大,而在尾水位一侧数值较为集中。当处于常水位一侧时,堤坝的浸润线高度变化趋势较为平缓;当位于尾水位一侧时,浸润线高度的下降趋势显著。这是由于串联式蚁穴位于蚁道内部,一段蚁道为水平,一段蚁道为倾斜,其蚁道存在高差,当水位上升时,堤坝内形成渗流现象;而常水位一侧的蚁道为水平段,尾水位一侧蚁道为倾斜段,所以常水位一侧的浸润线高度较为平缓。

图5 串联式蚁穴堤坝的浸润线高度变化曲线

3.2 整体稳定性分析

本研究引入安全系数(Fs)对堤坝的整体稳定性进行分析,各堤坝迎水坡的时间-安全系数曲线见图6。由图6可知,随着时间的增大,4种堤坝迎水坡的安全系数均呈现先减小后增大的趋势。当时间较小时,各堤坝间的安全系数差距较小;随着时间的增大,当时间大于20天时,不同堤坝迎水坡的安全系数呈现出一定的差异性。当时间为20～50天时,非侵蚀堤坝的安全系数最大,表明蚁穴的存在对堤坝的稳定性具有一定的影响;当时间大于50天时,不同堤坝的安全系数具有明显的差异,其中非侵蚀堤坝的安全系数最大,串联式蚁穴堤坝的安全系数最小,表明蚁穴会显著降低堤坝的安全性;随着时间的增大,其对堤坝的侵蚀效果越明显,其中串联式蚁穴对堤坝安全性的影响最大。在实际工程中,规范所要求的最小安全系数为1.1～1.5,蚁穴虽然对堤坝的稳定性有一定的影响,但堤坝的稳定性仍能满足工程需求。

图6 迎水坡的时间-安全系数曲线

各堤坝背水坡的时间-安全系数曲线见图7。由图7可知,随着时间的增大,非侵蚀堤坝的安全系数基本保持不变,有蚁穴的堤坝安全系数呈现先减小后增大的趋势,表明蚁穴的存在对堤坝背水坡稳定性的影响较大。随着时间的变化,虹吸式蚁穴堤坝的安全系数减小量最大,其值为0.35;直通式蚁穴堤坝的安全系数减小量最小,其值为0.15,表明在降雨条件下,非侵蚀堤坝的稳定性无明显的变化,而降雨对虹吸式蚁穴堤坝的影响较大。当时间大于50天时,非侵蚀堤坝的安全系数最大,直通式蚁穴堤坝的安全系数次之,再次为串联式蚁穴,最后为虹吸式蚁穴。为保证堤坝的稳定性,在实际工程中应对白蚁病害进行防治,在背水坡尤其要注意虹吸式蚁穴对堤坝稳定性的影响。对比堤坝迎水坡的安全系数可得,背水坡的安全系数偏小,表明迎水坡的稳定性更高,但背水坡的各堤坝安全系数均大于1.5,满足规范的相关要求。

图7 背水坡的时间-安全系数曲线

4 盐土防蚁

由于普通防治方法难以彻底根除白蚁病害,近年来,盐土防蚁屏障被广泛应用于实际工程中。该方法将食盐掺入堤坝的黏土中,在保证堤坝稳定性的前提下,达到治理白蚁的目的。前人试验研究表明,当食盐含量为3%以下时,土体的力学性能无明显的变化,可将其作为盐土用于白蚁防治;当土体内含盐量为0.4%时,白蚁的防治效果较好,在此浓度下,既能达到防治白蚁的目的,也能满足堤坝的稳定性需求。在本研究的堤坝工程中,可使用含盐量为0.4%的盐土用于白蚁防治。