堤防管涌渗流场响应特征的数值模拟

刘 胜,王 媛,冯 迪

(1.河海大学水利水电学院,江苏 南京 210098; 2.河海大学土木与交通学院,江苏 南京 210098)

堤防工程是我国防洪体系的重要基础,在保护沿岸人民生命财产安全方面起到了重要作用。管涌作为一种主要的堤防渗透破坏形式,严重威胁堤防的安全运行。狭义的管涌是指在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象[1]。工程中常将堤防背水侧地面被其下承压水顶穿形成孔洞冒水涌沙的现象称为管涌[2],为了说明方便,本文中的管涌指工程中堤防冒水涌沙的渗透破坏行为。

国内外学者针对堤防管涌开展了大量的研究[3]。例如:刘洪辰等[4]采用管涌砂槽模型试验研究了覆盖层及其与砂层接触面特性对堤基管涌发生发展的影响;倪小东等[5]基于透明土技术与颗粒流方法联合开展了管涌细观机理的研究;Akrami等[6]研究了粗砂屏障对管涌发生发展机理的影响。目前对堤防管涌的研究主要关注管涌发生发展的机理,对管涌发生前后堤防渗流场变化的研究较少。管涌发生后周围土体的渗流场会发生相应变化[7-8],研究管涌发生后孔隙水压力(简称孔压)的响应特征,对于进一步认识管涌机理和监测识别管涌险情具有重要意义。

管涌险情的识别和预测对防汛抢险至关重要。明攀等[9]研究了管涌发生过程中声发射信号的变化规律,发现在管涌发生时声发射信号参数存在明显的特征变化,可据此对管涌进行预报;Bersan等[10]研究了光纤分布式温度传感器在堤防管涌监测中的应用。一些学者研究了基于红外热成像技术的堤坝渗漏险情探测方法[11],但这些方法大多处于研究阶段。目前汛期堤防管涌险情的巡查主要靠人海战术,不仅消耗大量人力,而且效率较低。研究基于孔压响应特征的管涌监测方法,对于快速识别管涌险情、提升抢险效率具有重要意义。

为了减小室内试验带来的尺寸效应,本文采用数值模拟方法研究管涌发生后堤防的渗流场响应特征,研究管涌发生后堤防不同深度和水平位置处的孔压变化规律,分析管涌位置和管涌通道尺寸对管涌发生后堤防孔压变化的影响,以期提出基于孔压变化特征快速识别堤防管涌险情的思路,得到可用于堤防管涌监测的孔压测量设备合理布设区域。文中将堤基内形成竖向管涌通道后的堤防渗流场作为管涌发生后的渗流场。

1 模拟方法

对堤防发生管涌后的渗流场计算已有了大量的研究。张健等[12-13]将管涌通道看作完整井或非完整井,推导管涌发生后的堤防渗流场理论公式,这些理论公式使用方便,但适用性有限,无法考虑复杂的地质条件和堤身结构对渗流场的影响。王霜等[14-15]将管涌通道的渗透系数进行放大,在整个计算区域采用达西渗流理论计算堤防的渗流场,这种方法操作简单,但是管涌通道渗透系数的科学确定比较困难。王大宇等[16]在管涌通道区域采用管流理论,在其他区域采用达西渗流理论计算,管流和达西渗流区域公共边界上水头相等、流量大小相等且方向相反,这种计算方法更加精确,但是需要耦合计算,计算代价较大。

管涌发生后,由于与地表连通的竖直管涌通道内水流流速较小,为兼顾计算效率和精度,本文不考虑管涌发生后竖直管涌通道内的水头损失,以地面为零位置水头面,管涌通道边界的总水头为零,删除管涌通道内的介质,其余区域采用达西渗流理论计算堤防的渗流场。

1.1 方法验证

以王霜等[17-18]的管涌模型槽试验为参考进行数值模拟,验证所提出模拟方法的合理性。数值模拟中模型参数的选取参考文献[17-18],数值计算模型如图1所示,模型长73cm,宽、高均为30cm。模型顶部为厚5cm的黏土层,渗透系数为5.0×10-6m/s,下部为砂土层,渗透系数为8.7×10-5m/s。模型左侧为进水室,以模型顶面为零位置水头面,模型左侧的总水头为23.4cm。模型顶面预设一管涌通道,管涌通道直径和深度均为5cm,管涌通道中心与模型右侧边界的距离为20cm。模型中设置7个测压点,测压点与模型顶面和侧边间的距离均为10cm。模型左侧设置为总水头为23.4cm的边界条件,管涌通道边界设置为总水头为0的边界条件,其余边界均为不透水边界,进行稳态达西渗流计算。

不同测压点处总水头的试验值和数值解如表1所示。由表1可知,测压点处总水头的试验值和数值解基本一致,仅在4号测压点处两者有一定偏差,在该测压点处总水头的数值解比试验值低5.7%,仍在可接受的范围内,因此本文中采用的数值模拟方法在管涌发生后的堤防渗流场的模拟上是可行的。

表1 测压点处总水头的试验值和数值解

1.2 模型设置

为减小尺寸效应给渗流场计算带来的影响,建立场地尺度的堤防数值模型,如图2所示。选用典型的二元堤基堤防结构,具体尺寸参考GB5028—2013《堤防工程设计规范》和文献[19],堤顶宽6m,堤身高8m,堤身迎水坡和背水坡的坡度均为1∶3,堤基长320m、宽100m,背水坡堤基长度为4倍的堤身底部宽度。覆盖层厚3m,渗透系数为3.0×10-6m/s,下卧层厚25m,渗透系数为3.0×10-4m/s。在堤脚附近管涌口位置设置竖向管涌通道,管涌通道位于模型宽度的中间位置。

图2 堤防场地尺度数值模型(单位:m)

渗流场计算中边界条件的设置如下:以堤基表面为零位置水头面,将堤防迎水坡和迎水坡侧堤基顶面设置为总水头为7m的边界条件,模拟设计洪水位的情况,将堤防背水坡侧堤基顶面和管涌通道边界设置为总水头为0的边界条件,将堤防背水坡设置为自由溢出边界,其余边界设置为不透水边界。将管涌通道周边位置网格进行加密,计算管涌发生后堤防稳定渗流场。上覆黏土层被承压水顶穿后渗流场是一个非稳定渗流的过程,最终趋于稳定,本文采用稳定渗流分析,模拟的是上覆黏土层被承压水顶穿后渗流场稳定的工况。

2 结果与分析

分别计算堤防发生管涌前后的渗流场,分析堤防不同位置处孔压的变化规律。为了解管涌通道周围不同位置处孔压的响应规律,以堤防的截面A和截面B(图3(a)(b))为代表(截面A为通过管涌通道中心的轴向截面,截面B为通过管涌通道中心的横向截面),分析不同位置处的孔压变化规律。截面A上设置测线Ⅰ和测线Ⅱ两条水平测线(图3(c))。截面B上设置4条测线(图3(d)),测线Ⅲ和测线Ⅳ为竖向直线,测线Ⅴ和测线Ⅵ为水平直线。

图3 堤防典型截面及测线示意图

2.1 管涌发生后不同深度处孔压变化规律

管涌通道直径设置为1m,深度设置为3m,完全贯通覆盖层,管涌通道边缘与堤脚的距离设置为1m,计算该工况下堤防的渗流场。选用截面B上的两条竖向直线为测线,测线Ⅲ通过管涌通道中心,测线Ⅳ位于管涌通道右侧,距管涌通道右边缘1m。管涌发生后两条测线上不同深度处孔压变化情况如图4所示。管涌发生后,堤防不同位置处的孔压均出现一定程度的降低。在测线Ⅲ上,随着测点深度的增加,孔压降低值不断减小,且减小幅度逐渐降低。越靠近管涌通道底部,孔压降低值越大,管涌发生后管涌通道底部孔压降低了2.199m,降低42.3%;孔压降低率(指管涌发生后的孔压相对于没有发生管涌时孔压降低的百分比)变化规律与孔压降低值变化规律相似。

图4 管涌发生后堤防不同深度处孔压变化

在测线Ⅳ上,随着测点深度的增大,孔压降低值先增大后减小,管涌通道底部上侧1m处(距离地表2m)孔压降低值最大,为0.557m,降低16.1%。管涌通道底部对应的深度处(距离地表3m)孔压降低0.538m,降低10.4%。随着测点深度的增大,孔压降低率逐渐减小。相同深度处测线Ⅲ上测点的孔压降低值大于测线Ⅳ,两条测线上管涌通道底部以下4.9m范围内的孔压降低值均大于0.2m。综上所述,当管涌通道贯通覆盖层后,管涌通道底部及其上部1m范围内孔压有较大幅度的降低,可作为监测管涌发生的孔压测量设备埋设深度范围。

2.2 管涌发生后不同水平位置处孔压变化规律

管涌通道直径设置为1m,深度设置为3m,完全贯通覆盖层,管涌通道边缘与堤脚距离设置为1m,计算该工况下堤防的渗流场。选用截面B上两条水平直线为测线,测线Ⅴ通过管涌通道底部,测线Ⅵ位于管涌通道底部以上1m处。管涌发生后两条测线上不同位置处的孔压变化如图5所示,当测点位于管涌通道左侧时,测点与管涌通道边缘的距离设为负值。管涌发生后,越靠近管涌通道位置孔压降低值越大,随着测点与管涌通道距离的增大,孔压降低值的减小逐渐变缓。管涌通道两侧与管涌通道距离相同位置处的孔压变化基本一致。

图5 管涌发生后堤防截面B上不同水平位置处孔压变化

对管涌发生后截面B上两条测线不同位置处孔压变化数据进行分析,管涌通道左侧测点的孔压降低值稍大于右侧距离相同位置处,但孔压降低率稍小于右侧距离相同位置处。当测线位于管涌通道底部时(测线Ⅴ),管涌通道边缘处孔压降低值为2.213m,降低率为42.5%;管涌通道边缘两侧3m范围内孔压降低值大于0.26m,降低率不小于5%;管涌通道边缘两侧16m范围内孔压降低值不小于0.1m。当测线位于管涌通道底部以上1m时(测线Ⅵ),管涌通道边缘处孔压降低值为1.567m,降低率为43.9%;管涌通道边缘两侧3m范围内孔压降低值大于0.19m,降低率不小于5.8%;管涌通道边缘两侧7m范围内孔压降低值大于0.1m。

当测点与管涌通道边缘距离大于1m时,与测线Ⅵ上测点相比,测线Ⅴ上测点的孔压降低值更大,但降低率更小。对于测线Ⅴ和测线Ⅵ上的测点,管涌通道两侧孔压降低率不小于5%的范围分别为3.0m和3.6m,测线Ⅵ上测点的范围比测线Ⅴ大0.6m。

选用截面A上的两条水平直线为测线,测线Ⅰ通过管涌通道底部,测线Ⅱ位于管涌通道底部以上1m处。管涌发生后两条测线上不同位置处孔压变化情况如图6所示,当测点位于管涌通道左侧时,测点与管涌通道边缘的距离设为负值。管涌发生后,越靠近管涌通道位置孔压降低值越大,随着测点与管涌通道距离的增大,孔压降低值的减小逐渐变缓;管涌通道两侧与管涌通道距离相同位置处的孔压变化基本一致。

图6 管涌发生后堤防截面A上不同水平位置处孔压变化

对管涌发生后截面A上两条测线不同位置处的孔压变化数据进行分析,当测线位于管涌通道底部时(测线Ⅰ),管涌通道边缘处孔压降低值为2.199m,降低率为42.3%;距管涌通道边缘3m位置处孔压降低值为0.264m,管涌通道边缘两侧3m范围内孔压降低率大于5%;管涌通道边缘两侧19m范围内孔压降低值不小于0.1m。当测线位于管涌通道底部以上1m时(测线Ⅱ),管涌通道边缘处孔压降低值为1.524m,降低率为43.2%;距管涌通道边缘3m位置处孔压降低值为0.201m,管涌通道边缘两侧3.5m范围内孔压降低率大于5%;管涌通道边缘两侧8m范围内孔压降低值大于0.1m。

当测点与管涌通道边缘距离大于1m时,与测线Ⅱ上测点相比,测线Ⅰ上测点的孔压降低值更大,但降低率更小。对于测线Ⅰ和测线Ⅱ上的测点,管涌通道两侧孔压降低率不小于5%的范围分别为3.1、3.5m,测线Ⅱ上测点的范围比测线Ⅰ大0.4m。以孔压降低率阈值作为判别管涌发生的指标时,将孔压监测设备置于测线Ⅱ上监测范围更大,以孔压降低值阈值作为判别管涌发生的指标时,将孔压监测设备置于测线Ⅰ上监测范围更大。

2.3 管涌位置的影响

改变管涌通道与堤脚的距离计算堤防渗流场,分析管涌通道位置对管涌发生后堤防不同位置孔压变化的影响。管涌通道直径设为1m,深度设为3m,管涌通道完全贯通覆盖层。定义管涌通道边缘与堤脚的距离为d,d分别取为1、5、10、20、50m。选用堤防截面A测线Ⅰ上测点作为代表分析管涌发生后孔压的变化规律,管涌通道距堤脚不同距离时测线Ⅰ上测点孔压降低值如图7(a)所示。管涌通道与堤脚距离不同时,测线上孔压变化规律相似,越靠近管涌通道,孔压降低值越大。当d分别为1、5、10、20、50m时,测线Ⅰ上距管涌通道边缘3m处孔压降低值分别为0.264、0.249、0.233、0.204、0.144m;管涌通道距堤脚越远,与管涌通道距离相同位置处孔压降低值越小。

图7 管涌通道与堤脚距离不同时管涌发生后测线Ⅰ上测点孔压变化

管涌通道与堤脚距离不同时,管涌发生后堤防截面A测线Ⅰ上测点孔压降低率见图7(b)。管涌通道两侧距离相同位置处孔压变化基本一致,越靠近管涌通道,孔压降低率越大。随着管涌通道与堤脚距离的增大,与管涌通道距离相同位置处孔压降低率逐渐减小,当d从1m增大到50m时,与管涌通道边缘相距3m位置处的孔压降低率从5.1%降低到3.4%。当d分别为1、5、10、20、50m时,管涌通道两侧孔压降低率不小于5%的范围分别为3.1、2.9、2.7、2.4、1.7m(截面A测线Ⅰ上测点)。管涌通道与堤脚的距离越大,发生管涌后管涌周边位置孔压降低值和降低率越小,使用孔压监测设备监测管涌发生的监测范围就越小。

2.4 管涌尺寸的影响

改变管涌通道直径计算堤防渗流场,分析管涌通道尺寸对管涌发生后堤防不同位置孔压变化的影响。数值模拟中管涌通道边缘与堤脚的距离设为1m、深度设为3m,管涌通道完全贯通覆盖层。管涌通道直径分别取0.5、1、2m。选用堤防截面A测线Ⅰ上测点作为代表分析管涌发生后孔压的变化规律,不同管涌通道直径条件下管涌发生后测线Ⅰ上测点孔压降低值如图8(a)所示。管涌通道直径不同时,测线上孔压变化规律相似,越靠近管涌通道,孔压降低值越大。当管涌通道直径分别为0.5、1、2m时,测线Ⅰ上距管涌通道边缘3m处孔压降低值分别为0.136、0.264、0.510m,管涌通道直径越大,与管涌通道距离相同位置处孔压降低值越大。当管涌通道直径分别为0.5、1、2m时,测线Ⅰ上管涌通道两侧孔压降低值大于0.2m对应的范围分别为1.6、4.6、16.8m。

不同管涌通道直径条件下,管涌发生后测线Ⅰ上测点孔压降低率见图8(b)。越靠近管涌通道,孔压降低率越大。随着管涌通道直径的增大,与管涌通道距离相同位置处孔压降低率显著增加,当管涌通道直径从0.5m增大到2m时,与管涌通道边缘相距3m位置处的孔压降低率从2.6%增加到9.8%。当管涌通道直径分别为0.5、1、2m时,管涌通道两侧孔压降低率不小于5%的范围分别为1.1、3.1、9.2m(截面A测线Ⅰ上测点)。管涌通道直径越大,发生管涌后管涌通道周边位置孔压降低值和降低率越大,使用孔压监测设备监测管涌发生的监测范围就越大。

3 讨 论

目前我国汛期堤防管涌险情的巡查主要靠人海战术,管涌险情抢险效率低,如何根据管涌险情关键参数的响应特征对其进行快速识别,提升防汛抢险效率,是工程中亟须解决的难题。当堤防外水位不变时,管涌发生后,堤防不同位置处的孔压会发生一定程度的降低。因为管涌险情的出现一般具有突发性,若埋设在堤防周边的渗压计读数突然降低,可能是由于附近区域发生了管涌,可利用堤防孔压的监测数据快速识别管涌险情的发生。

由前文分析可知,当管涌发生后,管涌通道底部及其上部1m范围内的孔压有较大幅度的降低,可将覆盖层底部及以上1m范围作为监测管涌发生的孔压测量设备埋设深度范围。管涌发生后,与管涌通道底部以上1m深度处相比,管涌通道底部所在深度的孔压降低值更大,但孔压降低率更小。以孔压降低率的阈值作为判别管涌发生的指标时,将孔压测量设备置于管涌通道底部以上1m深度时,监测效果更好;以孔压降低值的阈值作为判别管涌发生的指标时,将孔压测量设备置于管涌通道底部深度时监测效果更好。

管涌发生后,同一水平面上与管涌通道距离相同的位置处孔压降低值近似相等,管涌通道与堤脚的距离越大,发生管涌后管涌周边位置孔压降低值和降低率越小。可根据此规律对管涌的发生进行监测。例如:在本文数值模拟设置的条件下,当管涌通道边缘与堤脚距离为5m,且管涌通道的直径为1m时,在管涌通道底部所在的平面内,管涌发生后以管涌通道中心为圆心,四周2.9m范围的孔压降低率均不小于5%;以孔压降低率大于等于5%为管涌发生的阈值,将渗压计埋设在覆盖层下侧,若距堤脚2.1m处渗压计孔压降低率均大于5%,说明渗压计方圆2.9m范围内有直径1m以上的管涌发生。

4 结 论

a.管涌发生后,堤防不同位置处的孔压均出现一定程度的降低。管涌通道底部及其上部1m深度范围内孔压降低幅度较大,可作为监测管涌发生的孔压测量设备埋设深度范围。

b.管涌发生后,同一水平面上与管涌通道距离相同的位置孔压变化基本一致,越靠近管涌通道位置孔压降低值越大,随着测点与管涌通道距离的增大,孔压降低值的减小逐渐变缓。

c.管涌通道与堤脚的距离越大,发生管涌后管涌周边位置孔压降低值和降低率越小。管涌通道尺寸对管涌后堤防渗流场影响较大,随着管涌通道直径增大,发生管涌后管涌通道周边位置孔压降低值和降低率显著增大。