管袋壩接縫管路處土體成拱效應的顆粒流分析

在現有文獻中，對管袋水庫的研究主要集中在管袋單元的波浪力影響下的穩定分析、管袋材料透水保砂性能分析及管袋水庫施工技術研究等方面。關于圖1所示的國內管袋水庫的典型剖面，以及對管袋水庫的密封性能的分析，如圖2所示，管道密封是水庫芯的一種脆弱部分。在滲透率或波浪效應下，吹填土沿著管道形成一致的流動，這將導致水庫局部破壞和沉降。如圖3所示。根據物理模型試驗，在低水面的情況下，出口形成拱，砂粒不會隨著水流的逐漸進出性而丟失。2）在一定距離內，土壤不會流到管道中，而是融入管道，以獲得平衡。在這項工作中，我們主要研究管道的質量與密封問題。國內關于松散介質成拱效應的研究主要集中于2方面.一是防止松散介質在料倉出口處成拱的研究:王新民根據松散介質力學的極限平衡理論,分析了松散礦石在放礦漏斗中的應力狀態,闡述了成拱阻塞的力學機理;仵鋒鋒用PFC顆粒流軟件模擬了高粘性松散礦石放礦過程.二是在滑坡治理工程中抗滑樁后土體的成拱效應研究:賈海莉等通過工程實例對拱形及拱體幾何參數提出了初步見解,李明明等用PFC顆粒流數值模擬軟件對基坑支護排樁工程中的土拱效應進行了數值模擬并進行了相應分析.以上提及的這2種模型都是僅考慮單向的作用力,處在重力和滲流力兩向力作用下物理模型的成拱效應還未進行研究,綜合以上分析考慮,本文在前人指導下利用PFC顆粒流數值模擬軟件來研究管袋壩管路接縫處土體的滲透成拱效應.1pft模型參數1.1散質的粘聚力本文用PFC顆粒流模擬軟件來模擬管路口壩芯填土的滲透成拱過程,用PFC軟件生成圓形顆粒模擬土體,四周加墻面以固定土體模型,將其中一面墻開口以模擬管路接縫.其中,管袋壩管路接縫面積相對于吹填土體來說較小,是松散土料從小面積孔洞中漏出的過程.松散土料會因為自身的力學性質在孔口阻塞成拱.松散介質處于極限平衡狀態,是成拱的臨界條件.根據摩爾-庫倫理論可知,松散介質場中某一點如處于極限平衡狀態,那這一點的應力滿足以下條件:σ1?σ32=(σ1+σ3+Ccotφ)sinφ2(1)σ1-σ32=(σ1+σ3+Ccotφ)sinφ2(1)式中,σ1和σ3分別為這一點的最大、最小主應力;C為松散介質的粘聚力;φ為松散介質的內摩擦角.由上述公式可知,松散介質成拱與外力作用、松散介質的內摩擦角φ及粘聚力C有關.在顆粒流軟件里,土的工程力學性質由摩擦系數f來表示.另外,本文研究的物理模型處在重力和滲流力兩向力作用下.毛昶熙分析了滲流力由沿水流方向的滲透力和浮力兩個力組成,這兩個力可應用于土體滲透成拱的計算中,將滲流力轉換為用水力梯度J表示的體積力與土體浮重度計算.本文依此對顆粒施加滲流力.故本文在不同的摩擦系數f和水力梯度J情況下模擬顆粒出流過程,觀察是否能形成土拱.1.2土體接觸粘結模型生成模型如圖4所示,說明如下:1)模型尺寸參照管袋原型尺寸來選取,一層管袋高約為40～50cm,管路接縫最大不超過5cm×5cm,偏于安全考慮,模型右側墻體開口尺寸為5cm×5cm.為了充分體現吹填土重力作用,出流口選擇位置偏下.2)用PFC軟件隨機生成孔隙率為0.12的3000個圓球代替土顆粒,密度為2650kg/m3,采用接觸粘結模型.圓球尺寸遠小于出口尺寸,以模擬松散土顆粒.3)墻體剛度和球的剛度都設為108N/m.4)生成球體和墻體單元之后,在重力情況下達到穩定,即顆粒的最大不平衡力小于10-6N.5)將球體分區著色,以便觀察滲透破壞程度.6)顆粒代表的土粒為吹填土顆粒,將顆粒間粘聚力C、內摩擦角φ2項因素綜合考慮之后用PFC中球體單元之間的摩擦系數f表示,另外,由于PFC軟件本身限制,本文采用同一組顆粒施加不同的摩擦系數f來模擬不同土體.2結果與分析2.1最大水力梯度由于管袋壩壩芯吹填土范圍很大,管路接縫處的顆粒大量流失之后,會造成上層土體的塌陷,上層土體的質量補充又會使管口附近的顆粒大量流出,最終形成惡性循環導致壩體失穩.同時,經大量數值模擬結果分析可知,顆粒流失量約大于10%時,即使可以形成土拱,那也是不穩定的.故以顆粒的最大不平衡力小于10-6N且顆粒流失量約小于10%為穩定條件.不同摩擦系數條件下,土顆粒成穩定土拱對應的最大水力梯度如表1所示.各個摩擦系數f條件下的成拱形狀、顆粒間接觸力形態和由初始狀態到形成土拱過程中的最大不平衡力隨時間變化的曲線如圖5所示.圖5中,左半部分黑色和灰色的物體表示著色分區的顆粒,顆粒上面密布的白色線條表示顆粒間的相互接觸力,無顆粒填充的部位即管路進口處,顆粒在此處以邊界為拱腳,在自身摩擦力作用下形成土拱,達到平衡;右半部分為相應的顆粒最大不平衡力變化曲線,每一個顆粒都是在外力的作用下產生位移,顆粒的最大不平衡力趨于零,表示所有顆粒處于穩定狀態,不再移動.2.2顆粒間接觸力分析由圖5可看出5種條件下的模型,都有如圖6的接觸力成拱形態.而且在遠離開口處,顆粒間的接觸力線較開口附近的密.定義如圖6弧線的接觸力為切向接觸力,與之垂直方向的接觸力為徑向接觸力.也可從圖5中看出遠離開口處接觸力線較濃密的部分,切向接觸力明顯大于徑向接觸力.這表明顆粒切向之間相互連接緊密,形成明顯連續的接觸力拱形線.在開口處,顆粒間接觸力也滿足切向力大于軸向力的規律,顆粒形成明顯的拱圈來保持穩定.由于出口附近的土體在出口孔壁約束情況下不能及時漏出,對遠離出口處的土粒運動造成阻礙.遠處土體在這種阻礙作用下,得到一種支撐,調動自身的抗剪強度來保持穩定,減少了施加在近處土體上的壓力,近處土體便可以在自身摩擦力作用下形成土拱,保持平衡.2.3臨界水力梯度同一摩擦系數f條件下,不同的水力梯度J條件會造成不同程度的滲透破壞,以摩擦系數為1.2和1.1的情況為例,顆粒流失量計算結果如圖7所示.隨著水力梯度J的增加,PFC中可觀察到滲透影響范圍越來越大,直到超過了臨界水力梯度,滲透影響范圍涉及整個計算區域,顆粒流失量不斷增大,進而造成滲透破壞.由表1、圖7可以看出針對不同的顆粒摩擦系數f,對應不同的臨界水力梯度J,而且二者之間呈遞增關系;在臨界水力梯度范圍內的水力條件下,顆粒會形成穩定土拱,達到平衡.針對同一摩擦系數的顆粒組,水力梯度越大,顆粒流失量越大.2.4基于雙軸試驗結果的土體材料參數對雙軸抗強對應一定出口尺寸,土體只有提供了足夠的有效拱圈厚度,才能形成土拱,否則孔口周圍的土體將不能得到有效維護而大量從出口漏出.劉丹珠等在基于土拱的土體坍塌機理研究中得出拱厚是隨著土體的粘聚力C和摩擦角φ減小而增大的.通過PFC顆粒流軟件中的雙軸試驗可知,土體的粘聚力C和摩擦角φ與摩擦系數f成正比.從圖5可以看出摩擦系數f越低的土體,在與其對應的臨界水頭J作用下,形成顆粒間強接觸力的范圍越廣(即有效拱厚越大),與相關文獻結論趨同.2.5顆粒出流模擬為了研究雙向作用力下土拱的形成過程,采取如圖8的形式將圖4的模型顆粒分區著色形成模型Ⅱ,加相應臨界水頭,進行數值模擬,以判斷橫向位移與縱向位移的關系,以及這兩項位移對成拱效果的影響.圖中是以孔口中心即(30.0,12.5)(單位:cm)為圓心做的一系列圓弧環,每個圓弧環寬度為2.5cm.計算模型選取的摩擦系數f為1.2,據表1施加對應于摩擦系數f=1.2的臨界水頭J=0.325,觀察顆粒出流過程.模型運行8×104步之后達到穩定,此處隔2×104步取一次圖像進行分析,如圖9所示.由圖9可以看出,最先移動的區域為孔口上部,孔口上部的顆粒弧段變形尤為明顯.由于臨界水力梯度都比較小,顆粒受縱向力要大于橫向力,所以上部顆粒首先移動,在顆粒調動自身摩擦形成穩定以后,上部顆粒的縱向位移也大于橫向位移.另外還可以觀察到白色斜線所在方位的顆粒最先突破弧段,所以此處為應力最大的地方.3吹填土f值采用PFC顆粒流數值模擬軟件來模擬管袋壩接縫管路處的滲透成拱效應并且得到以下結論:1)管袋壩接縫管路進口處土體在較低水頭作用下流失一些后,可以形成土拱,達到平衡.2)在接縫管路進口處形成土拱的臨界水力梯度J隨吹填土的f值增大而增大;針對同種土體,在不同的水力梯度J作用下,滲透影響范圍隨水力梯度的增大而逐漸增大.3)針對不同f值的吹填土,在其對應的臨界水力梯度J作用下,有效拱厚隨吹填土值的增大而減小.4)雙向作用力下的土拱形成過程與土體所受的2項作用力相對