堤壩蟻穴的穩(wěn)定性及鹽土防蟻研究

范志輝

(東莞市東莞大堤管理處,廣東 東莞 523000)

0 引 言

白蟻巢會(huì)使堤壩內(nèi)部產(chǎn)生腔巢,嚴(yán)重影響堤壩的安全性及穩(wěn)定性。近年來(lái),許多專家學(xué)者針對(duì)白蟻巢對(duì)堤壩的穩(wěn)定性影響開展了相關(guān)研究。張樹田等[1]以某水利樞紐土石壩為研究對(duì)象,對(duì)比不同白蟻防治措施的優(yōu)劣以及資金投入情況,為水利工程白蟻的防治工作提供參考依據(jù)。夏旭東等[2]以某水電站為研究對(duì)象,采用白蟻監(jiān)控技術(shù),分析該技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果,對(duì)該水電站的白蟻治理提出相關(guān)建議。沃玉報(bào)等[3]以某堤壩工程為研究對(duì)象,根據(jù)該地區(qū)的實(shí)際情況,針對(duì)性地提出白蟻治理建議,分析治理措施對(duì)堤壩工程的穩(wěn)定性影響情況。張紅旭等[4]以某地區(qū)水庫(kù)堤壩為研究對(duì)象,采用無(wú)損探測(cè)修復(fù)技術(shù),對(duì)水庫(kù)堤壩的白蟻危害情況進(jìn)行防治,為后續(xù)的白蟻防治提供了理論依據(jù)及技術(shù)支持。臧德記等[5]以某地區(qū)水庫(kù)和土壩為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行電阻率檢測(cè),以探測(cè)其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的白蟻巢穴情況,并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果,提出針對(duì)性的白蟻防治措施。

本文以某堤壩為研究對(duì)象,利用有限元軟件,分析白蟻蟻穴對(duì)其滲流特性和穩(wěn)定性的影響,并提出鹽土防蟻的相關(guān)建議。

1 工程概況

本文以某堤壩為研究對(duì)象,其總長(zhǎng)度410 m,坡高10 m,坡角45°。該地區(qū)地勢(shì)東高西低,地質(zhì)情況良好,主要以粉質(zhì)黏土、粉砂和黏土為主;邊坡表層為殘積土及下層的全風(fēng)化巖層,土質(zhì)以紅黏土、砂土和粉質(zhì)黏土為主;地下水位線位于地下2m處。

2 有限元模型

由于蟻穴會(huì)使堤壩內(nèi)部產(chǎn)生腔巢,當(dāng)水位線上漲時(shí),水會(huì)隨著蟻穴進(jìn)入堤壩內(nèi)部,在其內(nèi)部形成滲流通道,從而影響堤壩的穩(wěn)定性。不同形式的蟻穴在堤壩內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形式不同,對(duì)堤壩穩(wěn)定性的影響程度也不同。本文將蟻穴分為虹吸式、直通式和串通式,分別對(duì)不同形式蟻穴對(duì)土堤壩的穩(wěn)定性影響進(jìn)行研究。

虹吸式蟻穴的兩端蟻道較低,中部蟻道最高,且蟻穴位于蟻道的下部,當(dāng)水位上漲時(shí),只有水位超過(guò)中部最高蟻道時(shí),堤壩內(nèi)部才會(huì)有滲流現(xiàn)象。直通式蟻穴的蟻道呈直線,蟻穴位于蟻道上部,由于上下部蟻道存在高差,且蟻道上下貫通,當(dāng)水位上升時(shí),滲流速度較大,堤壩在滲流作用下,容易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。串聯(lián)式蟻穴位于蟻道內(nèi)部,一段蟻道為水平,一段蟻道為傾斜,由于其蟻道存在高差,當(dāng)水位上升時(shí),堤壩內(nèi)形成滲流現(xiàn)象,且水流速度較快,從而影響堤壩的內(nèi)部結(jié)構(gòu),使其發(fā)生破壞。

對(duì)堤壩進(jìn)行有限元模擬,分析其穩(wěn)定性變化規(guī)律,模型見圖1。由上游或下游堤壩的水位靜水壓力來(lái)模擬堤壩期間使用的初始水力條件。堤壩沿上游斜坡的最低水位2.5m,最高為8.5m,為了模擬該地區(qū)的雨季,上游斜坡水位在20天內(nèi)以0.3m/d的速度從2.5m增加至8.5m;20天后,上游坡面水位由8.5m下降至2.5m,水位隨后在30天內(nèi)保持不變。

圖1 有限元模型

模型相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 模型相關(guān)參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 滲流特性分析

為了分析白蟻對(duì)堤壩的滲流和穩(wěn)定性的影響,比較3種不同白蟻筑巢堤壩和非侵蝕堤壩浸潤(rùn)線的位置變化情況。非侵蝕堤壩的浸潤(rùn)線高度變化曲線見圖2。由圖2可知,隨著距離的增大,非侵蝕堤壩的浸潤(rùn)線逐漸下降。其中,50 天的浸潤(rùn)線高度最大,70天的浸潤(rùn)線高度最小,浸潤(rùn)線高度與時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)模擬時(shí)間越大時(shí),其浸潤(rùn)線高度越小,這是由于在模擬的前期,在降雨條件作用下,上游斜坡的水位迅速上升,而后水位下降,最后保持不變,這時(shí)堤壩內(nèi)部的滲流較不穩(wěn)定,所以此時(shí)浸潤(rùn)線高度較大;當(dāng)時(shí)間較大時(shí),堤壩內(nèi)部的滲流情況逐漸穩(wěn)定,此時(shí)堤壩的浸潤(rùn)線高度較小。當(dāng)距離小于0m時(shí),不同時(shí)間的浸潤(rùn)線高度差距較為明顯;當(dāng)距離大于0m時(shí),不同時(shí)間的浸潤(rùn)線高度具有一致性。這是由于此側(cè)為常水位,與水接觸的面積較大,所以不同時(shí)間堤壩內(nèi)部的滲流情況具有一定的差異性;而另一側(cè)為尾水位,與水接觸的面積較小,不同時(shí)間的堤壩內(nèi)部的滲流情況差距較小。

圖2 非侵蝕堤壩的浸潤(rùn)線高度變化曲線

直通式蟻穴堤壩的浸潤(rùn)線高度變化曲線見圖3。由圖3可知,直通式蟻穴堤壩的浸潤(rùn)線變化趨勢(shì)與非侵蝕堤壩類似,隨著距離的增大,直通式蟻穴堤壩的浸潤(rùn)線逐漸下降,浸潤(rùn)線高度與時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)模擬時(shí)間越大時(shí),其浸潤(rùn)線高度越小。當(dāng)時(shí)間為50天時(shí),堤壩的水位下降,保持在2.5m,由于前期降雨條件的影響,此時(shí)浸潤(rùn)線高度仍為最大,對(duì)比非侵蝕堤壩浸潤(rùn)線高度可得,直通式蟻穴堤壩的最大浸潤(rùn)線高度與非侵蝕堤壩差距較小。相較于其它時(shí)間的曲線,直通式蟻穴堤壩50與55天的曲線較為分散,其余時(shí)間的曲線較為集中。這是由于50與55天的堤壩浸潤(rùn)線位于蟻穴上部,直通蟻巢水位存在高差,且蟻道上下貫通,對(duì)蟻巢周圍的滲流孔壓影響較大,其浸潤(rùn)線能更快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),且此趨勢(shì)在時(shí)間較小時(shí)較為明顯。表明直通式蟻穴對(duì)堤壩的浸潤(rùn)線高度有一定的影響,且在時(shí)間較小時(shí),其效果較為明顯。

圖3 直通式蟻穴堤壩的浸潤(rùn)線高度變化曲線

虹吸式蟻穴堤壩的浸潤(rùn)線高度變化曲線見圖4。由圖4可知,虹吸式蟻穴堤壩的浸潤(rùn)線高度曲線與上述兩種堤壩的浸潤(rùn)線高度曲線具有一定的差異性。隨著距離的增大,虹吸式蟻穴堤壩的浸潤(rùn)線逐漸下降,浸潤(rùn)線高度與時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但是位于常水位一側(cè)的浸潤(rùn)線高度變化較小,位于尾水位一側(cè)的浸潤(rùn)線高度變化趨勢(shì)較為明顯,且大部分浸潤(rùn)線高度位于蟻道以下。這是由于虹吸式蟻穴的兩端蟻道較低,中部蟻道最高,且蟻穴位于蟻道的下部,只有水位超過(guò)中部最高蟻道時(shí),堤壩內(nèi)部才會(huì)有滲流現(xiàn)象;當(dāng)水位上漲時(shí),呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),在尾水位一側(cè),水流迅速下降,當(dāng)水進(jìn)入蟻道后,使得堤壩浸潤(rùn)線上溯較高,其內(nèi)部的土體對(duì)水的吸附能力下降。

圖4 虹吸式蟻穴堤壩的浸潤(rùn)線高度變化曲線

串聯(lián)式蟻穴堤壩的浸潤(rùn)線高度變化曲線見圖5。由圖5可知,串聯(lián)式蟻穴堤壩的浸潤(rùn)線高度曲線與上述3種堤壩的浸潤(rùn)線高度曲線存在顯著的差異性。隨著距離的增大,串聯(lián)式蟻穴堤壩的浸潤(rùn)線逐漸下降,浸潤(rùn)線高度與時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,串聯(lián)式蟻穴堤壩的浸潤(rùn)線高度在蟻穴處發(fā)生突變,下降趨勢(shì)顯著。當(dāng)時(shí)間大于60天時(shí),不同時(shí)間下的浸潤(rùn)線高度曲線較為集中,時(shí)間為50和55天的浸潤(rùn)線曲線在常水位一側(cè)差距較大,而在尾水位一側(cè)數(shù)值較為集中。當(dāng)處于常水位一側(cè)時(shí),堤壩的浸潤(rùn)線高度變化趨勢(shì)較為平緩;當(dāng)位于尾水位一側(cè)時(shí),浸潤(rùn)線高度的下降趨勢(shì)顯著。這是由于串聯(lián)式蟻穴位于蟻道內(nèi)部,一段蟻道為水平,一段蟻道為傾斜,其蟻道存在高差,當(dāng)水位上升時(shí),堤壩內(nèi)形成滲流現(xiàn)象;而常水位一側(cè)的蟻道為水平段,尾水位一側(cè)蟻道為傾斜段,所以常水位一側(cè)的浸潤(rùn)線高度較為平緩。

圖5 串聯(lián)式蟻穴堤壩的浸潤(rùn)線高度變化曲線

3.2 整體穩(wěn)定性分析

本研究引入安全系數(shù)(Fs)對(duì)堤壩的整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析,各堤壩迎水坡的時(shí)間-安全系數(shù)曲線見圖6。由圖6可知,隨著時(shí)間的增大,4種堤壩迎水坡的安全系數(shù)均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)時(shí)間較小時(shí),各堤壩間的安全系數(shù)差距較小;隨著時(shí)間的增大,當(dāng)時(shí)間大于20天時(shí),不同堤壩迎水坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)出一定的差異性。當(dāng)時(shí)間為20～50天時(shí),非侵蝕堤壩的安全系數(shù)最大,表明蟻穴的存在對(duì)堤壩的穩(wěn)定性具有一定的影響;當(dāng)時(shí)間大于50天時(shí),不同堤壩的安全系數(shù)具有明顯的差異,其中非侵蝕堤壩的安全系數(shù)最大,串聯(lián)式蟻穴堤壩的安全系數(shù)最小,表明蟻穴會(huì)顯著降低堤壩的安全性;隨著時(shí)間的增大,其對(duì)堤壩的侵蝕效果越明顯,其中串聯(lián)式蟻穴對(duì)堤壩安全性的影響最大。在實(shí)際工程中,規(guī)范所要求的最小安全系數(shù)為1.1～1.5,蟻穴雖然對(duì)堤壩的穩(wěn)定性有一定的影響,但堤壩的穩(wěn)定性仍能滿足工程需求。

圖6 迎水坡的時(shí)間-安全系數(shù)曲線

各堤壩背水坡的時(shí)間-安全系數(shù)曲線見圖7。由圖7可知,隨著時(shí)間的增大,非侵蝕堤壩的安全系數(shù)基本保持不變,有蟻穴的堤壩安全系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),表明蟻穴的存在對(duì)堤壩背水坡穩(wěn)定性的影響較大。隨著時(shí)間的變化,虹吸式蟻穴堤壩的安全系數(shù)減小量最大,其值為0.35;直通式蟻穴堤壩的安全系數(shù)減小量最小,其值為0.15,表明在降雨條件下,非侵蝕堤壩的穩(wěn)定性無(wú)明顯的變化,而降雨對(duì)虹吸式蟻穴堤壩的影響較大。當(dāng)時(shí)間大于50天時(shí),非侵蝕堤壩的安全系數(shù)最大,直通式蟻穴堤壩的安全系數(shù)次之,再次為串聯(lián)式蟻穴,最后為虹吸式蟻穴。為保證堤壩的穩(wěn)定性,在實(shí)際工程中應(yīng)對(duì)白蟻病害進(jìn)行防治,在背水坡尤其要注意虹吸式蟻穴對(duì)堤壩穩(wěn)定性的影響。對(duì)比堤壩迎水坡的安全系數(shù)可得,背水坡的安全系數(shù)偏小,表明迎水坡的穩(wěn)定性更高,但背水坡的各堤壩安全系數(shù)均大于1.5,滿足規(guī)范的相關(guān)要求。

圖7 背水坡的時(shí)間-安全系數(shù)曲線

4 鹽土防蟻

由于普通防治方法難以徹底根除白蟻病害,近年來(lái),鹽土防蟻屏障被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。該方法將食鹽摻入堤壩的黏土中,在保證堤壩穩(wěn)定性的前提下,達(dá)到治理白蟻的目的。前人試驗(yàn)研究表明,當(dāng)食鹽含量為3%以下時(shí),土體的力學(xué)性能無(wú)明顯的變化,可將其作為鹽土用于白蟻防治;當(dāng)土體內(nèi)含鹽量為0.4%時(shí),白蟻的防治效果較好,在此濃度下,既能達(dá)到防治白蟻的目的,也能滿足堤壩的穩(wěn)定性需求。在本研究的堤壩工程中,可使用含鹽量為0.4%的鹽土用于白蟻防治。

5 結(jié) 論

本文以某堤壩為研究對(duì)象,利用有限元軟件,分析白蟻蟻穴對(duì)其滲流特性和穩(wěn)定性的影響,并提出了鹽土防蟻的相關(guān)建議,結(jié)論如下:

1)不同堤壩的迎水面安全系數(shù)具有明顯的差異,其中非侵蝕堤壩的安全系數(shù)最大,串聯(lián)式蟻穴堤壩的安全系數(shù)最小,表明蟻穴會(huì)顯著降低堤壩的安全性;隨著時(shí)間的增大,其對(duì)堤壩的侵蝕效果越明顯,其中串聯(lián)式蟻穴對(duì)堤壩安全性的影響最大。

2)當(dāng)時(shí)間大于50天時(shí),非侵蝕堤壩的背水面安全系數(shù)最大,直通式蟻穴堤壩的安全系數(shù)次之,再次為串聯(lián)式蟻穴,最后為虹吸式蟻穴。為保證堤壩的穩(wěn)定性,在實(shí)際工程中應(yīng)對(duì)白蟻病害進(jìn)行防治,在背水面堤壩尤其要注意虹吸式蟻穴對(duì)堤壩穩(wěn)定性的影響。