白蚁巢对土石坝渗流影响分析

纪 娟

(岭南水务集团有限公司，北京 100068)

由于白蚁巢会在土石坝外部筑造泥被，使土石坝内部产生腔巢，严重影响土石坝的安全性及稳定性。近年来，许多专家学者针对白蚁巢对土石坝的稳定性影响开展相关研究。

陆俊等人[1]基于综合物探法，研究白蚁对堤坝产生的危害。臧德记等人[2]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。吴高伟等人[3]以某地区大堤为研究对象，针对性地对其进行白蚁防治实验，以验证防治效果的可靠性与安全性。夏旭东等人[4]以水电站为研究对象，基于IPM技术，对水电站的白蚁防治效果进行分析，验证了IPM技术的可行性。张红旭[5]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。

本文基于有限元软件，研究白蚁巢穴对土石坝渗流情况的影响，分析有无蚁巢下，土石坝内部渗流孔压及渗流速度的变化情况，对比分析不同蚁道类型对土石坝内部渗流孔压及渗流速度的影响。

1 土石坝有限元模型

本研究通过有限元软件，对土石坝进行有限元建模，分析其渗流情况。土石坝有限元相关参数如表1所示。

表1 土石坝相关参数

由于白蚁巢会使土石坝内部产生腔巢，当水位线上涨时，水会随着白蚁巢进入土石坝内部，在其内部形成渗流通道，从而影响土石坝的渗流情况。不同型式的白蚁巢在土石坝内部的结构型式不同，对土石坝的渗流情况的影响程度也不同，本研究将白蚁巢分为虹吸式、直通式和串通式，研究不同型式白蚁巢对土石坝的渗流影响。

虹吸式蚁巢的两端蚁道较低，中部蚁道最高，且蚁巢位于蚁道的下部，当水位上涨时，只有水位超过中部最高蚁道时，土石坝内部才会有渗流现象。直通式蚁巢的蚁道呈直线，蚁巢位于蚁道上部，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，土石坝在渗流作用下，容易发生结构破坏。串联式蚁巢的蚁巢位于蚁道内部，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，土石坝内形成渗流现象，且水流速度较快，从而影响土石坝的内部结构，使其发生破坏。蚁巢与土石坝的材料参数如表2所示。

2 蚁巢对土石坝渗流影响

2.1 蚁巢对渗流孔压的影响

将蚁巢视为圆柱体，研究其与土石坝接触点的渗流孔压，并对其表面的点进行编号，对其进行有限元分析，其渗流孔压变化如图1所示。

表2 蚁巢与土石坝的材料参数

由图可知，随特征节点编号的增大，蚁巢周围的渗透孔压呈先增大，后减小的趋势，当特征节点编号为25时，有最大渗透孔压。当特征节点小于25时，无蚁巢的渗流孔压大于有蚁巢的渗流孔压；当特征节点大于25时，有蚁巢的渗流孔压大于无蚁巢的渗流孔压。有无蚁巢的渗流孔压曲线差距较小，说明蚁巢的存在对土石坝的渗流孔压有一定的影响，但是其影响程度较小。

图1 蚁巢周围渗流孔压

2.2 蚁巢对渗流速度的影响

图2分别为当蚁巢位于浸润线以上和以下时的蚁巢周围的渗流速度。

由图2可知，随着特征节点编号的增大，蚁巢周围的渗流速度呈先上升、后下降的趋势，当特征节点编号为25时，有蚁巢周围最大渗流速度。有蚁巢时的渗流速度大于无蚁巢时的渗流速度，说明蚁巢的存在对土石坝的渗流速度会产生一定的影响。当处于浸润线以下时，有蚁巢和无蚁巢的渗流速度均大于处于浸润线以上的渗流速度，这是由于，当处于浸润线以下时，水会进入蚁巢内部，而蚁巢的渗透系数较大，从而在土石坝内部形成渗流，使土体处于饱和状态，所以浸润线以上的有蚁巢渗流速度小于浸润线以下的有蚁巢渗流速度；且当处于浸润线以下时，水位存在高差，使无蚁巢的渗流速度大于浸润线以上的无蚁巢渗流速度。当处于浸润线以上时，有蚁巢和无蚁巢的渗流系数差距较大，当处于浸润线以下时，有蚁巢和无蚁巢的渗流系数差距较小，说明在浸润线以上时，蚁巢对于土石坝内部渗流速度的影响较大。

2.3 不同类型蚁道对渗流孔压的影响

为研究不同类型蚁道对土石坝渗流孔压的影响，对土石坝进行有限元分析，不同类型蚁道蚁巢周围的渗流孔压如图3所示。

图2 蚁巢周围渗流速度

图3 不同类型蚁道渗流孔压

由图3可知，随特征节点编号的增大，蚁巢周围的渗流孔压呈先增大后减小的趋势，当特征节点在25左右时，有最大渗流孔压。在不同的浸润线情况下，仅有蚁巢的渗流孔压最大，当在浸润线以上时，串联巢穴的渗流孔压最小，当在浸润线以下时，直通巢穴的渗流孔压最小。当蚁巢位于浸润线以上时，虹吸巢穴与直通巢穴渗流孔压曲线相近，四种不同类型蚁道的渗流孔压差距较大，当蚁巢位于浸润线以下时，虹吸蚁巢、直通蚁巢和串联蚁巢渗流孔压差距较小，曲线较为接近，以上三种蚁巢与仅有蚁巢的渗流孔压差距较大。说明当蚁巢位于浸润线以下时，不同类型的蚁道对土石坝蚁巢周围的渗流孔压影响较大，且影响规律具有一致性。当蚁巢位于浸润线以上时，串联蚁巢对渗透孔压的影响最大，直通蚁巢和虹吸蚁巢对渗透孔压的影响次之，且其影响规律具有一致性。当蚁巢位于浸润线以下时，土体处于饱和状态，土体内发生渗流，由于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。

2.4 不同蚁道对渗流速度的影响

为研究不同类型蚁道对渗流速度的影响，对土石坝进行有限元分析，当蚁巢位于浸润线以上时，不同类型蚁道蚁巢周围的渗流速度如图4所示。

图4 不同类型蚁巢对渗流速度的影响(浸润线以上)

由图4可知，仅有蚁巢的土石坝渗流速度和直通巢穴的蚁巢周围的土石坝渗流速度变化曲线趋势类似，均呈现先增大、后减小的趋势，当特征节点编号为25时，有最大渗流速度。虹吸巢穴与串联巢穴的蚁巢周围的渗流速度变化曲线趋势类似，其曲线变化趋势呈“M”形，当特征节点编号为15左右时，存在最大渗流速度。串联巢穴的最大渗流速度最大，为9.2×10-3m/s，直通巢穴次之，最大渗流速度为2.7×10-6m/s，再次为仅有蚁巢，最大渗流速度为1.7×10-3m/s，虹吸巢穴最小，最大渗流速度为1.3×10-6m/s。这是由于，串联式蚁巢的蚁巢位于蚁道内部，蚁道内存在高差，当水位上升时，土石坝内形成渗流现象，且水流速度较快，导致其渗流速度较大。直通式蚁巢的蚁道呈直线，蚁巢位于蚁道上部，由于上下部蚁道存在高差，且蚁道上下贯通，当水位上升时，其渗流速度较大。

为研究不同类型蚁道对渗流速度的影响，对土石坝进行有限元分析，当蚁巢位于浸润线以下时，不同类型蚁道蚁巢周围的渗流速度如图5所示。

图5 不同类型蚁巢对渗流速度的影响(浸润线以下)

由图5可知，仅有蚁巢的渗流速度和直通巢穴的蚁巢周围的渗流速度变化曲线趋势类似，虹吸巢穴与串联巢穴的蚁巢周围的渗流速度变化曲线趋势类似，其曲线变化趋势呈“M”形。在蚁巢低于浸润线时，三种不同蚁道的渗流速度均大于仅有蚁巢的渗流速度，说明蚁道的存在显著影响了土石坝内部的渗流速度。这是由于，串联式蚁巢蚁道存在高差，当水位上升时，土石坝内形成渗流现象，且水流速度较快，导致其渗流速度较大。

3 结 论

本文基于有限元软件，研究白蚁巢穴对土石坝渗流情况的影响，分析有无蚁巢下，土石坝内部渗流孔压及渗流速度的变化情况，对比分析不同蚁道对土石坝内部渗流孔压及渗流速度的影响。结论如下:

(1)特征节点编号的增大，蚁巢周围的渗透孔压呈先增大、后减小的趋势，当特征节点编号为25时，有最大渗透孔压。有无蚁巢的渗流孔压曲线差距较小，蚁巢的存在对土石坝的渗流孔压有一定的影响，但是其影响程度不大。

(2)当处于浸润线以下时，有蚁巢和无蚁巢的渗流速度均大于处于浸润线以上的渗流速度，这是由于，蚁巢的渗透系数较大，当处于浸润线以下时，水会进入蚁巢内部，从而在土石坝内部形成渗流，使土体处于饱和状态。

(3)在不同的浸润线情况下，仅有蚁巢的渗流孔压最大，当在浸润线以上时，串联巢穴的渗流孔压最小，当在浸润线以下时，直通巢穴的渗流孔压最小。当蚁巢位于浸润线以下时，土体处于饱和状态，土体内发生渗流，由于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。

(4)仅有蚁巢的渗流速度和直通巢穴的蚁巢周围的渗流速度变化曲线趋势类似；虹吸巢穴与串联巢穴的蚁巢周围的渗流速度变化曲线趋势类似，其曲线变化趋势呈“M”型。串联巢穴渗流速度最大，串联式蚁巢的蚁巢位于蚁道内部，由于其蚁道存在高差，当水位上升时，土石坝内形成渗流现象，导致其渗流速度较大。