向后侵蚀管涌(backward erosion piping)是每年汛期常发生于土石坝地基中的一种渗透破坏形式，它通常形成于透水砂层与不透水黏土层的接触面处。当下游的黏土层因外力扰动形成集中的出水口时，其附近的砂土在集中渗流作用下会被侵蚀带走，并在出水口外部形成砂沸现象，最终堆积为一个锥形沙丘。当上下游水头差足够大时，冲刷通道将沿着强/弱透水层的界面处从下游出水口向上游不断贯通，从而导致坝体结构的破坏。近30 a来，学术界针对向后侵蚀管涌现象进行了大量的室内试验研究，研究内容主要涉及了管涌的启动机制[1-3]、演化机制[4-9]以及颗粒运移机制[10]等方面。
目前，关于向后侵蚀管涌的机理性研究已经较为成熟，但多数结论都是基于小尺度的模型试验获得的，对于实际工程问题而言，仍然有待发展出一个准确、高效的数值分析方法。目前，相关的数值方法大致可被概括为以下3种：①基于传统的渗流方程，采用合理地增大通道内渗透系数的方式分析管涌对于流场的影响[11-15]。该方法的优点在于简单易用，通常可以结合泥沙运输法则[13-14]来反映管道内颗粒的侵蚀作用。为了使计算更加精确，Robbins等[14]、Liang等[15]使用自适应网格技术加密管涌通道内的计算网格，使管涌区域的数值精确性得到了极大的提升。但是这一方法的缺点在于仍然采用达西定律描述管道内的流体运动，与真实管道内的流体运动存在着较大差异。②离散元和计算流体力学的耦合求解方法[16-18]。离散元法在模拟颗粒在管道内的侵蚀、搬运、沉积等问题上有着极大的优势，加深了研究者对于管涌微观行为的认识。但是，受困于离散元法在计算效率上所需的巨大开销，使得该方法难以应用于实际工程。③将被侵蚀的颗粒、土骨架、孔隙水分为不同的三相，并分别建立相应的颗粒侵蚀质量守恒方程[19-23]。这种方法的优势在于能够考虑管涌随时间的演化过程，但是缺点是需要定义土颗粒侵蚀的本构法则，且相关的计算参数难以标定。
近年来，物质点法(material point method，MPM)作为一种能够求解大变形问题的数值方法而受到了岩土力学界的广泛关注。其中，也不乏一些学者将MPM用于土体渗流破坏的计算。Lei等[24]通过在非饱和MPM中考虑细颗粒的迁移方程，计算了边坡降雨入渗条件下因细粒流失而产生的失稳问题。Liang等[25]使用两套物质点分别描述流体和土体，模拟了不同防渗类型堤坝的漫顶和渗透破坏。Ceccato等[26]模拟了库水位升降后堤坝的大变形失稳破坏问题。但是，以上研究中并未涉及后退型管涌的计算，且存在着流体压力不稳定、压力边界难以施加的困难[27]。
基于笔者所提出的耦合物质点-特征有限元方法[27](coupled material point-characteristic finite element method，下文简称“耦合MPM-FEM”)，提出了一种适用于计算向后侵蚀管涌问题的新算法。新算法使用局部水力梯度临界值作为管涌触发的判别条件，对水力梯度大于临界值的物质点进行删除，能够同时描述待侵蚀的土体和管涌通道内的流体。通过数值算例初步地证明了算法在向后侵蚀管涌问题中的适用性。
全文阅读 （拓展出版内容见网页的资源附件）
《岩土工程学报》2024年第6期全文阅读
本刊官网：www.cgejournal.com提供本刊创刊以来所有论文免费阅读下载！另提供岩土工程方面技术和产品的宣传推广服务，电话025-85829543
