堤基管涌模型试验研究

郭书亮，宿 辉，张玲刚

(1.河北工程大学，河北邯郸056021;2.中国水电建设集团第十五工程局，陕西 西安710003)

近年来，我国极端气象频发，洪水和干旱现象频繁.1998年长江流域发生特大洪水，使人们熟悉了一个名词——管涌.这里所说的管涌并不是土力学中的名词，而是堤基沿着强、弱透水层的交界面由下游向上游发展的接触冲刷或潜蚀.大量的洪涝灾害资料表明，堤基管涌是江河大堤在汛期的主要险情之一，其不仅发生的数量多而且分布的范围广，重要的是易于诱发溃堤险情.由于土体本身的复杂性及多样性，使得渗透变形机理及产生、发展过程也极为复杂并具有随机性，河道堤防得不到有效加固，以至于每年都不得不在汛期投入大量的人力、物力和财力，长期以来由于管涌引起的坝体破坏及堤防溃决给社会造成了重大损失，加强对管涌的研究有着十分重要的现实意义.因此，管涌现象已引起国内外越来越多的重视，众多学者对管涌现象进行了多种方法的研究，如刘忠玉等［1］以可动颗粒起动的随机性为理论基础，建立了管涌的随机模型;陈建生等［2］采用同位素示踪的方法探测管涌通道，对管涌现象进行了揭示;李广信等［3－4］通过砂槽模型试验研究了管涌发生、发展以及破坏的过程.当前也有许多学者以数值方法研究管涌，常用的数值方法为有限元法，如朱伟等［5］以有限元饱和－非饱和非稳定渗流解析，研究了地基渗透破坏发生的机制;李守德等［6］提出以一维通道嵌入三维块体的方法，对均质土坝管涌发展过程进行了有限元模拟.此外还有学者用颗粒流对管涌机理进行研究，如周健等［7－9］得出了一系列较好的结论.然而，管涌过程是土水相互作用的复杂过程，管涌发展的三维动态模拟在理论和数值分析实现上难度都非常大，为此笔者针对这种透水堤基开展了管涌砂槽模型试验研究.

1 堤基管涌模型试验

1.1 模型设计

试验所用砂槽模型如图1所示，试验砂槽模型槽长1.0 m，宽 0.3 m，高 0.4 m.砂样长 0.6 m，宽0.3 m，高0.4 m.砂样两端填充大粒径石子稳定水头.为了便于观察试验现象，砂样上部覆盖厚0.8 cm的有机玻璃板.有机玻璃板上开孔模拟管涌孔口，在模型槽底部位置开孔3排安装测压管，测压管高度分别为10，20，30 cm.试验过程用摄像机、照相机和肉眼观察记录试验现象和数据.试验模型用砂为一般建筑用河砂.

1.2 试验过程

该试验采用不同级配的砂样逐级增加水头的方式进行，每级水头渗透变形稳定后再继续抬高水头进行下一步试验.模型渗透变形稳定的判别标准是:渗水清澈稳定且砂粒不再带出，测压管水位平稳和渗流量稳定.

图1 透水堤基管涌模型试验装置图

与水头的逐级升高相对应，堤基管涌的渗透破坏可以分为3个特征鲜明的阶段:①无明显渗透破坏阶段，这一阶段渗流量Q和平均水力坡降基本上呈线性关系，堤基砂层的颗粒没有被带出的现象发生;②堤基局部发生管涌破坏阶段，这一阶段渗流量Q和平均水力坡降J明显偏离了线性关系，如图2所示.堤基砂层的颗粒也逐渐被带出，但是渗透变形最终能够达到稳定状态不再发展(在试验水头保持不变的情况下);③堤基整体破坏阶段，这一阶段渗流量Q和严重偏离了线性关系，由渗流量与试验历时的关系就可以看出这一点，如图3所示.管涌通道在试验水头保持不变的情况下能够持续发展，最终与上游进水口连通，导致堤基整体破坏和溃堤.

图2 平均水力坡降和渗流量的关系

2 试验结果分析

图3 试验历时与末级水头渗流量的关系

管涌砂槽模型的测压管水头显示，在无明显渗透破坏阶段，管涌渗流基本符合井涌渗流理论特征，管涌孔口处的水力坡降非常大.当出现沙沸后，便进入堤基局部管涌破坏阶段，此时沙沸使孔口处砂体颗粒液化，具有流动性.继续增加水头，管涌通道便向上游发展，新形成的管涌通道内的砂粒被快速带到孔口附近堆积.在这一过程中，当砂粒在管涌通道内起动时测压管水头突然下降，至砂粒被带到孔口附近堆积后，测压管水头开始缓慢波动上升，管涌通道和渗流量趋于稳定直到提升下一级水头前.继续提升水头，管涌便不断向上游发展直至达到临界坡降，此时管涌通道便不能趋于稳定，而不断有砂粒起动运移一直到与上游连通，连通的管涌水流强力冲刷堤基并最终导致堤基整体破坏和溃堤.

产生上述现象的原因是:孔口处出现沙沸使地基砂体液化，继续增加水头，砂粒便会从沙沸处向外涌出形成砂环，由于堤基砂层的水平破坏坡降比垂直破坏坡降要小得多，因此地基便会有砂粒从沙沸处涌出形成管涌通道，在未达到临界坡降前管涌通道最终趋于稳定.这是由于砂粒向沙沸处输送，积聚在孔口附近具有了一定的反滤作用，从而加大了局部水头损失，还有管涌通道中的砂粒被水流带出堆积在沙沸处形成砂环，从而抬升了水位、降低了有效作用水头.由于地基砂粒的离散性具有随机性，因此达到这种稳定需要很长时间，条件的微小改变就有可能打破这种稳定，因此时间是影响管涌破坏发生与否的非常重要的因素.

管涌的发展与时间有很重要的联系，在同一级水头下随着时间的推移测压管水头呈有规律的波动，总趋势是慢慢升高.主要原因是:砂粒的离散性决定了其起动运移具有随机性，这种随机性在未达到临界坡降前反应极其缓慢，但运移方向确定.

管涌的产生及发展过程都是发生在强、弱透水层接触面的浅层，对深层地基的渗流并无影响，如图4所示.主要原因是:①堤基砂层顶面的渗径最短，因此此处水平水力坡降最大;②堤基砂层的水平破坏坡降比垂直破坏坡降小得多.

3 结语

1)堤基管涌发展的原因主要是在水平渗透力作用下的水平向浅层破坏.因此，垂直防渗是在发生管涌后治理地基渗透破坏的优选方法.

2)堤基管涌通道能否趋于稳定与管涌口是否涌砂有很大关系.所以，反滤压盖阻止堤基管涌通道内的砂粒持续涌出应当作为抗洪抢险时的首选.

3)管涌通道趋于稳定的主要原因是:管涌通道的发展使管涌通道前端堤基砂层的水平渗透比降逐渐降低，管涌口垂直破坏坡降不断增大，直至等于砂层的局部破坏比降.

图4 彩色流线示踪

［1］刘忠玉，乐金朝，苗天德.无黏性土中管涌的毛管模型及其应用［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(22):3871－3876.

［2］陈建生，李兴文，赵维炳.堤防管涌产生集中渗漏通道机理与探测方法研究［J］.水利学报，2000，31(9):48－54.

［3］李广信，周晓杰.堤基管涌发生发展过程的试验模拟［J］.水利水电科技进展，2005，25(6):12 －15.

［4］姚秋玲，丁留谦.单层和双层堤基管涌砂槽模型试验研究［J］.水利水电技术，2007，38(2):31 －36.

［5］朱伟，山村和也.日本阿武隈川的洪水灾害及其综合治理［J］.河海大学学报，2000，28(1):61 －65.

［6］李守德，徐红娟，田军.均质土坝管涌发展过程的渗流场空间性状研究［J］.岩土力学2005，26(12):2001－2004.

［7］周健，张刚，孔戈.渗流的颗粒流细观模拟［J］.水利学报，2006，37(1):28 －32.

［8］张刚.管涌现象细观机理的模型试验与颗粒流数值模拟研究［D］.上海:同济大学，2007.

［9］周健，姚志雄，张刚.砂土渗流过程的细观数值模拟［J］.岩土工程学报，2007，29(7):977 －981.