堤基管涌微观机理模型试验研究

姚秋玲，刘昌军，丁留谦，张顺福

（1.中国水利水电科学研究院防洪减灾研究所，北京100038；2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京100038）

堤基管涌微观机理模型试验研究

姚秋玲1，2，刘昌军1，2，丁留谦1，2，张顺福1，2

（1.中国水利水电科学研究院防洪减灾研究所，北京100038；2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京100038）

本文从微观角度出发，开展小尺寸模型试验，采用显微镜和数码成像系统对管涌土体进行局部放大摄录，通过常规观察试验现象和数字图像识别分析不同水头下管涌土体颗粒级配，分析了管涌发展过程中随水头变化的土体颗粒位移和流失规律，从宏观和微观角度共同阐释了管涌发生、发展的机理。试验结果表明，堤基管涌发生、发展的微观颗粒流失过程与宏观现象一致，管涌发生、发展的过程从微观角度即表现为颗粒位移并流失的过程。通过微观颗粒位移与宏观管涌通道发展相结合分析，更深层次剖析了管涌发展的机理。本研究对于管涌数学模型和数值模型的建立、提高管涌防治技术水平等具有参考意义。

堤基管涌；微观机理；颗粒流失；模型试验

1 研究背景

汛期频发管涌会严重威胁堤防工程本身和堤防保护区内人民生命财产的安全。国内外学者针对堤基管涌问题开展了大量的研究，但对堤基管涌发展并最终导致溃堤的机理、管涌破坏区的空间位置、断面尺寸特点等认识也各执己见，认识并不一致［1-6］。目前砂槽物理模型试验是较为有效的研究手段之一。堤基内土体和水之间各种复杂的相互作用决定了管涌渗透变形的复杂性和随机性，其发展机理涉及到土力学、渗流力学和泥沙运动力学等多种力学原理。由于过去的模型试验主要集中在渗透变形破坏的临界条件判别上，观测手段也比较传统，主要依靠测压管量测水压力、肉眼观察试验现象和量测渗流量等，对决定渗透变形趋势的管涌通道前端土体颗粒失稳模式和机理等关键问题却无法获知，因而至今无法从机理上明确阐述管涌渗透变形的本质。周健等［7］采用显微镜可视技术进行了水流方向向上的管涌细观试验研究，但对江河堤防频发的堤基管涌现象未有研究。

本文从微观角度出发，采用小尺寸管涌模型试验，采用显微镜对管涌发展过程中的试样进行局部放大摄录，追踪各级水头下试样颗粒的位置排列、位移等，从管涌发展过程中土体破坏模式角度阐释管涌发展的微观机理。

本文研究的堤基管涌泛指砂性透水堤基在渗透水流作用下，堤基渗透破坏带出泥砂颗粒在堤基内部形成管状通道、在堤内形成砂环的现象，堤防抢险中通常也称做泡泉、泉涌、翻砂鼓水等。通常管涌由下游出流点开始逐渐向上游发展形成通道，并由管涌通道向出口处输砂。当达到一定水头时，管涌通道就会持续向上游发展，并最终与上游连通导致堤防失事形成溃堤洪水灾难（如图1）。

2 试验

本文试验从微观角度，针对均质单层堤基管涌的形成与发展机制进行深入研究。将先进的显微数码摄像可视化跟踪技术和数字图像处理技术引入管涌室内模型试验，结合数字图像识别分析手段，开展室内小尺寸堤基管涌物理模型试验，对均质单层堤基管涌发展过程中的试样进行局部放大，从微观角度观察管涌发展过程中颗粒的起动和输移，摄录土颗粒的移动轨迹，追踪各级水头下试样颗粒的位置排列和运动模式等，尽可能获取颗粒位移、速度等参数，从微观角度揭示渗流过程中颗粒特性和水力特性的复杂变化，得到水头、水力梯度和颗粒粒径分布等的动态变化过程，并对整个渗流过程中颗粒的运动特点，颗粒流失的分布特点进行分析，揭示管涌发展的全过程，分析管涌发展过程中土体的破坏模式，为预测和治理管涌险情提供理论支持。

2.1 试验装置采用自行设计的管涌模型试验装置（见图2、图3），模拟在单层均质砂性堤基的管涌现象。试验模型箱用1 cm厚的玻璃做成，长70 cm、宽30 cm、高11.5 cm。采用与姚秋玲等［1］相同的办法，用50 cm长的玻璃盖板模拟堤身。显微镜和数码摄像设备能够清晰的透过顶面玻璃摄录土体的变化。

在模型侧面距离底板6 cm高度每10 cm布置一个测压管，量测在增加水头过程中不同时刻对应的各个不同位置的水压力变化。收集水槽后端出水量，用量筒和秒表量测土体渗流量。

通过高放大倍数的显微镜和高精度数码成像系统对土体表面进行拍照，获取管涌过程中反映土体颗粒动态变化的图片和影像，从微观的可视角度分析土颗粒的位移等特性。结合数字图像处理和分析技术实现管涌发生发展过程中土体颗粒粒径分布的量测。通过对比分析管涌发生前后土样颗分曲线，获得管涌发生前后的土体颗粒流失量的量测。试验过程中，采用放大倍数为10倍至220倍的奥林巴斯体视显微镜结合CCD摄像/照相机进行连续自动拍摄或人工拍摄，并自动存储在记录计算机内。

2.2 试验制样试验选用砂样部分物理性质见表1。为了使试样在装样过程中尽量均匀，减少粗细颗粒分离情况，将试样分成若干薄层，分层均匀铺填并击实至控制干密度。铺填完成后，按照《土工试验规程》（SL237-1999）要求进行饱和。砂样饱和后，在砂样上层盖上玻璃板，使之与砂样充分紧密接触后，与模型箱接触处用玻璃胶密封。

试样制作完成后，试验开始之前，采用高精度显微摄像系统，在模型槽顶面进行拍照（图4）。利用数字图像分析方法对砂样图像进行分析，得到了装样后的砂样颗分曲线，并与采用颗分试验方法得到的颗粒级配曲线进行对比（图5）。由图5可见，装样前后的颗分曲线形状较为接近，说明试验装样方法合理，没有改变砂样的骨架颗粒含量及土样物理力学性质；小于0.4mm颗粒含量装样后较装样前稍小，主要由于拍摄的砂样表面，表面的小颗粒沿骨架颗粒孔隙有一定的沉降。同时也证明了采用显微摄像方法分析管涌发展过程砂样颗粒运动规律的可信性。

3 堤基管涌微观模型试验过程

共进行7次重复性试验，7次试验过程相似，得到的临界水头相近。选取其中一组试验介绍典型试验过程。

试样饱和后，逐级增加水头进行试验，当前一级水头渗透变形稳定后，再抬高水头进行后续试验。渗透变形稳定的判别标准是：渗流量和测压管水位基本稳定，管涌口水流清澈且没有砂粒带出，管涌通道内没有砂粒移动，管涌通道前端不再发展。

图6和图7分别为整个试验过程中水头与流量、水头和管涌通道长度关系图。

典型试验阶段的现象如下：

（1）无明显渗透变形阶段。水头为1.8 cm，此时堤基平均水平比降为0.036，砂样无变化。当水头持续增加至8.7 cm时，在距模型槽左侧（从下游往上游看）21 cm处，下游裸露砂层出现长约5 cm、直径3mm的砂眼，两处砂眼内均有细砂上下翻腾，有极少量的细砂带出并堆积在砂眼周围，持续一段时间后渗透变形趋于稳定。期间砂眼周围的砂环增大但有限，水头和流量基本呈线性关系（图6），砂眼仅发生在近堤脚的裸露砂层内，堤基内（玻璃板下）并未见渗透破坏现象出现。

（2）堤基砂层局部渗透变形阶段。当水头增加至10.9 cm时，砂眼冒浑水带砂，紧靠堤脚处的砂沸范围渐渐扩大，堤脚附近，新的砂眼出现，渗透变形向上游水平发展，并出现几条窄浅沟槽状的管涌通道，长约1-5 cm（图7）。持续一段时间后渗透变形趋于稳定，水头和流量开始偏离线性关系（图6）。增加水头，管涌沟槽最前端的砂粒失稳而起动，并随水流向管涌口方向输送，沟槽两侧的砂层也被水流冲蚀并有砂粒输移，玻璃板下逐渐形成向上游蜿蜒河曲状管涌沟槽，从通道最前端往管涌口方向，管涌通道的宽度和深度稍有增大，但相差很小，尤其是管涌沟槽的深度变化更小。随着水头的增大，水头与流量更加偏离线性关系。当水头达到14.3 cm时，渗透变形仍然能够最终稳定下来，管涌通道在堤基内发展的水平长度约为38 cm。

（3）堤基整体破坏阶段。增加水头至15.1 cm，管涌沟槽快速向上游发展，渗流量加速递增。历时270m in，管涌沟槽最终与进水室连通，此时管涌沟槽宽约1～2 cm，估计深度小于1 cm。管涌沟槽与水箱连通后，在连通管流的水力冲刷作用下，管涌通道的流量、带砂量和尺寸逐渐加速增大，并最终导致溃堤破坏。至此，整个试验结束。取最末两级水头的平均值，得到管涌破坏的水平平均临界水力比降为0.294。

4 堤基管涌模型试验的微观过程分析

结合试验现象，利用高清晰显微摄像图片分析局部颗粒变化情况，将管涌发展的过程划分为两个阶段，即管涌通道形成前堤基内土体骨架颗粒粒径、颗粒的运移路径和规律；管涌通道形成后通道前端颗粒运移规律、骨架颗粒粒径。

（1）管涌发生前的颗粒运移变化。图片拍摄时间分别为试验开始t=20、30、40、50、60m in，即分别对应为第2、3、4、5、6级水头。对相应时间拍摄的图片进行放大处理，圈出在下一时间段将发生运动的颗粒，如图8（a）—（e），针对标志颗粒的运动轨迹进行分析。

当水头为1.8 cm时，通过体视显微镜和对试样的直接观察，除个别极细小的颗粒发生移动，没有其他颗粒移动。当水头增加至5.1 cm的过程中，此时水平平均水力坡降小于0.102，粒径小于0.075mm的细颗粒开始起动，其他粒径的颗粒没有移动，如图8（a）—（c）。

当水头继续增加至8.7 cm时，较大粒径的颗粒开始发生位置变化，如图8（d）、（e）所示。将这两张图片中发生位置变化的颗粒分别圈出，并合并到一张图片中进行位置对比，发现细颗粒运动轨迹基本相同，没有发生大的变化，粒径大于0.075mm的颗粒在水流作用和细颗粒的运动下，发生旋转（图8（f））。颗粒1发生了顺时针方向的旋转；颗粒2发生逆时针方向的旋转；颗粒3和颗粒4都发生了顺时针方向的旋转。

由此可看出，堤基发生管涌前，当堤基内发生渗流作用后，砂样中小颗粒在大颗粒之间的孔隙中发生位移，但骨架颗粒并未发生位移，仅是在原处位置发生调整，并最终稳定，颗粒不再移动。

（2）管涌通道形成后管涌通道前端土体变化过程。当水头增加至10.9 cm时，此时水平平均水力坡降约为0.218，粒径小于0.1mm的颗粒开始移动，并随着水流移动一段距离。待该级水头渗透变形稳定后，继续提高水头。

利用Adobe Prem iere PRO2.0软件对管涌通道前端的视频进行高频截图，如图9（a）—（e）所示，对管涌通道前端颗粒运移规律细观图进行分析，获取不同时间对应的颗粒级配曲线（图9（f））。

结合试验现象，对管涌通道前端颗粒运移规律细观图和颗粒级配曲线进行分析，管涌通道形成后通道前端颗粒运移规律表现为：当水头增加至12.1 cm，即水平平均水力坡降约0.242时，管涌通道前端0.2mm以下的颗粒也开始移动，见图9（a）—（b），这些移动的颗粒沿通道输送到管涌口。小颗粒运移完后，粒径约0.2～0.4mm的骨架颗粒也开始离开原来的位置，颗粒的移动不再是局部的，管涌现象比较剧烈，管涌通道前端颗粒群整体移动，见图9（c）—（d）。肉眼直接观察到的现象即表现为管涌通道向前发展了一段距离，且颗粒速度逐渐减慢。随着管涌通道的不断发展，管涌通道前端水力比降降低（丁留谦等）［8］，因此发生位移的骨架颗粒逐渐减少，管涌通道逐渐停止发展。水头继续增加至14.3 cm，但此时管涌通道前端仅表现为粒径小于0.2 mm的细颗粒在运动，且输送的颗粒粒径和含量逐渐减少，骨架颗粒不再运动。这是由于管涌通道前端水力比降降低，且仍未超过骨架颗粒起动所需要的水力比降，因此表现为尽管水头有提高，而管涌整体上仍保持相对稳定不再往前发展的现象。

当水头增加至15.1 cm，此时水平平均水力梯度约为0.302。管涌通道前端颗粒整体发生移动，并迅速扩展至上游，砂样内出现一条弯曲贯穿的渗漏通道，并最终导致堤基整体破坏。由于此时管涌发展迅速，很难用显微镜摄像系统捕捉到静态画面。但从上一阶段管涌通道向上游发展的微观机理分析不难理解，随着水头的增加，管涌通道前端的水力比降逐渐增大，最终大大超过骨架颗粒起动所需的水力比降，因此管涌发展不再停止，直至与上游连通。

通过微观试验颗粒运移规律分析，基本可以将管涌土体颗粒划分为两类：一类是土体骨架颗粒，可支撑荷载传递骨架有效应力，这些颗粒在管涌通道形成前和管涌通道暂停向上游发展时位置基本保持不变，可以是原位上的位置调整，但不会发生明显位移；另一类是存在于骨架颗粒孔隙之间的可动颗粒，其位置在渗透水流作用下随时可变，且不能传递骨架应力，颗粒的粒径小于孔隙时，就会在渗透水流的作用下移到邻近孔隙中，但土体内部的结构复杂，随机性大，孔隙的尺寸随时间、位置而变，所以这些可动颗粒的运动并非连续，而是断断续续进行。

试验结果表明，从微观角度分析，堤基管涌发展的过程也即表现为颗粒流失的过程，并且与宏观管涌现象一致，基本上可分为3个阶段，即：（1）未发生明显渗透破坏阶段。在渗透水流作用下，大小颗粒分离，肉眼难以看到的小可动颗粒在骨架颗粒孔隙间迁移并流失，使得骨架颗粒孔隙增大，但骨架颗粒基本保持位置不变，此时从宏观试验现象表现出来的是渗流出口冒清水，少量细颗粒在出口处砂沸；（2）堤基局部渗透破坏阶段。随着渗透水流压力的增大，局部骨架颗粒逐渐失稳，变成可动颗粒，随水流向渗流出口处输送，此时从宏观试验现象表现出来的是从渗流出口处向上游方向逐渐形成较小的管涌通道，管涌通道前端向上游回溯发展。在这个阶段，可动颗粒与骨架颗粒往往是可以相互转化的。由于土体结构复杂，可动颗粒在移动过程中往往会遇到尺寸更小的孔隙而发生淤堵，因此停止运动而暂时成为骨架颗粒的一部分，此时的骨架颗粒就是原骨架颗粒加上被小孔隙堵塞的颗粒。直到在更大的水力比降作用下，该位置被疏通，此时颗粒又开始运动，成为可动颗粒。宏观试验现象表现出来的是保持水头不变的情况下，管涌通道的发展会暂时停止，难以预测，时慢时快，且试样中最终形成的通道通常是弯曲的，提高水头后，可能会重复上述过程，表现为断断续续发展；（3）堤基整体渗透破坏阶段。骨架颗粒连续发生位移，不再是断断续续，不再停止，宏观试验现象表现出来的是管涌通道前端持续向上游回溯发展，直至于上游连通，形成贯通的管涌通道，最终导致堤基整体失稳溃堤。

5 结论

本文详细介绍了单层堤基管涌微观模型试验的过程及试验结果，通过常规试验现象观察和引入高精度显微数字成像及图像分析手段分别从宏观和微观角度对管涌机理进行了研究分析，通过对颗粒流失粒径与水头的分析，从宏观和微观角度阐述了堤基管涌发生发展的过程，从微观角度分析了管涌发展过程中流失颗粒粒径的变化规律，基本掌握了管涌土体破坏的过程，探索了管涌发生发展过程的微观机理。

试验得出以下结论：（1）堤基管涌发生发展的微观颗粒流失过程与宏观现象一致，是颗粒起动流失的过程。通过微观颗粒位移与宏观管涌通道发展相结合分析，更深层次剖析了管涌发展的机理；（2）不同粒径的颗粒起动水力比降不同，粒径越大，起动的临界水力比降越大。在较小的渗透水流作用下细颗粒沿骨架颗粒孔隙流动，随着水头增加，流失的细颗粒粒径和数量增大，骨架颗粒随水头增加而逐渐失稳，最终导致土体局部渗透破坏，管涌通道形成；（3）水力比降超过颗粒起动临界水力比降时，颗粒开始起动流失，但随着管涌通道向上游的发展，通道前端水力比降逐渐减小，从而导致颗粒流失的粒径和数量也逐渐递减，最终管涌通道停止向上游发展。直到水头远远超出土体局部破坏临界比降，骨架颗粒持续失稳发生位移，因而管涌通道一直向上游扩展，直至发生溃堤破坏。

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Experim ental study on the m icrocosm ic m echanism of backw ard p ip ing in d ike foundations

YAO Qiu-ling1，2，LIU Chang-jun1，2，DING Liu-qian1，2，ZHANG Shun-fu1，2

（1.China InstituteofWater Resourcesand Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.Center of Disaster Reduction of theMinistry ofWater Resources，Beijing 100038，China）

Small scale experiments are conducted to try to explain the microcosmic mechanism of frequent backward piping in dike foundations during flood seasons.The sand matrix is photographed and recorded by zoom ing in video using the m icroscope and digital imaging analysis system during the experiments.By combining common visual observation of the phenomenon with analysis of the particle grading during differ⁃ent water head by digital image acquisition system，the particle disp lacement and loss pattern along with the water head increasing are analyzed.The mechanism of backward piping is explained both from macro⁃scopic and microcosmic view.The experiments show that the particle displacement and loss process are con⁃sistent with the observed phenomenon.The process of backward piping just refeects the particle displace⁃ment and loss process.Based on the integrated analysis on the particle disp lacement and piping channel progress，the backward piping mechanism is explored more deeply.This research will trigger the inspiration for establishing both mathematical and numerical models，and is also useful for improving the technology of countermeasures against backward piping.

dike foundations；backward piping；microcosmic mechanism；particle loss；model experiments

TV871

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.01.001

1672-3031（2014）01-0001-07

（责任编辑：王成丽）

2013-12-21

国家国际科技合作项目（2010DFA74520）；中国水利水电科学研究院科研专项（防集1132）

姚秋玲（1981-），女，安徽人，博士生，工程师，主要从事堤防安全和渗流分析控制研究。E-mail：yaoql@iwhr.com

丁留谦（1965-），男，河南人，教授级高级工程师，主要从事防洪减灾和渗流分析控制研究。E-mail：dinglq@iwhr.com