浅谈渗透破坏中管涌的研究

魏 琦

（重庆交通大学 河海学院， 重庆 400047）

0 引言

我国丰富的水资源环境中，七大流域分别纵横了南北。丰富的水资源保证了人民生活的安居乐业，但同时由地形气候引起的水灾害同样是人们生命财产安全的重大威胁。据统计资料分析，大多数的地质灾害、岩土工程以及水利工程中所产生的危害大多数都是由于土中水产生的。

大多数由土中水所造成的工程事故，主要是由于土中水增加，使得非饱和土的基质吸力锐减，导致部分的岩土软化，从而破坏土体结构；由于土中水含量的增加，导致了土体本身的自重应力增加，从而使得土体的荷载增加，减小抗力等[1]。在我国堤坝数目众多，其中土石坝的比例更是达到了90%以上，在病险坝的失事中，渗透破坏又是其主要原因，所以，研究渗透破坏对于病险坝的防治有着极其重要的意义。

1 渗透破坏

渗透破坏也叫做渗透失稳，是由于土和水的相互作用下，水流引起的土颗粒的流失所产生的含沙水流的移动所导致的土体整体稳定性的失衡。经过长时间的研究分析，普遍将渗透破坏分为管涌、流土、接触冲刷和接触侵蚀这四大类型，而其中的管涌和流土更是渗透破坏中的重要部分，也是研究的主要方向。

2 管涌

管涌指的是由于水流的渗透作用，以及在水流力的影响下，密集的渗漏通道就在粗颗粒中形成了，使得其中的细颗粒大量涌出，土体内部的稳定性降低，土体失去稳定性从而破坏。

2.1 管涌的产生机理

在管涌的产生过程中，由于土体中细颗粒的流失，土体的一些力学特性如稳定性、渗透性等会发生改变，不仅如此，由于流失的发展，不同的类型，发展的不同过程都会对管涌的机理有所影响。

为了研究管涌的机理，一开始学者们从渗流的角度出发进行了一系列研究。

Kenney 等[2]认为土体主要包含两大部分，一部分是土的骨架，另一部分则是土骨架中包含的可动的细颗粒。因而在水流的渗透作用下，通过土骨架中的孔隙，细颗粒随着水流的作用移动。在此基础上进行了可动细颗粒矢量的试验，并最终提出关于颗粒级配曲线和可动细颗粒流矢量的确定方法。

Bendahmane 等[3]设计了一种即可以考虑水力条件对可动细颗粒流失的影响，又可以发映出特殊状态下土体的特殊管涌发展规律的实验装置。并在他们的试验基础上，重点探讨这三个因素：渗透坡降、（5%～30%）细颗粒含量和围压，这些因素对于管涌的发展过程的影响。

而随着研究的深入，人们逐渐发现管涌并不是单纯的渗流作用的影响，从渗流与应力耦合的角度研究管涌机理比单纯从渗流角度研究更为适合。

周晓杰等[4]通过采用无网格法等对渗流场进行数值模拟计算、罗玉龙等[5]通过进行渗流—侵蚀—应力耦合的管涌实验，建立耦合本构方程及其数学模型。结果发现在管涌的发展过程中，若假设土骨架不发生变形，将土体分为三相：即土骨架相、可移动的细颗粒相和水相。他们认为管涌并不仅仅是单纯的渗流作用，而是涉及到孔隙水渗流、多孔介质变形和可动细颗粒侵蚀运移等众多复杂力学行为的多相多场耦合现象。这种多相多场的耦合更符合管涌的发生，但现有的研究结果无法完美模拟管涌的发生。

2.2 管涌的判别

由于管涌和流土对实际工程的影响并不相同，需要进行不同的应对，因此判别也就显得十分重要。国内外学者[6-8]对此进行了大量的研究，而他们的研究则大多数考虑从不均匀系数，颗粒级配，级配曲线，颗粒直径，细粒含量等方面入手，进行探究探索渗透破坏的判别方法，也提出了一些相应的判别方法。通过研究不均匀系数、对比级配曲线、特征粒径含量、细颗粒含量、孔隙率等方法，得出分别适应于不同条件的土体发生管涌的结论。

现有的判别条件中，不仅仅是从级配、土种类等来进行研究，研究更全面的是通过水力梯度来判别渗透破坏，并在此基础上得出了一系列计算公式。康特拉契夫得出的适用于紊流和层流的临界水力梯度的公式；Terzaghi 归纳出的适用于无粘性土的管涌的临界水力梯度公式；吴良骥、刘杰、沙金煊、毛昶熙通过不同的角度和条件总结出适用于不同条件的无粘性土的管涌的临界水力梯度公式。

对于渗透破坏的判别方法的研究可以帮助我们解决许多实际工程中土中水的问题，因此尽管许多专家学者研究出了许多判别方法，但这些方法都有它们各自适用的条件。

3 管涌研究的工程问题与研究方向

在对于管涌的研究过程中可以发现。我国现有的堤防，由于历史局限性以及科技发展的原因，大多存在以下三大问题[9]：一是堤的基础条件差，堤下的地基大多为砂基或者是人工填土形成的地基；二是堤身本身的建筑材料的质量很差，甚至现有地方的堤防中有不少是在原来民堤的基础上加高培厚之后建成的；三是堤后存在较多的坑塘，并且堤后的覆盖层较为薄弱。正是由于这些问题的存在，堤岸在发生洪水时经常性发生管涌、滑坡等险情，管涌更是发生率最高的险情。在实际工程中，不乏有堤坝由于管涌的原因，导致堤坝崩溃。基于这种形势，考虑对管涌的产生进行试验研究。

通过对管涌发生的临界条件进行研究，对堤防的堤基下的伏砂砾层进行分析。由于目前我国堤坝的状况，分析堤坝可能存在的由下方水流冲刷至堤坝内部，并从坝后流出的情形，但由于水流在渗透过程中，堤坝内的细小颗粒从堤坝内的骨架中随水流流失，导致堤坝发生管涌破坏，失去稳定性，不再具有安全性。

拟从散粒土的管涌三相耦合方面进行研究，对管涌的发生进行模拟，通过进行散粒土的细颗粒流失和土体强度变化的关系分析，希冀建立起一个散粒土的侵蚀-强度作用耦合模型，并对管涌的真实发生规律和状态进行模拟。具体来说，由于管涌的发生，会对导致土体的应力状态发生变化，而应力状态的变化又会反过来继续影响管涌的发展，通过土体的渗流-侵蚀实验装置，对土体的颗粒级配，密实度进行控制，并通过对管涌的应力状态进行控制和改变，观察它对管涌的影响，以此来推测管涌的发生状态，并通过建立数值模型，希望能找到一个合适的模型来模拟管涌的发生时的状态，为人们研究管涌提供一部分小的思路和建议。

4 结语与展望

通过对管涌的研究，人们得到了许多有用的知识和信息，由于其中很多具有相类似的性质，并没有一一在文中列出。尽管人们做了方方面面的研究，但仍然有很多方面无法达到预期的效果。如建立一个可重复的实验模型，用于揭示管涌的发展流程，从而更好模拟管涌的发生，或是从细观层次对管涌的发生发展进行研究，让人们能更方便的对管涌的发生采取预防措施并对更方便的寻找管涌的治理方案，从而对管涌进行彻底的预防和解决。因此，进行管涌的研究和分析依然是今后研究的一个重要方向。