堤防管涌险情研究进展

2019-02-20

长江科学院院报 2019年10期

(长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

我国洪涝灾害问题突出，防洪减灾关系人民生命财产安全、社会稳定与可持续发展。堤防工程是我国防洪体系的重要基础，已建堤防总长达41万km，其中长江中下游堤防3万km，干堤3 600 km。由于堤身不均匀，堤基结构复杂，河流冲刷、人类与动植物活动、极端气候条件等众多因素的影响，长江中下游堤防存在安全隐患，汛期险情频发，抢险仍主要依赖传统技术与人海战术。堤防险情一旦致灾，将给沿岸人民的生命财产带来重大损失。1998年长江全流域发生特大洪水，中下游堤防险情共73 800余处，其中长江干堤险情9 405处，较大险情1 702处，涉及12省，淹没耕地358万亩，受灾人口1亿，死亡1 800余人，直接经济损失1 500亿[1-2]。

管涌是长江堤防主要险情之一，如在1998年长江流域干堤发生较大管涌872处，占较大险情的51.2%。针对堤防管涌险情的研究，主要集中在管涌形成机理、研究方法与修复技术等方面，国内外科研工作者开展了大量的工作，并取得了丰富的成果。

1 管涌形成机理

虽然以往已开展了大量堤防管涌机理的研究，但是由于试验手段的局限性，以及堤防工程的特殊性和复杂性，已有成果尚不够深入，缺乏系统性。目前对管涌险情发生发展至溃堤的演化机制、险情危害、工程安全的孕育条件、危害程度等的认识仍不够清晰，导致防汛抢险中对管涌险情的判断仍主要以经验和定性为主，甚至有时出现对管涌险情现象的错误解读，难以对管涌险情的发展趋势作出准确判断。影响堤防管涌险情发生的因素众多，主要为堤身地质条件[3-4]、水文条件[5-6]、人类活动与动植物活动等[7-8]。

堤防为历史上多次加高培厚修筑而成，堤身不均匀，为管涌等险情发生提供了条件。毛昶熙等[9]以北江大堤典型堤段为背景，研究了砂层厚度、埋深、地层结构以及接触面的粗糙度等因素对管涌形成的影响，结果表明深层强透水层能显著降低临界比降，且上层越细，下层越粗，其临界比降减小幅度稍微增加，但接触面越粗糙其临界比降越大。刘杰等[10]根据二层地基的渗透系数比值不同进行了序列试验研究，认为渗透破坏都是开始于上层土，且上下2种土层渗透系数之比>100时，最容易发生管涌。陈建生等[11]研究了细砂层对双堤基管涌形成的影响，结果表明，堤基破坏的临界水力梯度随着细砂层埋深的增加而增大，但当细砂层埋深大于临界埋深时，堤基的临界水力梯度基本不变。王霜等[3]研究了双层堤基的砂砾石中粉细砂位置对管涌扩展的影响，结果表明，粉砂层在砂砾石层中间时，比其在表层时的临界水力梯度高，但管涌发展范围大，侵蚀速度快，易形成致溃管涌。周健等[12]从细观角度研究了管涌发展过程，详细分析了管涌形成过程中颗粒的移动规律，认为骨架颗粒、可动颗粒以及与水之间的相互作用贯穿管涌发展全过程。梁越等[13]将管涌发生、发展过程划分4个阶段：上覆层破坏前的稳定阶段、上覆层破坏阶段、上覆层破坏后的稳定阶段、整体破坏阶段，且认为上覆地层承受了大部分水头差，一旦上覆地层破坏后，将转移至下覆砂层，形成管涌。王霜等[14]通过彩砂等研究由黏土层、细砂层和砂砾层组成的3层堤基管涌发生机理，发现在同一水位条件下，形成了多次涌砂现象，表明土体的力学特性在管涌扩展过程中具有重要的控制作用。姚志雄等[15]开展了颗粒级配对堤防管涌险情发生的影响试验研究，结果表明临界细颗粒含量的砂土在管涌过程中，可能产生自滤-反滤的现象而使系统自稳定。

综上，对管涌形成机理的研究主要集中于管涌发生形成的临界水力条件、影响因素等方面，并从细观尺度、水-土耦合角度进行深入研究。但对大尺度条件下的管涌形成机制、致溃管涌的形成条件研究比较欠缺。同时，对堤防管涌的形成原因主要是从渗流角度进行研究的，而忽略了力学、河流动力学以及管涌扩展过程中的连续与非连续力学扩展过程。

2 管涌的研究方法

2.1 室内管涌物理模型试验

由于堤防的特殊性，难以开展堤防原位试验研究。因此，堤防物理模型试验将是开展堤防管涌险情研究的重要手段之一，但目前所采用物理模型试验尺寸过小，导致管涌险情易扩展至模型边界，对致溃管涌的发生、发展与致溃过程研究造成显著影响。

Van Beek等[16]尝试利用离心模型开展管涌机理研究，在管涌发生、发展及致溃过程观测方面均取得了较好的效果。Saghaee等[17]利用离心模型对堤防中动物洞穴在江水位逐渐上升过程中的侵蚀与渗流变形过程进行了物理模拟试验，结果表明，由于洞穴的存在，堤坝中水流模式发生了变化。Fox等[18]采用物理模型(长50 cm、宽50 cm、高20 cm)对低压缩性土(黏壤土和砂壤土)中的人造土洞及其侵蚀过程进行了研究，在定水头条件下对渗流流量和侵蚀悬浮物浓度进行监测，结果表明，土壤初始含水量对土洞的侵蚀过程影响显著。Terzaghi[19]采用物理模型观察到了导致管涌发生的2个过程，即表层土下的潜蚀和地表土体积的隆起。因此，建议在进行安全监测时必须对表层土下的潜蚀和地表土体的隆起这2种现象进行验证。Skempton和Brogan[20]通过2种类型内部不稳定土的模型试验来模拟管涌发生时的现象。当水力梯度比较小时，渗流速度与水力梯度成正比，这符合达西渗流理论。在这个阶段细小土颗粒没有产生任何的移动，随着水力梯度的不断增大，渗流速度也增大，细小的土颗粒便开始起动并被水流携带着冲出土体，此时土体的渗透性明显增强，渗流速度快速增大。快速增大的渗流速度使较大的土颗粒也开始起动，从而土体的渗透性进一步增强。即在达到临界水力梯度以后，土颗粒的相对位置会重新调整，这种调整将导致孔隙率增大和渗透性增强。

毛昶熙等[21]以长江细砂为研究对象，采用物理模型(长8 m、宽0.3 m)方法研究了悬挂式防渗墙对双地基结构堤防的管涌形成与演化过程的影响，取得了不同贯入度悬挂防渗墙防止管涌效果的系列试验成果，论证了悬挂式防渗墙对覆盖土层下粉细砂地基发生管涌时有截断通道、控制管涌发展的显著功效。陈建生等[11]利用室内砂槽试验，模拟当细砂层位于砂砾石层内部不同深度时含夹砂层堤基管涌的发展过程，研究细砂层埋深对堤基管涌的影响。陈建生等[22]利用室内试验模拟了刚性盖板下双层堤基渗透破坏的过程，研究了堤基发生管涌破坏后对上覆黏土层的影响。周建等[12](模型长50 cm、宽10 cm、高60 cm)、刘昌军等[23](模型长70 cm、宽30 cm、高11.5 cm)利用微摄像技术对管涌的发展过程进行了动态拍摄，从细观角度观测到了管涌形成到破坏的全过程。毛昶熙等[24]采用了1∶20和1∶40比例尺模型研究双层地基粉细砂层发生管涌通道时所需要的水平临界水力梯度(0.1)。姚秋玲[25]采用砂槽模型试验的方法，对长江中下游典型的单层-双层-三层透水堤基管涌分别进行试验研究，观察到管涌发生、发展、溃堤的全过程，得到了相应的堤基管涌破坏的临界水平平均水力坡降，分析了不同堤基条件下管涌机理的特点和差异。

物理模型试验是研究管涌形成机制的重要手段之一，但目前大部分研究主要采用的小尺度物理模型，难以克服模型的尺度效应。由于管涌险情发生、发展、致溃过程中，管涌不断向上游扩展，一旦管涌口扩展到模型边界，将影响管涌机理的发生。因此，需要利用大尺度物理模型试验，观测管涌发生、发展、致溃全过程，揭示管涌致溃机理。同时，目前几乎所有的管涌物理模型试验均采用有机玻璃或钢板等材料将模型表面盖住，采用预留孔模拟管涌口，使在管涌发展过程中，管涌口无法扩展，其排水量与涌砂量均受固定尺寸的管涌孔影响明显，导致无法准确地揭示管涌扩展机理。

2.2 管涌数值模拟

Ojha等[26]认为引发管涌发生的最重要的因素是能触发管涌发生时的临界水头，考虑水头损失和临界牵引力模型，构建了临界水头模型方程，经过转换，该模型与Bligh经验模型相互兼容，且其模拟预测结果优于Terzaghi模型。Shamy等[27]考虑土-水-结构的相互作用关系，建立了三维水土二相管涌模型。假设水流采用连续的Navier-Stokes进行模拟，而固相则采用微尺度的离散模型进行刻画。模拟结果表明，堤防险情发生时，其水力梯度可能低于临界水力梯度(未考虑水力耦合作用)，因此，考虑水力耦合的堤防险情预测模型可能对研究堤防管涌险情演化机制具有重要作用。Tao等[28]考虑水土相互作用建立了数值模型，研究了相对密度、初始孔隙比、粒度分布、模型长宽比以及摩擦系数等对管涌险情发生的影响。模拟结果与基于太沙基理论获得的结论吻合；同时，发现模型边壁摩擦与模型的长宽比对管涌形成的临界水头值影响显著。Zhou等[29]、Wang等[30]认为达西定律以及离散元(节点太多)无法模拟管涌形成过程，并提出了一种基于堤坝中管道流与渗流的模拟方法。Liang等[31]采用数值模拟方法研究了堤防地层的非均质性对管涌扩展过程的影响，结果表明地层的非均质性能促进优先流形成，增加了管涌形成风险。

张家发等[32]在非稳定渗流模型的基础上，提出了渗透变形判别条件，并编制了有限元程序SDFEM，结果表明悬挂式防渗墙对渗流的控制作用不明显，但对险情的扩展具有显著的控制作用，与物理模型试验结果基本一致。刘丹珠等[33]在此基础上，根据土拱理论和土体坍塌机制，提出了单层堤基管涌区上覆土体稳定性和坍塌的判别方法，完善了堤基管涌扩展数值模拟方法和程序，认为管涌扩展初期，土体没有产生坍塌；当管涌扩展接近悬挂式防渗墙时，管涌区上覆土体开始出现坍塌；当管涌绕过防渗墙向上游扩展后，管涌区上覆土体的坍塌对管涌扩展路径影响较大。刘昌军等[34]对双层堤基的管涌破坏过程进行了数值模拟，同时分析了管涌形成的尺度效应，结果表明模型尺寸对堤基管涌的临界水头、发展过程有较大影响，临界水头随模型宽度和深度的增加而降低，但降低幅度逐渐减小，并对物理模型试验尺寸进行了修订。梁越等[35]、周晓杰等[36]考虑流固耦合作用，对管涌的发展过程进行了数值模拟。倪小东等[37]采用颗粒流理论对管涌砂槽模拟试验的管涌发展过程的细观变化规律进行了数值模拟研究，结果表明在不同的颗粒组成、孔隙率大小和渗径长度下数值模拟获得的临界水力梯度与室内试验结果均比较接近。朱伟和山村和也[38]结合日本的阿武限川堤基渗漏防治工程，运用有限元饱和-非饱和渗流解析，对堤基发生渗透破坏的机制和影响渗透破坏的因素进行了分析与讨论，结果表明堤基渗透破坏发生程度与降雨、洪水、地下水和地基等条件密切相关，特别是洪水的持续时间和地下水位对渗透破坏的影响最大。

对管涌险情的数值模拟主要集中于管涌扩展过程以及管涌形成条件的验证等方面，已有部分学者开始了从颗粒流、流固耦合等方面开展相关研究，尽管取得了较好的成果，但在刻画管涌致溃全过程方面仍需要进一步开展深入研究。

3 堤防管涌险情处置技术

3.1 汛期管涌险情处置技术

根据管涌险情发生机制，处置管涌险情的原则为“前堵后排”，即在迎水面进水口采用弱透水材料进行封堵，减少渗流强，在管涌发生处采用透水材料等进行反滤处理，导水降压，防止泥沙流失。在管涌险情抢护技术方面，已取得了大量的研究成果。

管涌险情抢护应遵循制止涌水带砂同时保障涌水路径畅通的原则，从而达到控制险情的目的。毛昶熙[39]对管涌应急抢护方法即围井导渗、滤层压盖、背水围堰、水下导滤等进行了总结，并对各方法的适用条件进行了系统阐述。

与传统管涌险情抢护材料相比，土工合成材料具有强度高、整体性好、适应性强、易储存与施工效率高等优点而被广泛应用于堤防管涌险情处置。张磊[40]对比分析了不同类型的土工合成材料(土工织物、土工网和土工滤网)对管涌险情的处置效果，研究结果表明，土工织物孔径大小是影响管涌险情处置效率的关键性因素，如果孔隙过小，会形成“泥饼”，无法排水降压，如果孔隙过大，则直接会形成泥土流速，无法有效控制管涌形成。张宝森等[41]以黄河堤防管涌险情为背景，研究了土工合成材料在管涌险情抢护中的应用，结果表明采用等效孔径为0.1～0.2 mm的涤纶长丝纺粘针刺无纺土工织物能有效处置流土型管涌险情。

在汛期，对管涌险情的处置主要以传统方法为主，但如何提高各种方法的抢险效率存在明显不足。尽管土工合成材料具有明显优势，但如何选择与堤防土质相适应的土工合成材料类型，是目前土工合成材料在堤防管涌险情处置中急需解决的难题。

3.2 非汛期减压井渗流控制技术

针对重要堤防的险工险段，在非汛期时采用减压井技术可从根本上解决堤防管涌险情发生的问题。因此，该方法在我国堤防除险加固工程中被广泛采纳。张家发等[42-43]对减压井运行机制进行了深入研究，认为与其他措施相比，该方法具有效果好、造价低等优势。曹洪等[44]通过现场试验对减压井效果影响因素进行了分析，并对成井工艺和反滤方面进行了改进，提高了减压防渗效果。罗玉龙和罗谷怀[45]提出了适用于洞庭湖二元结构堤基的减压井结构型式即塑料盲沟与毛细板的新型减压井结构，并对其减压效果进行了研究。李景娟等[46]采用数值分析方法，并结合现场试验，对减压井影响因素进行了敏感性分析，指出贯入深度与滤层透水性影响最显著。Mansur等[47]研究了密西西比河减压井的排水减压效果。Hadj等[48]对减压井反滤层与减压排水效果进行了室内试验研究，确定了反滤层设计标准。

减压井在长期运行过程中，易形成淤堵，导致减压井排水效果逐渐降低，最终失效。吴昌瑜等[49-50]系统总结了减压井淤堵的主要成因有3大类，即机械淤堵、生物淤堵和化学淤堵，并针对长江堤防减压井施工与运行环境，利用物理模型试验探讨了减压井淤堵的机制，为优化减压井结构提供了思路。张伟等[51-52]利用葡萄糖溶液模拟地层还原条件，探讨了铁离子的化学淤堵机制；同时，针对减压井淤堵问题，提出了可拆换式减压井结构，通过更换减压井过滤器来恢复其排水效果，该结构被广泛应用于长江流域堤防出险加固工程，并取得了较好的应用效果。

目前，关于减压井的研究主要集中于减压机制、效果影响因素及其结构形式，但在提升减压井效率与结构优化方面尚缺乏深入研究。

3.3 非汛期防渗墙渗流控制技术

垂直防渗墙是我国堤防除险加固的主要工程措施之一，能显著提升堤防抵御洪水能力，减少管涌等险情发生。1998年大洪水后，在荆南长江干堤实施了97.64 km的垂直防渗工程，显著提升了堤防的防洪能力。姚秋玲[25]研究了防渗墙对多层结构堤基管涌发展的控制效果。张家发等[53-54]通过砂层模型对比分析了有、无悬挂式防渗墙在管涌险情控制方面的作用，研究结果表明，悬挂式防渗墙可显著控制险情扩展，但对渗流控制效果不显著；同时，系统介绍了长江重要堤防垂直防渗系统的规模与实施情况，并对其施工工艺及其环境效益进行深入分析，认为悬挂式防渗墙对地下水循环影响微弱。毛昶熙等[55]推导了适用于悬挂式防渗墙管涌发展的水头分布与临界坡降计算公式，对防渗墙设计具有重要意义。许继军等[56]对悬挂式防渗墙的防渗机制及适用条件进行了阐述，并提出了相应的设计参数。陈社明等[57]对松花江干流群力堤进行了悬挂式防渗墙渗流量影响因素分析，结果表明渗流量受江水位和强透水层顶板高程影响显著，而受贯入深度(16～24 m)的影响有限。张漫等[58]对枞阳长江干堤全封闭式渗墙截渗效果进行了长达3 a的监测，大部分断面江水位与防渗墙后侧的地下水位相关性差，表明防渗效果好。

防渗墙对堤防险情控制具有显著效果，但目前对防渗墙的全寿命周期的防渗性能缺乏长期监测与评估，同时应考虑防渗墙系统的运行对堤内地下水环境的影响评估，特别是全封闭式防渗墙系统。