堤基管涌模型試驗的流速示蹤與發(fā)展過程

牛貝貝，王麗影

（河北工程大學(xué) 水電學(xué)院，河北 邯鄲 056021）

管涌是嚴(yán)重威脅江河大堤堤防安全的常見險情之一，且危害極大，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，90%以上的堤防潰決都是由于管涌破壞造成的。許多學(xué)者對管涌現(xiàn)象進(jìn)行了研究，研究工作主要集中在對臨界滲透破壞條件的判別上。面對管涌破壞的形成機制，現(xiàn)有的研究成果仍存在很大的局限性。已有的總水頭方法和臨界水力梯度方法并不能全面地反映管涌現(xiàn)象產(chǎn)生與發(fā)展的全過程?？偹^方法是 “平均的滲流”，而管涌的發(fā)生取決于“集中的滲流”；臨界水力梯度的方法考慮了土和水的性質(zhì)可以從發(fā)生的機理上反映管涌形成的機制,但是由于發(fā)生管涌影響因素的復(fù)雜性,并不能全面地概括管涌發(fā)生的機制。因而，對管涌滲透破壞機理的研究具有重要意義。本文利用有機玻璃槽試驗，通過酚酞試劑流速示蹤技術(shù)、數(shù)碼攝像技術(shù)和壓力傳感技術(shù)對管涌滲透破壞的機理進(jìn)行了研究。

1 堤基管涌模型試驗

1.1 模型設(shè)計

本試驗?zāi)Ｐ筒坶L1.2m，寬0.15m，高0.6m。砂樣長0.6m,寬0.15m,高0.6m。為得到偏于安全的試驗結(jié)果，同時也為方便觀察試驗現(xiàn)象，砂樣上部覆蓋長1.2m，厚1cm的有機玻璃板，并在距上游1.1m，距背水側(cè)堤腳0.1m為中心貼近側(cè)壁處開一直徑為5cm的半圓孔，以模擬堤內(nèi)腳處存在的薄弱環(huán)節(jié)和管涌口。在模型槽的后側(cè)壁距底部0.2m處開孔安裝6個水壓力傳感器，距頂部0.2m處開孔安裝6個土壓力傳感器。試驗過程中采用壓力傳感器數(shù)據(jù)采集儀、攝像機、照相機和肉眼觀察記錄試驗現(xiàn)象和相關(guān)數(shù)據(jù)。模型砂為白色石英砂，顆分曲線如圖1所示，砂模型的基本性質(zhì)見表1。

表1 砂樣的物理力學(xué)性質(zhì)

1.2 流速示蹤試驗

如圖2所示，試驗采用長方體模型槽，有機玻璃制成，槽身尺寸為長30cm，寬10cm，高20cm，其中長度方向上，左右各預(yù)留5cm長的進(jìn)水室與出水室，以保證水流平順，使砂樣中的滲流速度穩(wěn)定。槽身頂部覆蓋長30cm，寬10cm的有機玻璃板作為模型槽的頂蓋。模型砂與堤基管涌試驗為同級配的白色石英砂。示蹤劑為由酚酞與氫氧化鈉按1∶1配比調(diào)制的紅色酚酞試劑。在白色石英砂中用紅色酚酞試劑做示蹤劑可形成顏色上的鮮明對比，便于觀察實驗進(jìn)程與研究實驗結(jié)果。

圖2 流速示蹤試驗砂槽模型

逐級增加水頭進(jìn)行試驗，當(dāng)每一級水頭的滲流穩(wěn)定后，記錄每級水頭的單位時間滲透流量與示蹤劑流速等相關(guān)試驗參數(shù)。經(jīng)過試驗后分析整理得出示蹤劑流速y與滲透流速x的函數(shù)關(guān)系與關(guān)系曲線（如圖3）：

在堤基管涌試驗中可利用滲透流速與示蹤劑流速之間的關(guān)系研究堤基各層的滲透流速，亦可利用示蹤流線判斷滲流路徑與管涌通道形成發(fā)展的機理。

1.3 實驗過程與分析

為模擬實際堤基，采用逐層填砂逐層壓實的方法將砂樣密實地裝入模型槽中，最后將砂樣的頂面用水平板抹平，蓋上后側(cè)壁開有半圓形出口的有機玻璃板，用熱熔膠將其密封，用特制鋼箍將模型槽頂部與側(cè)壁箍緊,以防止模型槽因變形而影響試驗結(jié)果。試驗采用逐級增加水頭的方式，第一級水頭為2.5cm，每次提升上游水位為2.5cm（水平平均水力坡降增加0.023）。當(dāng)滲水清澈且沒有砂粒帶出且壓力傳感器波形穩(wěn)定時可認(rèn)為其滲透穩(wěn)定，每級水頭滲透穩(wěn)定后再繼續(xù)抬高水頭進(jìn)行后續(xù)試驗。典型試驗階段的現(xiàn)象如下：

1.3.1 水頭增加至7.5cm

1.3.2 水頭增加至10.0cm

堤內(nèi)出現(xiàn)了一處較明顯的砂眼，該砂眼緊靠堤內(nèi)腳，砂眼內(nèi)部細(xì)砂上下翻騰，有少量的細(xì)砂被水流帶出并堆積在砂眼周圍，持續(xù)一段時間后，水變清澈，且砂眼內(nèi)不再有細(xì)顆粒被帶出，壓力傳感器水壓力顯示波形穩(wěn)定，滲流量穩(wěn)定，最終在砂眼周圍形成直徑1cm的小砂盤，此時=0.091，J出口=0.39，Q=3.03mL/s。逐級增加水頭至22.5cm，期間砂眼周圍的砂盤較之前稍有增大，水平平均坡降j與滲流量Q基本呈線性關(guān)系(如圖4)，但砂眼僅發(fā)生在堤內(nèi)近堤腳附近的砂層內(nèi)，堤基內(nèi)并未出現(xiàn)滲透破壞現(xiàn)象。當(dāng)水頭升至22.5cm時，滲流趨于穩(wěn)定后，砂眼中不再帶出細(xì)砂，此時=0.205，J出口=0.73，Q=7.09mL/s。

1.3.3 水頭增加至25cm

砂眼內(nèi)砂粒上下翻騰劇烈，滲透變形向堤基內(nèi)部(有機玻璃板下)水平發(fā)展至2cm，出現(xiàn)窄淺溝槽狀的管涌通道，持續(xù)一段時間后滲透變形趨于穩(wěn)定，滲流量Q和水平平均坡降J開始偏離線性關(guān)系(如圖4)，此時J=0.227，J出口=0.76，Q=8.08mL/s。 逐級增加水頭分別至27.5，30.0cm，有機玻璃板內(nèi)砂樣表層逐漸形成蜿蜒曲折的管涌溝槽，并且逐漸向上游發(fā)展，主要表現(xiàn)為在水平滲透力作用下溝槽前端玻璃板下的砂粒起動并被水流向下游輸送。溝槽邊界上的細(xì)顆粒也有被水流起動向下游輸移的現(xiàn)象，但量比較少，滲流量Q和水平平均坡降已不再呈線性關(guān)系。 水頭升至30.0cm時，此時=0.273，J出口=0.81，Q=11.41mL/s。

1.3.4 抬高水頭至32.5cm

滲流量快速增大，管涌溝槽的長度也快速向上游延伸，持續(xù)該級水頭直到管涌通道與上游水箱連通，管涌的溝槽寬度為2cm，深度為0.3cm，呈蜿蜒狀向上游發(fā)展，此時=0.295，J出口=0.43，Q=10.85mL/s。在管涌通道與上游貫通后，堤基在連通管流的強力沖刷作用下，管涌通道的流量、帶砂量和尺寸逐漸加速增大，并最終導(dǎo)致潰堤。取最末兩級水頭的平均值，得到管涌破壞的臨界水平平均水力坡降為0.284。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 管涌發(fā)展的流速示蹤分析

在試驗過程中，每級水頭都在堤基側(cè)壁釋放酚酞試劑進(jìn)行滲流的流速與流線示蹤，水頭升至22.5cm，滲流穩(wěn)定時的示蹤現(xiàn)象如圖5所示。通過實驗現(xiàn)象分析可知：

（1）管涌通道最初形成于管涌口下方，滲透水流挾帶細(xì)砂自管涌口冒出。

（2）管涌通道基本形成于堤基淺層，中下層滲透水流平順，流速穩(wěn)定。

（3）通過流速對比發(fā)現(xiàn)隨著管涌通道的形成與發(fā)展，臨近管涌口與已形成管涌通道處的示蹤劑流速明顯大于未形成管涌通道處。

2.2 管涌發(fā)展過程分析

試驗過程中逐級增加水頭，堤基中管涌形成與發(fā)展至最后滲透破壞的全過程可分為三個階段。

2.2.1 無明顯滲透破壞階段

水頭差較低時，堤基內(nèi)部保持滲流穩(wěn)定狀態(tài)，只有清水溢出。提高水頭，在堤內(nèi)腳附近有部分砂粒在滲流作用下失去平衡，上下翻騰，形成砂眼，較細(xì)顆粒被帶出形成砂環(huán)，而較粗顆粒上下翻騰后沉積下來，隨著水頭升高，堤內(nèi)腳處的砂粒翻騰漸漸劇烈，一段時間后漸漸穩(wěn)定下來。此時水平平均坡降J與滲流量Q基本呈線性關(guān)系，堤基砂層顆?；緵]有被帶出。

2.2.2 堤基局部發(fā)生管涌破壞階段

水頭升高至一定值時，砂沸逐漸形成向上游發(fā)展，形成管涌通道，管涌通道的最前端不斷有砂粒在滲透力作用下失去平衡而起動，又在水流作用下被輸送至下游，管涌通道發(fā)展至一定位置時，會逐漸穩(wěn)定下來，堤內(nèi)腳出口處不再往外帶砂，通道內(nèi)部的砂粒運動也逐漸停止，壓力傳感器波形穩(wěn)定，滲流量也穩(wěn)定時，表明管涌的發(fā)展穩(wěn)定下來。此時，如果保持水頭不變，且無外力干擾，則管涌發(fā)展會暫時停止。再次升高水頭，管涌通道逐漸向上游發(fā)展，之后達(dá)到自愈。離堤腳遠(yuǎn)處的砂粒沸騰漸漸劇烈，而后又漸緩，再劇烈，如此循環(huán)，卻始終在原有位置，沒有往上游發(fā)展形成通道的趨勢。此時水平平均坡降J與滲流量Q偏離線性關(guān)系，堤基砂層顆粒被帶出，但滲透變形能夠最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.3 堤基整體破壞階段

當(dāng)水頭超出臨界水頭時，水力坡降超出了臨界水力坡降，管涌通道持續(xù)發(fā)展并與進(jìn)水口連通，隨著管涌通道內(nèi)的流速和流量不斷增大，沖刷并帶出更多的砂粒，最終導(dǎo)致潰堤。此時水平平均坡降J與滲流量Q完全偏離線性關(guān)系。

2.3 管涌位置分析

堤基管涌開始于堤內(nèi)腳附近，沿堤基砂層頂面逐漸形成管涌通道，當(dāng)水頭超出臨界水頭后，管涌通道與上游貫通破壞，但未出現(xiàn)深層破壞現(xiàn)象。主要原因有：①堤基砂層頂面的滲徑流線最短，因此同級水頭下，沿此流線的水力坡降最大；②愈向下層，土體應(yīng)力愈大，局部土體脫離整體向外移動的條件越差。因而同樣的水力條件下，表層土易發(fā)生滲透破壞。由此表明，對于均勻砂性堤基，管涌破壞導(dǎo)致潰堤的危險地帶是在堤基表層，這一點在流線示蹤中也得到了印證。從滲流穩(wěn)定的角度出發(fā)，滲流控制的重點應(yīng)在堤基表層。

3 結(jié)語

（1）通過試驗的觀察分析，選用酚酞試劑作為室內(nèi)滲流試驗的流速示蹤劑，對砂樣滲透特性的研究有很大幫助，對于滲流試驗中不同砂層或同一砂層不同位置的流速對比，以及水流滲透流線的觀測與研究方面也有積極意義。

（2）當(dāng)水頭低于臨界水頭時，即使發(fā)生堤基管涌，其破壞范圍也有限，且最終能夠穩(wěn)定，或者說可以逐漸達(dá)到自愈，不會導(dǎo)致管涌潰堤事故。當(dāng)水頭超過臨界水頭后，堤基管涌破壞會一直發(fā)展并最終與上游連通，連通管流的沖刷破壞最終會導(dǎo)致堤基整體破壞和堤防潰決。

（3）堤基管涌破壞是從堤內(nèi)腳處開始，沿著堤身與砂層的接觸面向上游發(fā)展，主要是水平滲透力導(dǎo)致砂粒失穩(wěn)以及管流沖刷導(dǎo)致的堤基砂層破壞，試驗得到的臨界水平平均水力坡降為0.284。

［1］陶同康，郡俊.堤防管涌的破壞機理和新型濾層結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.水利水運工程學(xué)報，2003（4）.

［2］丁留謙，何秉順，孫東亞.已知水頭邊界條件下雙層堤基上蓋重的滲流計算方法［J］.水利水電技術(shù)，2007，38（2）.

［3］C.M.White，The Equilibrium of Grains on the Bed of a Stream，Proceedings of the Royal Society of London.Series A，Mathematical and Physical Sciences，1940，174（958）：322-338.

［4］J.B.Sellmeijer，M.Koenders，A mathematical model for erosion under a dam.Applied Mathematical Modeling 1991（15）：646-651.

［5］毛昶熙.管涌與濾層的研究：管涌部分［J］.巖土力學(xué)，2005，26（2）.

［6］毛昶熙，段祥寶，蔡金傍.堤基滲流無害管涌試驗研究［J］.水利學(xué)報，2004（11）.

［7］朱偉，山村和也.堤防地基滲透破壞機制及其治理［J］.水利水運科學(xué)研究，1999（4）.

［8］王理芬，曹敦履.荊江大堤堤基管涌破壞［J］.長江科學(xué)院院報，1991，8（2）.

［9］周健，張剛.管涌現(xiàn)象研究的進(jìn)展與展望［J］.地下空間，2004，24（4） :536-542.

［10］姚秋玲,丁留謙.單層和雙層堤基管涌砂槽模型試驗研究［J］.水利水電技術(shù),2007,38（2）:31-36.

［11］劉杰.土的滲透穩(wěn)定與滲流控制［M］.北京：水利電力出版社，1992.