堤基管涌模型試驗研究

郭書亮，宿 輝，張玲剛

(1.河北工程大學，河北邯鄲056021;2.中國水電建設集團第十五工程局，陜西 西安710003)

近年來，我國極端氣象頻發(fā)，洪水和干旱現(xiàn)象頻繁.1998年長江流域發(fā)生特大洪水，使人們熟悉了一個名詞——管涌.這里所說的管涌并不是土力學中的名詞，而是堤基沿著強、弱透水層的交界面由下游向上游發(fā)展的接觸沖刷或潛蝕.大量的洪澇災害資料表明，堤基管涌是江河大堤在汛期的主要險情之一，其不僅發(fā)生的數(shù)量多而且分布的范圍廣，重要的是易于誘發(fā)潰堤險情.由于土體本身的復雜性及多樣性，使得滲透變形機理及產生、發(fā)展過程也極為復雜并具有隨機性，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、物力和財力，長期以來由于管涌引起的壩體破壞及堤防潰決給社會造成了重大損失，加強對管涌的研究有著十分重要的現(xiàn)實意義.因此，管涌現(xiàn)象已引起國內外越來越多的重視，眾多學者對管涌現(xiàn)象進行了多種方法的研究，如劉忠玉等［1］以可動顆粒起動的隨機性為理論基礎，建立了管涌的隨機模型;陳建生等［2］采用同位素示蹤的方法探測管涌通道，對管涌現(xiàn)象進行了揭示;李廣信等［3－4］通過砂槽模型試驗研究了管涌發(fā)生、發(fā)展以及破壞的過程.當前也有許多學者以數(shù)值方法研究管涌，常用的數(shù)值方法為有限元法，如朱偉等［5］以有限元飽和－非飽和非穩(wěn)定滲流解析，研究了地基滲透破壞發(fā)生的機制;李守德等［6］提出以一維通道嵌入三維塊體的方法，對均質土壩管涌發(fā)展過程進行了有限元模擬.此外還有學者用顆粒流對管涌機理進行研究，如周健等［7－9］得出了一系列較好的結論.然而，管涌過程是土水相互作用的復雜過程，管涌發(fā)展的三維動態(tài)模擬在理論和數(shù)值分析實現(xiàn)上難度都非常大，為此筆者針對這種透水堤基開展了管涌砂槽模型試驗研究.

1 堤基管涌模型試驗

1.1 模型設計

試驗所用砂槽模型如圖1所示，試驗砂槽模型槽長1.0 m，寬 0.3 m，高 0.4 m.砂樣長 0.6 m，寬0.3 m，高0.4 m.砂樣兩端填充大粒徑石子穩(wěn)定水頭.為了便于觀察試驗現(xiàn)象，砂樣上部覆蓋厚0.8 cm的有機玻璃板.有機玻璃板上開孔模擬管涌孔口，在模型槽底部位置開孔3排安裝測壓管，測壓管高度分別為10，20，30 cm.試驗過程用攝像機、照相機和肉眼觀察記錄試驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù).試驗模型用砂為一般建筑用河砂.

1.2 試驗過程

該試驗采用不同級配的砂樣逐級增加水頭的方式進行，每級水頭滲透變形穩(wěn)定后再繼續(xù)抬高水頭進行下一步試驗.模型滲透變形穩(wěn)定的判別標準是:滲水清澈穩(wěn)定且砂粒不再帶出，測壓管水位平穩(wěn)和滲流量穩(wěn)定.

圖1 透水堤基管涌模型試驗裝置圖

與水頭的逐級升高相對應，堤基管涌的滲透破壞可以分為3個特征鮮明的階段:①無明顯滲透破壞階段，這一階段滲流量Q和平均水力坡降基本上呈線性關系，堤基砂層的顆粒沒有被帶出的現(xiàn)象發(fā)生;②堤基局部發(fā)生管涌破壞階段，這一階段滲流量Q和平均水力坡降J明顯偏離了線性關系，如圖2所示.堤基砂層的顆粒也逐漸被帶出，但是滲透變形最終能夠達到穩(wěn)定狀態(tài)不再發(fā)展(在試驗水頭保持不變的情況下);③堤基整體破壞階段，這一階段滲流量Q和嚴重偏離了線性關系，由滲流量與試驗歷時的關系就可以看出這一點，如圖3所示.管涌通道在試驗水頭保持不變的情況下能夠持續(xù)發(fā)展，最終與上游進水口連通，導致堤基整體破壞和潰堤.

圖2 平均水力坡降和滲流量的關系

2 試驗結果分析

圖3 試驗歷時與末級水頭滲流量的關系

管涌砂槽模型的測壓管水頭顯示，在無明顯滲透破壞階段，管涌滲流基本符合井涌滲流理論特征，管涌孔口處的水力坡降非常大.當出現(xiàn)沙沸后，便進入堤基局部管涌破壞階段，此時沙沸使孔口處砂體顆粒液化，具有流動性.繼續(xù)增加水頭，管涌通道便向上游發(fā)展，新形成的管涌通道內的砂粒被快速帶到孔口附近堆積.在這一過程中，當砂粒在管涌通道內起動時測壓管水頭突然下降，至砂粒被帶到孔口附近堆積后，測壓管水頭開始緩慢波動上升，管涌通道和滲流量趨于穩(wěn)定直到提升下一級水頭前.繼續(xù)提升水頭，管涌便不斷向上游發(fā)展直至達到臨界坡降，此時管涌通道便不能趨于穩(wěn)定，而不斷有砂粒起動運移一直到與上游連通，連通的管涌水流強力沖刷堤基并最終導致堤基整體破壞和潰堤.

產生上述現(xiàn)象的原因是:孔口處出現(xiàn)沙沸使地基砂體液化，繼續(xù)增加水頭，砂粒便會從沙沸處向外涌出形成砂環(huán)，由于堤基砂層的水平破壞坡降比垂直破壞坡降要小得多，因此地基便會有砂粒從沙沸處涌出形成管涌通道，在未達到臨界坡降前管涌通道最終趨于穩(wěn)定.這是由于砂粒向沙沸處輸送，積聚在孔口附近具有了一定的反濾作用，從而加大了局部水頭損失，還有管涌通道中的砂粒被水流帶出堆積在沙沸處形成砂環(huán)，從而抬升了水位、降低了有效作用水頭.由于地基砂粒的離散性具有隨機性，因此達到這種穩(wěn)定需要很長時間，條件的微小改變就有可能打破這種穩(wěn)定，因此時間是影響管涌破壞發(fā)生與否的非常重要的因素.

管涌的發(fā)展與時間有很重要的聯(lián)系，在同一級水頭下隨著時間的推移測壓管水頭呈有規(guī)律的波動，總趨勢是慢慢升高.主要原因是:砂粒的離散性決定了其起動運移具有隨機性，這種隨機性在未達到臨界坡降前反應極其緩慢，但運移方向確定.

管涌的產生及發(fā)展過程都是發(fā)生在強、弱透水層接觸面的淺層，對深層地基的滲流并無影響，如圖4所示.主要原因是:①堤基砂層頂面的滲徑最短，因此此處水平水力坡降最大;②堤基砂層的水平破壞坡降比垂直破壞坡降小得多.

3 結語

1)堤基管涌發(fā)展的原因主要是在水平滲透力作用下的水平向淺層破壞.因此，垂直防滲是在發(fā)生管涌后治理地基滲透破壞的優(yōu)選方法.

2)堤基管涌通道能否趨于穩(wěn)定與管涌口是否涌砂有很大關系.所以，反濾壓蓋阻止堤基管涌通道內的砂粒持續(xù)涌出應當作為抗洪搶險時的首選.

3)管涌通道趨于穩(wěn)定的主要原因是:管涌通道的發(fā)展使管涌通道前端堤基砂層的水平滲透比降逐漸降低，管涌口垂直破壞坡降不斷增大，直至等于砂層的局部破壞比降.

圖4 彩色流線示蹤

［1］劉忠玉，樂金朝，苗天德.無黏性土中管涌的毛管模型及其應用［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(22):3871－3876.

［2］陳建生，李興文，趙維炳.堤防管涌產生集中滲漏通道機理與探測方法研究［J］.水利學報，2000，31(9):48－54.

［3］李廣信，周曉杰.堤基管涌發(fā)生發(fā)展過程的試驗模擬［J］.水利水電科技進展，2005，25(6):12 －15.

［4］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，2007，38(2):31 －36.

［5］朱偉，山村和也.日本阿武隈川的洪水災害及其綜合治理［J］.河海大學學報，2000，28(1):61 －65.

［6］李守德，徐紅娟，田軍.均質土壩管涌發(fā)展過程的滲流場空間性狀研究［J］.巖土力學2005，26(12):2001－2004.

［7］周健，張剛，孔戈.滲流的顆粒流細觀模擬［J］.水利學報，2006，37(1):28 －32.

［8］張剛.管涌現(xiàn)象細觀機理的模型試驗與顆粒流數(shù)值模擬研究［D］.上海:同濟大學，2007.

［9］周健，姚志雄，張剛.砂土滲流過程的細觀數(shù)值模擬［J］.巖土工程學報，2007，29(7):977 －981.