管涌封堵裝置在管涌封堵中的應(yīng)用

□王 彬（洛陽(yáng)市水務(wù)局防汛通訊站）

管涌封堵裝置在管涌封堵中的應(yīng)用

□王 彬（洛陽(yáng)市水務(wù)局防汛通訊站）

水利設(shè)施是保障沿河居民生產(chǎn)安全的重要工程，在水庫(kù)上建設(shè)的堤壩，河道兩側(cè)的護(hù)坡大多為土質(zhì)結(jié)構(gòu)，一旦遭遇大水，長(zhǎng)期受到水侵的堤壩便會(huì)出現(xiàn)管涌現(xiàn)象。管涌發(fā)生時(shí)，如不及時(shí)處理，空洞會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)大，其勢(shì)不可擋，從而導(dǎo)致堤壩坍塌。文章對(duì)管涌機(jī)理進(jìn)行了深入分析探討，研究了管涌封填裝置的機(jī)理，并對(duì)比了幾種不同封填裝置的應(yīng)用，對(duì)管涌現(xiàn)象的快速補(bǔ)救有著重要的意義。

水庫(kù)護(hù)坡；堤壩；管涌；管涌封堵

0 引言

所謂管涌，就是在滲透水流作用下，填充在骨架空隙中的細(xì)顆粒在粗顆粒所形成的孔隙通道中移動(dòng)、流失，土的孔隙不斷擴(kuò)大，滲流量也隨之加大，最終導(dǎo)致土體內(nèi)形成貫通的滲流通道，土體發(fā)生破壞。管涌初始階段一般征兆不明顯，不易預(yù)防，一旦發(fā)作，發(fā)展非常迅速，在慌亂情況下做出的倉(cāng)促?zèng)Q策不但徒勞無(wú)功，還有可能隨著時(shí)間的流逝，局面更加難以控制，進(jìn)而造成更大的災(zāi)害。所以在搶修河堤或水庫(kù)護(hù)坡的管涌問(wèn)題時(shí)，應(yīng)正確分析原因，制定應(yīng)急預(yù)案，并做到切實(shí)執(zhí)行實(shí)施到位，才能將危害降至最低。

在我國(guó)建成的約10萬(wàn)座水庫(kù)中，其中40%的小型水庫(kù)、25%的大中型水庫(kù)屬于病險(xiǎn)水庫(kù)；全國(guó)已建成堤防工程約28萬(wàn)km，大多數(shù)由于年久失修或工程質(zhì)量問(wèn)題也導(dǎo)致堤防存在多種病害。因此研究管涌的封填裝置對(duì)于水庫(kù)堤防工程有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義。

1 管涌的形成及危害

1.1 管涌發(fā)生的原因

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)土的顆粒組成中，粘粒含量＜10%，粉粒（顆粒為0.005～0.05 mm）含量＞75%；顆粒級(jí)配中土的不均勻系數(shù)＜5；土的天然孔隙比＞0.75；土的天然含水量＞30%，在一定的動(dòng)水壓力作用下，土就有可能發(fā)生流砂現(xiàn)象，因此流砂現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在細(xì)砂、粉砂及亞砂土中。當(dāng)大堤堤身含有細(xì)顆粒，且顆粒為均勻松散的非粘性土層時(shí)，在長(zhǎng)期高水位浸泡下，其土層變成飽和土?xí)r，極容易產(chǎn)生管涌冒砂現(xiàn)象。隨著堤外洪水的上漲，壓力水頭加大，當(dāng)水的滲透作用對(duì)堤內(nèi)不透水地表土層的頂托力大于地表土的重量時(shí)，將產(chǎn)生管涌或管涌群冒出大量泥沙。

堤壩、水閘地基土壤級(jí)配缺少某些中間粒徑的非粘性土壤，在上游水位升高，出逸點(diǎn)滲透坡降大于土壤允許值時(shí)，地基土體中較細(xì)土粒被滲流推動(dòng)帶走形成管涌；基礎(chǔ)土層中含有強(qiáng)透水層，上面覆蓋的土層壓重不夠；工程防滲或排水(滲)設(shè)施效能低或損壞失效等也是管涌發(fā)生的原因。

1.2 管涌的危害

管涌發(fā)生后，水力梯度最大的地層中大量的細(xì)顆粒被帶出，被帶走流土地層的滲透系數(shù)逐漸增大，形成主滲漏帶，滲透系數(shù)的增加又引起管涌水量的增加，造成管涌口水頭的上升，但主滲漏帶地層中的不均勻系數(shù)增大，主滲漏帶上的臨界水力梯度減小。分析靠近管涌臨界面的滲流情況，管涌開(kāi)始時(shí)，緊靠臨界面附近地層中細(xì)顆粒的移動(dòng)速度很低，當(dāng)管涌發(fā)生后，管涌口水頭逐漸上升，臨界面地層中的水力梯度開(kāi)始下降，從而造成臨界面附近的水力梯度已經(jīng)達(dá)不到產(chǎn)生管涌所必須的臨界水力梯度，顆粒移動(dòng)的臨界面開(kāi)始向里收縮。該過(guò)程一直持續(xù)到某一平衡狀態(tài)為止，管涌臨界面呈現(xiàn)收縮趨勢(shì)，最終收縮到中間一條滲透系數(shù)很大的帶狀區(qū)域。當(dāng)主滲漏通道上的細(xì)顆粒基本被帶走后，在較強(qiáng)的水流沖刷作用下，主通道兩側(cè)的細(xì)顆粒進(jìn)入主通道，使主通道逐漸變寬，管涌持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，通道的寬度越寬。在透水層中不均勻系數(shù)逐漸增大，地層中的細(xì)顆粒被掏空而近似形成一個(gè)拱，它的承載力將大大降低。

管涌發(fā)生時(shí)，水面出現(xiàn)翻花,隨著上游水位升高，持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，險(xiǎn)情不斷惡化，大量涌水翻沙，使堤防、水閘地基土壤骨架受到破壞，孔道擴(kuò)大，基土被淘空，引起建筑物塌陷，造成決堤、垮壩、倒閘等事故。

管涌發(fā)生后的地層中留下了被管涌水流掏空的集中滲漏通道，給堤防留下了隱患，在洪水期曾經(jīng)發(fā)生過(guò)管涌的地層更容易發(fā)生管涌，這是因?yàn)檫@些透水層的管涌臨界水力梯度比通道以外的要小很多，產(chǎn)生管涌的河水位越來(lái)越低，管涌發(fā)展的速度比前一次更快，它的危害也更大。

1.3 管涌易發(fā)點(diǎn)

分析可知，大堤管涌主要可能發(fā)生在以下地點(diǎn)：

1.3.1 堤邊水井處

水井一般打入透水層，隨著堤外水位的上漲，滲流加快，動(dòng)水壓力加大，當(dāng)大于土的浸水容重時(shí)，土顆粒處于懸浮狀態(tài)，土的抗剪強(qiáng)度等于零，土顆粒隨滲流的水一起流動(dòng)，產(chǎn)生流砂管涌。

1.3.2 堤邊水塘、水溝等低洼處

因這些地方其底部標(biāo)高低于岸邊較多，地表土（非透水層）較薄，自重小，是薄弱環(huán)節(jié)，當(dāng)?shù)掏馑簧蠞q時(shí)，由于水的滲透對(duì)地表土頂托力加大，極易產(chǎn)生管涌。

1.3.3 堤腳附近（堤腳為砂土）

砂土為透水層，大堤長(zhǎng)期處于高水位浸泡，堤腳砂土變成飽和土，堤內(nèi)腳出水，當(dāng)?shù)掏馑簧蠞q時(shí)，砂土中的動(dòng)水壓力加大，當(dāng)滲透壓力大于土的浸水容重時(shí)，產(chǎn)生內(nèi)脫坡，形成流砂、管涌。

1.3.4 離堤腳100～200 m范圍處（堤腳為砂土）

當(dāng)?shù)棠_砂土位于堤內(nèi)地面一定深度時(shí)，若大堤長(zhǎng)期高水位浸泡，砂土變成飽和土，且水位不斷升高時(shí)，由于滲流作用，砂土中水的頂托力也加大，當(dāng)大于其上薄弱處覆蓋土的重量時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生管涌或管涌群。

1.3.5 大堤中修建的涵洞、排水道等處

如果在修建時(shí)，回填土不夯實(shí)，也會(huì)在江水作用下形成管涌通道。

2 管涌封堵裝置的原理

堤防發(fā)生管涌，主要是由于滲透坡降過(guò)大造成的。因此，管涌防治一方面在臨河側(cè)設(shè)置水平與垂直的防滲設(shè)施，延長(zhǎng)滲徑，盡量降低滲透坡降或攔截水流；另一方面在背河側(cè)設(shè)置蓋重或減壓設(shè)備，增加土體上的重量，降低滲透壓力，增強(qiáng)滲流出口處土體抵抗?jié)B透變形的能力。文章主要研究管涌封堵裝置的原理及應(yīng)用。

管涌封堵的主要目的是為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)管涌口并及時(shí)通知工作人員，對(duì)管涌口進(jìn)行快速搶修。目前，我國(guó)在水庫(kù)建設(shè)的堤壩及河道兩側(cè)的護(hù)坡上沒(méi)有相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備，因此無(wú)法發(fā)現(xiàn)管涌口，這樣也就無(wú)法對(duì)管涌口進(jìn)行及時(shí)的處理。

為了克服水庫(kù)建設(shè)的堤壩及河道兩側(cè)的護(hù)坡上無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)管涌口，現(xiàn)將管涌封堵裝置介紹如下：

管涌封堵裝置，由T形桿、十字形桿、L形桿、掛繩、拉繩、塑料袋、細(xì)孔網(wǎng)袋、高聚物和傘狀板構(gòu)成，在T形桿下部的中部設(shè)有立桿，所述立桿的下端連接十字形桿的中心，在十字形桿的四個(gè)端部分別設(shè)有防止掛住的端部向上折彎，所述形桿一端的橫桿形成手柄，L形桿穿在T形桿上部間隔設(shè)置的大套管的孔中，所述L形桿和T形桿為相同長(zhǎng)度，在靠近T形桿的另一端設(shè)有下折彎，多個(gè)傘狀板扣在所述下折彎的下凸起面上，在所述多個(gè)傘狀板的最下面一個(gè)下部設(shè)有實(shí)心球，在多個(gè)傘狀板最下部一個(gè)兩側(cè)的分別設(shè)置的掛繩套在L形桿上，拉繩的一端連接所述多個(gè)傘狀板，塑料袋兩端的熱熔粘合端分別連接拉繩的靠近一端斷開(kāi)的兩個(gè)端部，塑料袋的中部設(shè)有拉斷機(jī)構(gòu)，塑料袋的拉斷機(jī)構(gòu)也就是在塑料袋的中部設(shè)有“Z”形回折，由多個(gè)熱壓扣將回折處熱壓粘合形成拉斷機(jī)構(gòu)，在塑料袋內(nèi)設(shè)有裝入高聚物的細(xì)孔網(wǎng)袋，拉繩的另一端設(shè)置在T形桿的手柄處。

L形桿和T形桿為相同長(zhǎng)度，塑料袋的拉斷機(jī)構(gòu)也就是在塑料袋的中部設(shè)有“Z”形回折，由多個(gè)熱壓扣將回折處熱壓粘合形成拉斷機(jī)構(gòu)，多個(gè)傘狀板的最下面一個(gè)下部設(shè)有實(shí)心球，多個(gè)傘狀板的每一個(gè)下部的傘狀板外緣設(shè)有至少3根連接繩，所述3根連接繩的上端連接上部的傘狀板下尖處，在T形桿上部間隔設(shè)置的大套管由中部至另一端替換為套管，L形桿穿在包括大套管和套管的孔中，所述大套管的上端設(shè)有凹槽，拉繩的中部至另一端卡在所述大套管的凹槽中。具體結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。

圖1 管涌封堵裝置總圖

圖2 傘狀板結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 管涌封堵裝置十字形桿圖

在圖中：1、大套管；2、下折彎；3、掛繩；4、L形桿；5、套管；6、塑料袋；7、立桿；8、十字形桿；9、端部向上折彎；10、T形桿；11、端部折彎；12、手柄；13、拉繩；14、實(shí)心球；15、傘狀板。

3 管涌封堵裝置的應(yīng)用

河道或水庫(kù)護(hù)坡的管涌封堵裝置在實(shí)際使用時(shí)，將T形桿放入護(hù)坡的水中，由手柄控制使十字形桿在護(hù)坡上滑動(dòng)，當(dāng)實(shí)心球“塑料球中放入鐵器配重”滑入管涌時(shí)，傘狀板受到水流的拉力并使工作人員感知，由于多個(gè)傘狀板的上部?jī)?nèi)凹陷腔套在上一個(gè)傘狀板的下部面上，疊加時(shí)拉力相對(duì)較小，當(dāng)工作人員通過(guò)控制拉動(dòng)L形桿的端部折彎，使多個(gè)傘狀板下部連接的兩掛繩脫離L形桿后，這時(shí)多個(gè)傘狀板分散并進(jìn)入管涌并形成較大拉力，同步的塑料袋也進(jìn)入管涌?jī)?nèi)，這時(shí)工作人員用力拉動(dòng)拉繩，塑料袋的“Z”形回折受到熱壓扣的作用形成多個(gè)裂口，水接觸細(xì)孔網(wǎng)袋內(nèi)的高聚物，由專用樹(shù)脂和硬化劑形成的高聚物體積迅速膨脹成泡沫狀固體使管涌封堵嚴(yán)密。

4 結(jié)語(yǔ)

管涌的發(fā)生是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，它受到土層的不均勻系數(shù)、顆粒的空間分布等因素的影響。管涌一旦發(fā)生，由于大量的細(xì)砂涌出地面，地層中滲透系數(shù)不均勻變化，最終將產(chǎn)生危害很大的集中滲漏通道。管涌作為水庫(kù)護(hù)坡或者堤壩的一個(gè)重大隱患，如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理將給國(guó)家?guī)?lái)巨大的損失，因此，其對(duì)水庫(kù)及河道的保護(hù)占據(jù)重要的地位。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)河道或水庫(kù)護(hù)坡上的管涌口并在第一時(shí)間內(nèi)快速處理是所有工作人員的責(zé)任，應(yīng)將其列入到日常巡視的工作中，并有序地開(kāi)展工作。

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（責(zé)任編輯：左英勇）

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