淺談滲透破壞中管涌的研究

魏 琦

（重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院， 重慶 400047）

0 引言

我國(guó)豐富的水資源環(huán)境中，七大流域分別縱橫了南北。豐富的水資源保證了人民生活的安居樂(lè)業(yè)，但同時(shí)由地形氣候引起的水災(zāi)害同樣是人們生命財(cái)產(chǎn)安全的重大威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析，大多數(shù)的地質(zhì)災(zāi)害、巖土工程以及水利工程中所產(chǎn)生的危害大多數(shù)都是由于土中水產(chǎn)生的。

大多數(shù)由土中水所造成的工程事故，主要是由于土中水增加，使得非飽和土的基質(zhì)吸力銳減，導(dǎo)致部分的巖土軟化，從而破壞土體結(jié)構(gòu)；由于土中水含量的增加，導(dǎo)致了土體本身的自重應(yīng)力增加，從而使得土體的荷載增加，減小抗力等[1]。在我國(guó)堤壩數(shù)目眾多，其中土石壩的比例更是達(dá)到了90%以上，在病險(xiǎn)壩的失事中，滲透破壞又是其主要原因，所以，研究滲透破壞對(duì)于病險(xiǎn)壩的防治有著極其重要的意義。

1 滲透破壞

滲透破壞也叫做滲透失穩(wěn)，是由于土和水的相互作用下，水流引起的土顆粒的流失所產(chǎn)生的含沙水流的移動(dòng)所導(dǎo)致的土體整體穩(wěn)定性的失衡。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究分析，普遍將滲透破壞分為管涌、流土、接觸沖刷和接觸侵蝕這四大類型，而其中的管涌和流土更是滲透破壞中的重要部分，也是研究的主要方向。

2 管涌

管涌指的是由于水流的滲透作用，以及在水流力的影響下，密集的滲漏通道就在粗顆粒中形成了，使得其中的細(xì)顆粒大量涌出，土體內(nèi)部的穩(wěn)定性降低，土體失去穩(wěn)定性從而破壞。

2.1 管涌的產(chǎn)生機(jī)理

在管涌的產(chǎn)生過(guò)程中，由于土體中細(xì)顆粒的流失，土體的一些力學(xué)特性如穩(wěn)定性、滲透性等會(huì)發(fā)生改變，不僅如此，由于流失的發(fā)展，不同的類型，發(fā)展的不同過(guò)程都會(huì)對(duì)管涌的機(jī)理有所影響。

為了研究管涌的機(jī)理，一開始學(xué)者們從滲流的角度出發(fā)進(jìn)行了一系列研究。

Kenney 等[2]認(rèn)為土體主要包含兩大部分，一部分是土的骨架，另一部分則是土骨架中包含的可動(dòng)的細(xì)顆粒。因而在水流的滲透作用下，通過(guò)土骨架中的孔隙，細(xì)顆粒隨著水流的作用移動(dòng)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了可動(dòng)細(xì)顆粒矢量的試驗(yàn)，并最終提出關(guān)于顆粒級(jí)配曲線和可動(dòng)細(xì)顆粒流矢量的確定方法。

Bendahmane 等[3]設(shè)計(jì)了一種即可以考慮水力條件對(duì)可動(dòng)細(xì)顆粒流失的影響，又可以發(fā)映出特殊狀態(tài)下土體的特殊管涌發(fā)展規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置。并在他們的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探討這三個(gè)因素：滲透坡降、（5%～30%）細(xì)顆粒含量和圍壓，這些因素對(duì)于管涌的發(fā)展過(guò)程的影響。

而隨著研究的深入，人們逐漸發(fā)現(xiàn)管涌并不是單純的滲流作用的影響，從滲流與應(yīng)力耦合的角度研究管涌機(jī)理比單純從滲流角度研究更為適合。

周曉杰等[4]通過(guò)采用無(wú)網(wǎng)格法等對(duì)滲流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算、羅玉龍等[5]通過(guò)進(jìn)行滲流—侵蝕—應(yīng)力耦合的管涌實(shí)驗(yàn)，建立耦合本構(gòu)方程及其數(shù)學(xué)模型。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在管涌的發(fā)展過(guò)程中，若假設(shè)土骨架不發(fā)生變形，將土體分為三相：即土骨架相、可移動(dòng)的細(xì)顆粒相和水相。他們認(rèn)為管涌并不僅僅是單純的滲流作用，而是涉及到孔隙水滲流、多孔介質(zhì)變形和可動(dòng)細(xì)顆粒侵蝕運(yùn)移等眾多復(fù)雜力學(xué)行為的多相多場(chǎng)耦合現(xiàn)象。這種多相多場(chǎng)的耦合更符合管涌的發(fā)生，但現(xiàn)有的研究結(jié)果無(wú)法完美模擬管涌的發(fā)生。

2.2 管涌的判別

由于管涌和流土對(duì)實(shí)際工程的影響并不相同，需要進(jìn)行不同的應(yīng)對(duì)，因此判別也就顯得十分重要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者[6-8]對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，而他們的研究則大多數(shù)考慮從不均勻系數(shù)，顆粒級(jí)配，級(jí)配曲線，顆粒直徑，細(xì)粒含量等方面入手，進(jìn)行探究探索滲透破壞的判別方法，也提出了一些相應(yīng)的判別方法。通過(guò)研究不均勻系數(shù)、對(duì)比級(jí)配曲線、特征粒徑含量、細(xì)顆粒含量、孔隙率等方法，得出分別適應(yīng)于不同條件的土體發(fā)生管涌的結(jié)論。

現(xiàn)有的判別條件中，不僅僅是從級(jí)配、土種類等來(lái)進(jìn)行研究，研究更全面的是通過(guò)水力梯度來(lái)判別滲透破壞，并在此基礎(chǔ)上得出了一系列計(jì)算公式?？堤乩醴虻贸龅倪m用于紊流和層流的臨界水力梯度的公式；Terzaghi 歸納出的適用于無(wú)粘性土的管涌的臨界水力梯度公式；吳良驥、劉杰、沙金煊、毛昶熙通過(guò)不同的角度和條件總結(jié)出適用于不同條件的無(wú)粘性土的管涌的臨界水力梯度公式。

對(duì)于滲透破壞的判別方法的研究可以幫助我們解決許多實(shí)際工程中土中水的問(wèn)題，因此盡管許多專家學(xué)者研究出了許多判別方法，但這些方法都有它們各自適用的條件。

3 管涌研究的工程問(wèn)題與研究方向

在對(duì)于管涌的研究過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)。我國(guó)現(xiàn)有的堤防，由于歷史局限性以及科技發(fā)展的原因，大多存在以下三大問(wèn)題[9]：一是堤的基礎(chǔ)條件差，堤下的地基大多為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質(zhì)量很差，甚至現(xiàn)有地方的堤防中有不少是在原來(lái)民堤的基礎(chǔ)上加高培厚之后建成的；三是堤后存在較多的坑塘，并且堤后的覆蓋層較為薄弱。正是由于這些問(wèn)題的存在，堤岸在發(fā)生洪水時(shí)經(jīng)常性發(fā)生管涌、滑坡等險(xiǎn)情，管涌更是發(fā)生率最高的險(xiǎn)情。在實(shí)際工程中，不乏有堤壩由于管涌的原因，導(dǎo)致堤壩崩潰?；谶@種形勢(shì)，考慮對(duì)管涌的產(chǎn)生進(jìn)行試驗(yàn)研究。

通過(guò)對(duì)管涌發(fā)生的臨界條件進(jìn)行研究，對(duì)堤防的堤基下的伏砂礫層進(jìn)行分析。由于目前我國(guó)堤壩的狀況，分析堤壩可能存在的由下方水流沖刷至堤壩內(nèi)部，并從壩后流出的情形，但由于水流在滲透過(guò)程中，堤壩內(nèi)的細(xì)小顆粒從堤壩內(nèi)的骨架中隨水流流失，導(dǎo)致堤壩發(fā)生管涌破壞，失去穩(wěn)定性，不再具有安全性。

擬從散粒土的管涌三相耦合方面進(jìn)行研究，對(duì)管涌的發(fā)生進(jìn)行模擬，通過(guò)進(jìn)行散粒土的細(xì)顆粒流失和土體強(qiáng)度變化的關(guān)系分析，希冀建立起一個(gè)散粒土的侵蝕-強(qiáng)度作用耦合模型，并對(duì)管涌的真實(shí)發(fā)生規(guī)律和狀態(tài)進(jìn)行模擬。具體來(lái)說(shuō)，由于管涌的發(fā)生，會(huì)對(duì)導(dǎo)致土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，而應(yīng)力狀態(tài)的變化又會(huì)反過(guò)來(lái)繼續(xù)影響管涌的發(fā)展，通過(guò)土體的滲流-侵蝕實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)土體的顆粒級(jí)配，密實(shí)度進(jìn)行控制，并通過(guò)對(duì)管涌的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行控制和改變，觀察它對(duì)管涌的影響，以此來(lái)推測(cè)管涌的發(fā)生狀態(tài)，并通過(guò)建立數(shù)值模型，希望能找到一個(gè)合適的模型來(lái)模擬管涌的發(fā)生時(shí)的狀態(tài)，為人們研究管涌提供一部分小的思路和建議。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

通過(guò)對(duì)管涌的研究，人們得到了許多有用的知識(shí)和信息，由于其中很多具有相類似的性質(zhì)，并沒(méi)有一一在文中列出。盡管人們做了方方面面的研究，但仍然有很多方面無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果。如建立一個(gè)可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，用于揭示管涌的發(fā)展流程，從而更好模擬管涌的發(fā)生，或是從細(xì)觀層次對(duì)管涌的發(fā)生發(fā)展進(jìn)行研究，讓人們能更方便的對(duì)管涌的發(fā)生采取預(yù)防措施并對(duì)更方便的尋找管涌的治理方案，從而對(duì)管涌進(jìn)行徹底的預(yù)防和解決。因此，進(jìn)行管涌的研究和分析依然是今后研究的一個(gè)重要方向。