近年来我国极端气象频发, 洪涝灾害现象频繁。1998年长江流域发生特大洪水, 使我们熟悉了一个名词——管涌。这里所说的管涌并不是土力学中的名词, 而是堤基中产生的由下游向上游发展的管状通道破坏。大量的洪涝灾害资料表明, 堤基管涌是江河大堤在汛期的主要险情之一, 其不仅发生的数量多而且分布的范围广, 重要的是易于诱发溃堤险情。由于土体本身的复杂性及多样性, 使得渗透变形机理及产生发展过程也极为复杂并具有随机性, 河道堤防得不到有效的加固, 以至于每年都不得不在汛期投入大量的人力物力和财力, 长期以来由于管涌引起的坝体破坏及堤防溃决给社会造成重大损失, 加强对管涌的研究有着十分重要的现实意义。
1 国内外管涌的研究现状
管涌已引起国内外越来越多的重视, 众多学者对管涌现象进行了多种方法的研究, 如Sellmeijer[1]应用建筑物下方潜流区解析和数值方法, 计算出管涌在堤坝下面发展形成的管涌通道在达到稳定平衡以后不再继续发展, Ojha[2]基于多孔介质的渗流方程和伯努利方程藕合以及临界牵引力条件考虑土体孔隙率的同时, 建立了确定临界水头的公式, 刘忠玉[3]以可动颗粒起动的随机性为理论基础建立了管涌的随机模型, 毛昶熙[4]等结合渗流理论推导出了管涌孔口附近涌砂范围和继续向上游冲蚀发展距离的计算公式, Skempton和Brogan[5]对两种内部不稳定土进行试验模拟了管涌发生的现象, 李广信[6]、丁留谦[7]等通过砂槽模型试验研究了管涌发生、发展以及破坏的过程, 陈建生[8]等采用同位素示踪的方法探测管涌通道对管涌现象进行了揭示。当前也有许多学者以数值方法研究管涌, 主要的数值方法为有限元法, 如朱伟[9]以有限元饱和-非饱和非稳定渗流解析, 研究了地基渗透破坏发生的机制;李守德[10]提出以一维通道嵌入三维块体的方法, 对均质土坝管涌发展过程进行了有限元模拟, 此外还有学者用颗粒流对管涌机理进行研究的, 如周健[11]等用颗粒流对管涌机理进行了一定的研究, 得出了一系列较好的结论。然而, 管涌过程是土水相互作用的复杂过程, 管涌发展的三维动态模拟在理论和数值分析实现上难度都非常大, 为此本文针对这种透水堤基开展了管涌砂槽模型试验研究。
2 堤基管涌模型试验
2.1 模型设计
试验所用砂槽模型如图1所示, 试验砂槽模型槽长1.0m、宽0.3m、高0.4m。砂样长0.6m, 宽0.3m, 高0.4m。砂样两端填充大粒径石子稳定水头。为了便于观察试验现象, 砂样上部覆盖厚0.8cm的有机玻璃板。有机玻璃板上开孔模拟管涌孔口, 在模型槽底部位置开孔三排安装测压管, 测压管高度分别为10cm、20cm、30cm。试验过程用摄像机、照相机和肉眼观察记录试验现象和数据。试验模型用砂为一般建筑用河砂。本试验共分为三组:第1组采用较细砂样, 上部直接覆盖有机玻璃板;第2组采用较粗砂样, 上部直接覆盖有机玻璃板;第3组采用与第一组相同砂样, 砂样上覆5cm厚粘土后盖有机玻璃板。砂样的颗分曲线如图2所示, 砂样的基本性质见表1。
2.2 试验过程及分析
本试验采用的是逐级增加水头的方式进行, 每级水头渗透变形稳定后再继续抬高水头进行下一步试验。模型渗透变形稳定的判别标准是:渗水清澈稳定且砂粒不再带出, 测压管水位平稳和渗流量稳定。
与水头的逐级升高相照应, 堤基管涌的渗透破坏可以分为三个特征鲜明的阶段:1) 无明显渗透破坏阶段, 这一阶段渗流量Q和水力坡降 基本上呈线性关系 (如图3) , 堤基砂层的颗粒没有被带出的现象发生;2) 堤基局部发生管涌破坏阶段, 这一阶段渗流量Q和水力坡降 也呈线性关系 (如图3) , 堤基砂层的颗粒也逐渐被带出, 但是渗透变形最终能够达到稳定状态不再发展 (在实验水头保持不变的情况下) ;3) 堤基整体破坏阶段, 这一阶段渗流量Q和 明显偏离了线性关系 (如图4) , 管涌通道在试验水头保持不变的情况下能够持续发展, 最终与上游进水口连通, 导致堤基整体破坏和溃堤。
3 试验现象及结果分析
3.1 管涌产生及发展的影响因素分析
3.1.1 时间的影响
通过对第一组试验现象和资料的整理分析可以得到表3、表4的结果, 试验结果为渗透变形稳定后的测量结果。N为提升水头级数, T表示距离试验开始时刻的总时间, H为进水室水位与管涌口水位之差, 称为水平平均坡降, H为水箱水位与管涌口水位之差, L为管涌口到进水口的距离。Q为模型渗流量, ll为管涌通道前端距离出水口的水平距离 (见表2、表3) 。从中得到管涌的发展与时间有很重要的联系, 在同一级水头下随着时间的推移测压管水头呈有规律的波动, 总趋势为慢慢升高, 如果没有特别长的时间很难达到稳定, 因此临界坡降的测定比较困难, 通过试验测得的临界坡降往往比真实临界坡降偏大, 主要原因是:砂粒的离散性决定了其起动运移具有随机性, 这种随机性在未达到临界坡降前反应极其缓慢, 但运移方向确定并最终停止。
3.1.2 下游水位的影响
在第1组试验中, 通过下游排水口来改变下游水头的高低, 上游水头保持不变。根据试验结果, 将测压管压力水头进行整理可以得到图5的结果, 从中可以看到下游的排水降低了下游底板的承压水头, 从而极大地降低了管涌口处的水力坡降, 对管涌的产生及发展起到了显著地缓冲作用。
3.1.3 覆土层的影响
通过对第1组和第3组试验现象和数据的整理分析对比 (如图6) , 可以清楚地看到覆土层大大地提高了堤基管涌产生及破坏的临界坡降 (如图8所示) , 这是由于覆土层增加了管涌的渗径, 使管涌产生了垂直渗径, 垂直破坏坡降远大于水平破坏坡降, 此外, 覆土层还增加了产生管涌接触面处的接触糙度和砂粒相互之间的挤压力, 使砂粒难以起动, 于是看到覆土层大大地提高了堤基管涌产生及破坏的临界坡降。
3.1.4 透水地基颗粒大小的影响
通过对第1组和第2组试验现象和数据的整理分析对比 (如图7) , 可以清楚地看到透水地基砂粒粒径的增大显著地提高了管涌破坏的临界坡降 (如图9所示) , 这是因为砂粒粒径的增大使砂粒所受摩擦阻力增加, 从而起动所需的运移力增加, 因此显著地提高了管涌破坏的临界坡降。
3.2 管涌发展过程和机理分析
管涌砂槽模型的测压管水头显示, 在无明显渗透破坏阶段的管涌渗流基本符合井涌渗流理论特征, 管涌孔口处的水力坡降比较大, 如图10所示。当出现沙沸后, 便进入堤基局部管涌破坏阶段, 此时沙沸使孔口处砂体颗粒液化具有流动性, 继续增加水头管涌通道便向上游发展, 新形成管涌通道内的砂颗粒被快速带到孔口附近堆积, 在这一过程中, 测压管水头在管涌通道内起动时突然下降, 至砂颗粒被带到孔口附近堆积后, 如图11所示, 测压管水头开始缓慢波动上升, 管涌通道和渗流量趋于稳定直到提升下一级水头前。继续提升水头, 管涌便不断向上游发展直至达到临界坡降, 此时管涌通道便不能趋于稳定, 不断有砂粒起动运移一直到与上游连通, 连通的管涌水流强力冲刷堤基并最终导致堤基整体破坏和溃堤。
产生上述现象的原因是:孔口处出现沙沸使地基砂体液化, 继续增加水头, 砂粒便会从沙沸处向外涌出形成砂环, 由于堤基砂层的水平破坏坡降比垂直破坏坡降要小的多, 因此地基便会有砂粒从沙沸处涌出形成管涌通道, 在未达到临界坡降前管涌通道最终趋于稳定, 这是由于砂粒向沙沸处输送, 积聚在孔口附近具有了一定的反滤作用, 从而加大了局部水头损失, 还有管涌通道中的砂粒被水流带出堆积在沙沸处形成砂环, 从而抬升了水位降低了有效作用水头。由于地基砂粒的离散性具有随机性, 因此这种稳定需要很长时间, 条件的微小改变就有可能打破这种稳定, 因此时间是影响管涌破坏发生与否非常重要的因素。
3.3管涌破坏位置分析
管涌产生的位置都是在强弱透水层接触面的浅层, 对深层地基的渗流并无影响, 其主要原因是:1) 堤基砂层顶面的渗径最短, 因此此处水平水力坡降最大;2) 堤基砂层的水平破坏坡降比垂直破坏坡降要小的多。
4结语
1) 堤基管涌发展的原因主要是在水平渗透力作用下的水平向浅层破坏。因此, 垂直防渗是在发生管涌后地基渗透破坏治理的优选方法。
2) 堤基管涌通道能否趋于稳定与管涌口是否涌砂有很大关系。所以, 反滤压盖阻止堤基管涌通道内的砂粒持续涌出应当作为抗洪抢险时的首选。
3) 管涌通道趋于稳定的主要原因是:管涌通道的发展使管涌通道前端堤基砂层的水平渗透比降逐渐降低, 和管涌口垂直破坏坡降不断增大, 直至等于砂层的局部破坏比降。
摘要：本文针对堤基管涌进行了砂槽模型试验, 通过观察分析堤基管涌发生、发展并导致溃堤过程的现象, 探究堤基管涌产生的机理。试验表明, 堤基管涌的破坏均发生在强弱透水层的接触面, 只要低于临界水头, 管涌就仅在一定范围内发展并最终停止, 如果超过临界水头, 管涌通道持续发展将与上游河水连通, 最终导致堤基整体破坏和溃堤。
关键词：堤基,管涌,模型试验,临界水头
参考文献
[1] Sellmeijer, J.B., and Koenders, M.A.A mathematical model for piping[J].Appl.Math.Modelling, 1991, 15 (6) :646-651.
[2] Ojha, C.S.P., Singh, V.P., and Adrian, D.D.Determination of Critical Head in Soil Piping[J].Journal of Hydraulic Engineering, 2003, 129 (7) :511-518
[3] 刘忠玉, 乐金朝, 苗天德.无黏性土中管涌的毛管模型及其应用[J].岩石力学与工程学报, 2004, 23 (22) :3871-3876.
[4] 毛昶熙, 段祥宝, 蔡金傍, 茹建辉.堤基渗流管涌发展的理论分析[J]水利学报, 2004 (12) :46-50.
[5] Skempton, A.W., Brogan, J.M.Experiments on piping in sandy gravels[J].Geotechnique, 1994, 44 (3) :449-460.
[6] 李广信, 周晓杰.堤基管涌发生发展过程的试验模拟[J].水利水电科技进展, 2005, 25 (6) :12-15.
[7] 姚秋玲, 丁留谦.单层和双层堤基管涌砂槽模型试验研究[J].水利水电技术, 2007, 38 (2) :31-36.
[8] 陈建生, 李兴文, 赵维炳.堤防管涌产生集中渗漏通道机理与探测方法研究[J].水利学报, 2000, 31 (9) :48-54.
[9] 朱伟, 山村和也.日本阿武隈川的洪水灾害及其综合治理[J].河海大学学报, 2000, 28 (1) :61-65.
[10] 李守德, 徐红娟, 田军.均质土坝管涌发展过程的渗流场空间性状研究[J].岩土力学, 2005, 26 (12) :2001-2004.
[11] 周健, 张刚, 孔戈.渗流的颗粒流细观模拟[J].水利学报报, 2006, 37 (1) :28-32.
[12] 周健, 姚志雄, 张刚.砂土渗流过程的细观数值模拟[J].岩土工程学报, 2007, 29 (7) :977-981.
[13] 郭书亮.堤基管涌模型试验及形成机理研究[D].邯郸:河北工程大学, 2012.