楊加智，劉星星，盛金昌

(1．中國(guó)電建集團(tuán) 華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014;2．河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

在汛期，江河堤防最常見的險(xiǎn)情就是管涌．管涌發(fā)生時(shí)水流將攜帶土體顆粒不斷流失，逐漸形成滲漏通道，而滲漏通道的不斷發(fā)展將引起堤身下陷、不均勻沉降和整體失穩(wěn)．因此，加強(qiáng)對(duì)管涌的研究有著十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義．

眾多學(xué)者對(duì)管涌現(xiàn)象做了大量的理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)管涌機(jī)理進(jìn)行了深入廣泛的探討．如丁留謙等［1］通過(guò)三層堤基的管涌砂槽模型試驗(yàn)，分析了不同堤基結(jié)構(gòu)中管涌發(fā)生、發(fā)展并導(dǎo)致潰堤的機(jī)理．郭書亮等［2］通過(guò)砂槽模型分析管涌發(fā)生的滲流特性并提出管涌治理方法． 但這些研究仍然主要從滲流的角度切入，很少考慮土體所處的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)管涌發(fā)展的影響．近些年來(lái)，有些學(xué)者開始重視對(duì)土體應(yīng)力狀態(tài)的研究，如Bendahmane 等［3］設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置對(duì)羅亞爾砂和高嶺土混合料在不同滲透坡降及圍壓的作用下的潛蝕及向后侵蝕的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究．羅玉龍等［4］建立了滲流－侵蝕－應(yīng)力耦合管涌模型，并研制了耦合裝置開展試驗(yàn)研究．

筆者利用滲流－侵蝕－應(yīng)力耦合試驗(yàn)裝置［5］，對(duì)處于三向受壓狀態(tài)下的砂礫土料進(jìn)行管涌研究，通過(guò)研究管涌發(fā)展過(guò)程中土體滲透系數(shù)變化、細(xì)顆粒流失情況等來(lái)揭示不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)砂礫石地基管涌的滲透變形發(fā)展過(guò)程的影響，同時(shí)也為今后考慮耦合的管涌理論研究提供一定的依據(jù)．

1 試驗(yàn)儀器及流程簡(jiǎn)介

試驗(yàn)所使用的試驗(yàn)裝置構(gòu)造如圖1 所示．

圖1 滲流－侵蝕－應(yīng)力耦合試驗(yàn)裝置構(gòu)造示意圖

圍壓及軸壓系統(tǒng)模擬土樣承受三向受壓狀態(tài)，滲透壓力系統(tǒng)模擬土體承受的滲流作用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)土體沉降、環(huán)向應(yīng)變及孔隙水壓力消散等信息．

試驗(yàn)采用的土料級(jí)配參考Skempton 等［6］研究所用的管涌型砂礫石料A，具體試樣參數(shù)見表1．試樣為圓柱體，其直徑(D)×高度(H)為10 cm ×10 cm．在試樣制備過(guò)程中嚴(yán)格遵循制備流程及填筑標(biāo)準(zhǔn)．

表1 試樣的物理性質(zhì)指標(biāo)

試驗(yàn)操作流程:①按規(guī)程填筑好試樣，向試樣中緩慢注水，待其飽和后，分級(jí)緩慢施加圍壓，并打開排水管固結(jié)排水;②分級(jí)施加既定滲透壓力，觀察滲水出口無(wú)顆粒流出及流量穩(wěn)定后，測(cè)定流量，記錄時(shí)間及流量，稱量濾網(wǎng)中收集的細(xì)顆粒并記錄;③試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)土樣進(jìn)行顆分試驗(yàn)，以分析土樣中細(xì)顆粒的流失情況．

2 管涌試驗(yàn)

開展4 組試驗(yàn)來(lái)探究圍壓對(duì)管涌現(xiàn)象發(fā)生及發(fā)展的影響．圍壓分別為0．0，0．2，0．4，0．6 MPa．

2．1 不同圍壓作用下的試驗(yàn)結(jié)果

在4 組試驗(yàn)中，盡管滲透坡降逐漸增至足以影響大堤安全的滲流臨界坡降平均值，但試樣卻沒有出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象．筆者選擇在某次出砂持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)且質(zhì)量較多(占總出砂量的80%以上)時(shí)作為試驗(yàn)的結(jié)束，認(rèn)為此時(shí)試樣細(xì)顆粒流失嚴(yán)重，試樣內(nèi)部形成了滲漏通道，達(dá)到管涌破壞．

試驗(yàn)過(guò)程中記錄了不同圍壓作用下的管涌臨界坡降、細(xì)顆粒長(zhǎng)時(shí)間流出時(shí)的滲透坡降、細(xì)顆粒流出的持續(xù)時(shí)間與質(zhì)量、流出的細(xì)顆粒的總量及流失細(xì)顆粒的最大粒徑等數(shù)據(jù)，見表2．

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

2．2 管涌臨界坡降

經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)管涌臨界滲透坡降與圍壓呈明顯線性關(guān)系，如圖2 所示．由此得到不同圍壓狀態(tài)下的管涌臨界坡降icr的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中:P 為圍壓，MPa;α 與β 為擬合參數(shù)，這里α =0．71，β=0．147，其相關(guān)系數(shù)為0．984．

圖2 圍壓與管涌臨界滲透坡降的關(guān)系

由圖2 可知，圍壓越大，砂礫石土體的臨界滲透坡降越大，即越不容易發(fā)生滲透破壞．

2．3 圍壓對(duì)滲透系數(shù)的影響分析

4 組試驗(yàn)過(guò)程中記錄的滲流速度v 與滲透坡降i 的關(guān)系如圖3 所示．由圖3 可以看出，隨著圍壓的增大，v－i 曲線的斜率逐漸減小，即試樣處于相同滲透坡降時(shí)，其滲透系數(shù)變小．

圖3 不同圍壓狀態(tài)下滲流速度與滲透坡降的關(guān)系

羅玉龍等［7］認(rèn)為，在圍壓作用下試驗(yàn)得到的v－i 曲線不再滿足線性Darcy 定律．土體內(nèi)的顆?？梢苑譃楣羌茴w粒與可動(dòng)顆粒兩種，其中只有骨架顆粒能夠傳遞有效應(yīng)力．飽和向下滲流過(guò)程中，流體作用于骨架顆粒上的力包括重力、浮力和滲透力，其合力Ff方向向下，同時(shí)該骨架顆粒也會(huì)受到其他顆粒向上的作用力Fs．隨著滲透坡降增加，滲透力變大，F(xiàn)f值變大，當(dāng)Ff＞Fs時(shí)骨架顆粒從骨架剝離后轉(zhuǎn)化為可動(dòng)顆粒，隨著水流向下運(yùn)動(dòng)，此種轉(zhuǎn)變反過(guò)來(lái)會(huì)影響土體應(yīng)力狀態(tài)，土體骨架會(huì)調(diào)整收縮，這就是滲流－侵蝕－應(yīng)力耦合機(jī)制． 在骨架顆粒不斷轉(zhuǎn)化為可動(dòng)顆粒及土體內(nèi)部不斷調(diào)整過(guò)程中，土體的滲透系數(shù)無(wú)法保持不變，圖3 中滲流速度與滲透坡降之間的非線性趨勢(shì)也證明了這一點(diǎn)．

在滲透坡降增加、細(xì)顆粒流失的過(guò)程中，土體內(nèi)部顆粒不斷調(diào)整，其滲透性時(shí)刻受到影響．這里假設(shè)在微小時(shí)段內(nèi)，土體滲透性變化很小，滲流速度v 與滲透坡降i 仍滿足線性Darcy 定律，即

式中k 為滲透系數(shù)．

分析處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別得出各圍壓狀態(tài)下k隨i 的變化曲線，如圖4 所示． 由圖4 可知，在試樣中有細(xì)顆粒流失即管涌發(fā)生后，滲透系數(shù)急劇變低，約降為管涌開始前的1/2，而無(wú)圍壓施加的試樣滲透系數(shù)約降為管涌開始前的1/3．同時(shí)還可以看出，圍壓越大，管涌發(fā)生前的土體滲透系數(shù)越小，滲透性能越低，管涌發(fā)展過(guò)程中土體的滲透性變化也越小，反映出土體越穩(wěn)定．

圖4 不同圍壓作用下滲透系數(shù)與滲透坡降的關(guān)系

2．4 細(xì)顆粒流失情況

4 組試驗(yàn)中總的細(xì)顆粒流失情況如圖5 所示．

圖5 不同圍壓狀態(tài)下出砂量與滲透坡降的關(guān)系

由圖5 可知:在水力坡降達(dá)到2．5 時(shí)，4 組試樣的出砂均在1．0 g 以下;當(dāng)水力坡降達(dá)到3．0 以后，4 組試樣出砂量都大幅增大，但是圍壓越大，其增幅越?。瑫r(shí)可以發(fā)現(xiàn)，施加圍壓的土樣出砂量急劇增大時(shí)的滲透坡降較大，無(wú)圍壓時(shí)為3．1，而有圍壓狀態(tài)下為4．0 左右．

對(duì)應(yīng)前文k－i 圖(圖4)可知，在管涌發(fā)展過(guò)程中，雖然細(xì)顆粒流失量在不斷增大，但滲透系數(shù)的變化速度卻沒有管涌開始發(fā)生時(shí)那么明顯． 當(dāng)每組試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，出砂量均顯著增加，滲透系數(shù)也明顯下降，這與管涌發(fā)生時(shí)的情況相似．當(dāng)可動(dòng)細(xì)顆粒在水流作用下開始運(yùn)移時(shí)，土體試樣已經(jīng)開始進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整的過(guò)程．但是當(dāng)調(diào)整很少或局部調(diào)整的時(shí)候，并不會(huì)從根本上影響反映試樣宏觀整體性質(zhì)的滲透系數(shù)，只有當(dāng)土體內(nèi)的細(xì)顆粒發(fā)生大范圍的顆粒調(diào)整或順著孔隙大量涌出的時(shí)候，滲透系數(shù)才會(huì)有明顯的變化，所以本試驗(yàn)中管涌發(fā)生及試驗(yàn)結(jié)束時(shí)滲透系數(shù)發(fā)生了明顯的變化．

筆者認(rèn)為，能隨水流動(dòng)的顆粒為可動(dòng)顆粒，其余顆粒均視為骨架顆粒．初始滲透坡降較小時(shí)，所有顆粒均為骨架顆粒． 隨著滲透坡降增大，滲透壓力變大，出現(xiàn)Ff＞Fs，部分骨架顆粒變?yōu)榭蓜?dòng)顆粒，隨著水流向下遷移．由于土體內(nèi)部顆粒排布存在隨機(jī)性，導(dǎo)致同樣顆粒在不同位置受到的Fs不等，可動(dòng)顆粒遷移到下游某處時(shí)很有可能出現(xiàn)Ff＜Fs，該顆粒又重新變回骨架顆粒． 骨架顆粒與可動(dòng)顆粒的相互轉(zhuǎn)化機(jī)制導(dǎo)致了細(xì)顆粒流失的隨機(jī)性，解釋了滲透坡降增大過(guò)程中細(xì)顆粒流失時(shí)快時(shí)慢、時(shí)有時(shí)無(wú)的現(xiàn)象．另外，隨著土體的圍壓增大，對(duì)于處于試樣內(nèi)部同樣位置的同一顆粒，其Fs越大，骨架顆粒越不容易轉(zhuǎn)化為可動(dòng)顆粒，流失的顆粒粒徑上限越?。?/p>

3 結(jié) 語(yǔ)

1)圍壓對(duì)砂礫石地基的管涌臨界坡降影響較為明顯．管涌臨界坡降icr與圍壓P 之間存在著顯著的線性關(guān)系，具體關(guān)系見式(1)． 該公式適用于:①圍壓小于等于0．6 MPa;②缺乏中間級(jí)配的管涌型砂礫石地基．對(duì)于較高的土石壩工程而言，地基土體均處于較高壓力狀態(tài)，該經(jīng)驗(yàn)公式不再適用，但可以推斷，管涌臨界坡降必將在高應(yīng)力作用下顯著提高．

2)圍壓對(duì)砂礫石土體的滲透特性影響較大:①圍壓越大，土體的滲透性越低． 試驗(yàn)中，圍壓為0．6 MPa時(shí)管涌發(fā)生前滲透系數(shù)僅為無(wú)圍壓狀態(tài)下的1/3．②圍壓越大，管涌過(guò)程中土體滲透性的變動(dòng)幅度越小，土體越穩(wěn)定．

3)管涌的發(fā)生發(fā)展過(guò)程伴隨著骨架顆粒與可動(dòng)顆粒相互轉(zhuǎn)化機(jī)制，具有一定的隨機(jī)性．

4)圍壓對(duì)砂礫石土體管涌過(guò)程中細(xì)顆?？偭魇Я坑绊戄^大，圍壓越大，在一定的滲透坡降時(shí)，土體內(nèi)細(xì)顆粒流失量越少，表明圍壓具有明顯的遏制管涌發(fā)展的效果，且圍壓越大，遏制效果越明顯．

［1］丁留謙，姚秋玲，孫東亞，等．三層堤基管涌砂槽模型試驗(yàn)研究［J］．水利水電技術(shù)，2007，38(2):19 －22．

［2］郭書亮，宿輝，張玲剛．堤基管涌模型試驗(yàn)研究［J］． 華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，32(6):107 －109．

［3］Bendahmane F，Marot D，Alexis A．Experimental parametric study of suffusion and back erosion［J］．Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2008，134(1):57 －67．

［4］羅玉龍，速寶玉，盛金昌，等．對(duì)管涌機(jī)理的新認(rèn)識(shí)［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33(12):1895 －1902．

［5］羅玉龍，詹美禮，盛金昌，等．一種滲流侵蝕應(yīng)力耦合管涌試驗(yàn)裝置［P］． 中國(guó)專利:CN102411042A，2012 －04 －11．

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［7］羅玉龍，吳強(qiáng)，詹美禮，等．考慮應(yīng)力狀態(tài)的懸掛式防滲墻－砂礫石地基管涌臨界坡降試驗(yàn)研究［J］． 巖土力學(xué)，2012(S1):73 －78．