陳建生，袁克龍，王 霜，張 華，何文政

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)巖土工程研究所，江蘇 南京 210098)

1 引言

管涌是危害堤防工程安全的主要原因之一，前人對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，取得了一系列的成果。李廣信[1]利用模型槽試驗(yàn)，研究了二元堤基及不同防滲墻深度條件下堤基管涌發(fā)生發(fā)展的過(guò)程；毛昶熙[2]指出，管涌的發(fā)生與堤基內(nèi)砂層的厚度、出口水頭損失以及砂基的結(jié)構(gòu)性質(zhì)等因素有關(guān)；劉杰等[3]通過(guò)雙層堤基試驗(yàn)，論證了雙層堤基中的滲透破壞會(huì)在砂礫石層上部形成一條由純礫石構(gòu)成的管涌通道，從而導(dǎo)致堤基的流量劇增，加劇上部黏土層的破壞；姚秋玲等[4]對(duì)典型的單層和雙層堤基的管涌破壞機(jī)制進(jìn)行了試驗(yàn)研究；倪小東等[5]利用砂槽模型試驗(yàn)和顆粒流數(shù)值模擬，分析了管涌發(fā)展過(guò)程中試樣的細(xì)觀變化規(guī)律；梁越等[6]研究了雙層堤基上覆層變形能力對(duì)管涌的影響；羅玉龍等[7]利用其自行研制的剪切滲透儀進(jìn)行試驗(yàn)，探究了不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)堤基滲透破壞的影響；陳建生等[8]根據(jù)井流理論，研究了管涌的發(fā)生范圍及發(fā)展過(guò)程；殷建華[9]將有限元方法引入管涌的研究；周健等[10]利用PFC 顆粒流程序?qū)苡客ǖ纼?nèi)的顆粒做了細(xì)觀數(shù)值模擬。

縱觀國(guó)內(nèi)外關(guān)于管涌的研究，多集中于雙層堤基的情況，對(duì)于3 層及3 層以上堤基的管涌發(fā)生發(fā)展過(guò)程研究甚少。丁留謙等[11]曾對(duì)由弱透水層、細(xì)砂層、強(qiáng)透水砂礫石層組成的3 層堤基的管涌發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了研究，指出3 層堤基的管涌破壞區(qū)域和涌砂量要明顯大于雙層堤基；王霜等[12]研究了不同土層結(jié)構(gòu)對(duì)堤基管涌發(fā)生發(fā)展過(guò)程的影響，通過(guò)對(duì)細(xì)砂層位于砂礫石層內(nèi)部和表面的不同試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比指出，與雙層堤基相比，3 層堤基中砂礫石層內(nèi)夾有細(xì)砂層時(shí)，將會(huì)提高堤基的臨界水力梯度，但破壞一旦發(fā)生，則侵蝕速率和涌砂量都有所提高，對(duì)工程的危害較大。上述研究主要集中在細(xì)砂層埋深對(duì)管涌破壞的影響與雙層堤基管涌破壞的對(duì)比上，而對(duì)細(xì)砂層在砂礫石層內(nèi)部的深度變化對(duì)管涌的影響未予關(guān)注。

實(shí)際工程中的地質(zhì)條件千差萬(wàn)別，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)細(xì)砂層位于砂礫石層內(nèi)部的情況，對(duì)于該種工況的研究就顯得相當(dāng)重要。本文將實(shí)際工程中的一些因素進(jìn)行簡(jiǎn)化，在自制的砂槽內(nèi)研究當(dāng)細(xì)砂層位于砂礫石層內(nèi)部不同深度時(shí)堤基管涌的發(fā)生及發(fā)展情況，通過(guò)對(duì)測(cè)壓管水位、流量及涌砂量變化的分析，定性地找出其中的規(guī)律，確定含夾砂層堤基中細(xì)砂層埋深對(duì)堤基管涌發(fā)展的影響機(jī)制，并為工程實(shí)際提供指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)裝置及步驟

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在自制的有機(jī)玻璃槽中進(jìn)行，槽長(zhǎng)為120 cm，寬為30 cm，高為30 cm，如圖1 所示。槽的左側(cè)為進(jìn)水室，以透水板與砂槽隔開(kāi)，使水流均勻地流入砂槽。在砂槽內(nèi)鋪設(shè)黏土層以模擬天然上覆土層，并加剛性玻璃蓋板進(jìn)行密封。距進(jìn)水室85 cm 處預(yù)設(shè)有直徑為4 cm 的出水口，以模擬堤基滲透破壞后的管涌口。在砂槽內(nèi)布設(shè)9 根測(cè)壓管，用來(lái)測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中試樣內(nèi)部的孔隙水壓力，各測(cè)壓管之間距離為10 cm，橫向深入試樣內(nèi)2 cm，具體布設(shè)位置如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)裝置圖(單位:cm)Fig.1 Experiment apparatus(unit:cm)

2.2 試驗(yàn)材料

本次共設(shè)計(jì)了4 組試驗(yàn)，分別改變?nèi)跬杆畬釉谙路鼘又械奈恢?，以研究其?duì)管涌的發(fā)生及發(fā)展的影響。天然上覆土層一般滲透系數(shù)很小，因此，在試驗(yàn)中采用黏土進(jìn)行模擬。下伏層則采用級(jí)配間斷的砂礫石，這種砂礫石屬于管涌型土。弱透水層由白色細(xì)砂組成，該細(xì)砂顆粒均勻，滲透系數(shù)小，因此，可以用于模擬弱透水層，而且還能區(qū)別普通砂，便于試驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。普通砂和白細(xì)砂的級(jí)配曲線如圖2 所示，物理參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 試驗(yàn)材料級(jí)配曲線Fig.2 Gradation curves of materials

表1 試驗(yàn)所用材料的物理力學(xué)指標(biāo)Table1 Physico-mechanical properties of materials

2.3 試驗(yàn)步驟

本次試驗(yàn)的試驗(yàn)步驟如下：

（1）裝樣飽和。拌合試樣，采用水下分層填筑的方法進(jìn)行填筑；每層填筑5 cm，壓實(shí)至預(yù)定高度以后填筑另一層；填筑結(jié)束后蓋上蓋板，注水飽和24 h 以上。

（2）逐級(jí)提升上游水位進(jìn)行試驗(yàn)，每級(jí)水位下待滲流穩(wěn)定時(shí)記錄各測(cè)壓管水位，測(cè)量流量，如有涌砂則收集涌砂。

（3）管涌通道形成以后，結(jié)束本次試驗(yàn)，準(zhǔn)備下一組試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 試驗(yàn)1：白色細(xì)砂層在砂礫石層內(nèi)1 cm 處

逐級(jí)提升上游水位，每級(jí)水位施加以后維持20 min 左右，直到滲流達(dá)到穩(wěn)定以后再施加下一級(jí)水位。根據(jù)流量變化曲線（見(jiàn)圖3）和測(cè)壓管水位變化曲線（見(jiàn)圖4）可以分析出試驗(yàn)主要經(jīng)歷了以下階段：

試驗(yàn)初期，測(cè)壓管水位和流量都隨著上游水位的增加而增加，大致呈線性關(guān)系（見(jiàn)圖3、4）。管涌口處水流清澈而穩(wěn)定，無(wú)砂沸現(xiàn)象。

當(dāng)上游水位提升到25.8 cm 時(shí)，管涌口出現(xiàn)砂沸，隨即出現(xiàn)第1 次涌砂。涌出的砂為普通砂和白色砂的混合物，其中以白色砂居多。待測(cè)壓管穩(wěn)定后繼續(xù)提升上游水位，流量和測(cè)壓管水位都有所增加，且增加速率比上一級(jí)水位作用下的要大。涌出的砂中白色顆粒的含量逐步減少，但總的出砂量則比前一階段大。

繼續(xù)提升上游水位至36.2 cm 時(shí)，管涌口再次發(fā)生涌砂，涌出的砂中白色砂粒的含量不多，主要為普通砂顆粒，顆粒粒徑比之前涌出的砂大。提升上游水位，流量隨著上游水位的增加而增加，且增加的速率比前一階段要大（見(jiàn)圖3）；距離管涌口較近的測(cè)壓管水位則隨著上游水位的增加而減?。ㄒ?jiàn)圖4）。

待滲流穩(wěn)定以后，逐級(jí)提升上游水位直到管涌通道貫通。這一階段流量逐漸增大，測(cè)壓管水位則有所降低（見(jiàn)圖3、4）。

圖3 試驗(yàn)1 流量隨上游水位變化曲線Fig.3 Flux variation with upstream water level of experiment 1

試驗(yàn)結(jié)束后靜置一段時(shí)間，揭開(kāi)有機(jī)玻璃蓋板，觀察試樣滲流通道的發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)砂礫石層頂部的細(xì)顆粒已經(jīng)大量流失并形成管涌通道。管涌口附近的白色細(xì)砂大量流失，形成較大的破壞區(qū)域，如圖5 所示。

圖5 試驗(yàn)1 結(jié)束后的管涌通道Fig.5 Piping channel after experiment 1

3.2 試驗(yàn)2：白色細(xì)砂層在砂礫石層內(nèi)2 cm 處

試驗(yàn)2 的試驗(yàn)現(xiàn)象在試驗(yàn)初期與試驗(yàn)1 基本相同。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，當(dāng)上游水位提升到28 cm 時(shí)，管涌口突然大量涌砂，涌出的為普通砂和白色細(xì)砂混合物。此時(shí)流量和各測(cè)壓管水位也發(fā)生急劇變化，流量突然增大（見(jiàn)圖6），各測(cè)壓管水頭則有不同程度的降低（見(jiàn)圖7）。待滲流穩(wěn)定以后繼續(xù)提升上游水位，流量隨之而增加。測(cè)壓管1和測(cè)壓管2 隨上游水位的增加而出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，其他的測(cè)壓管則出現(xiàn)時(shí)升時(shí)降的變化。

圖6 試驗(yàn)2 流量隨上游水位變化曲線Fig.6 Flux variation with upstream water level of experiment 2

圖7 試驗(yàn)2 測(cè)壓管水位隨上游水位變化曲線Fig.7 Hydraulic head variation with upstream water level of experiment 2

試驗(yàn)結(jié)束后，揭開(kāi)有機(jī)玻璃蓋板觀察管涌通道的發(fā)展情況。如圖8 所示，砂礫石層中細(xì)顆粒大量流失，形成滲漏通道。滲漏通道下部的白色細(xì)砂顆粒幾乎全部流失，在管涌口附近形成的破壞區(qū)域比試驗(yàn)1 要小。

3.3 試驗(yàn)3：細(xì)粒白砂在砂礫石層內(nèi)3 cm 處

試驗(yàn)3 的現(xiàn)象與試驗(yàn)1、2 不同。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，流量和各測(cè)壓管水位隨著上游水位的增加而增加，且基本保持線性關(guān)系（見(jiàn)圖9、10）。

圖9 試驗(yàn)3 流量隨上游水位變化曲線Fig.9 Flux variation with upstream water level of experiment 3

圖10 試驗(yàn)3 測(cè)壓管水位隨上游水位變化曲線Fig.10 Hydraulic head variation with upstream water level of experiment 3

當(dāng)上游水位達(dá)到95.3 cm 時(shí)開(kāi)始涌砂，涌出的砂均為普通砂顆粒，涌砂質(zhì)量遠(yuǎn)小于試驗(yàn)1和試驗(yàn)2。試驗(yàn)結(jié)束后，揭開(kāi)有機(jī)玻璃蓋板，發(fā)現(xiàn)只有管涌口下方的一小塊區(qū)域砂礫石層發(fā)生破壞，破壞區(qū)域開(kāi)展深度為1.9 cm，如圖11 所示。

圖11 試驗(yàn)3 結(jié)束后的管涌通道Fig.11 Piping channel after experiment 3

3.4 試驗(yàn)4：細(xì)粒白砂在砂礫石層內(nèi)5 cm 處

試驗(yàn)4 試驗(yàn)過(guò)程中流量和各測(cè)壓管水位隨上游水位的變化曲線如圖12、13 所示。與試驗(yàn)3 的試驗(yàn)現(xiàn)象相類似，試驗(yàn)4 在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，流量和各測(cè)壓管水位也隨著上游水頭的增加而增加，并基本保持線性關(guān)系。

圖12 試驗(yàn)4 流量隨上游水位變化曲線Fig.12 Flux variation with upstream water level of experiment 4

圖13 試驗(yàn)4 測(cè)壓管水位隨上游水位變化曲線Fig.13 Hydraulic head variation with upstream water level of experiment 4

當(dāng)上游水頭達(dá)到96.4 cm 時(shí)，管涌口處開(kāi)始涌砂，所涌出的砂均為天然砂顆粒，涌砂量遠(yuǎn)小于試驗(yàn)1、2。試驗(yàn)結(jié)束后，揭開(kāi)有機(jī)玻璃蓋板觀察管涌通道的發(fā)展?fàn)顩r，如圖14 所示，破壞區(qū)域只出現(xiàn)在管涌口下方的小塊區(qū)域內(nèi)，開(kāi)展深度為2.1 cm。

圖14 試驗(yàn)4 結(jié)束后的管涌通道Fig.14 Piping channel after experiment 4

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 管涌發(fā)展過(guò)程分析

從上述試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出：隨著細(xì)砂層埋深的變化，各組試驗(yàn)的臨界水位分別為25.8、28、95.3、96.4 cm，這說(shuō)明細(xì)砂層埋深是影響含夾砂層堤基管涌發(fā)生和發(fā)展的重要因素。當(dāng)白色細(xì)砂層埋深很淺時(shí)，由于其顆粒粒徑較小，級(jí)配均勻，滲透系數(shù)小，能有效地阻隔水量向上傳遞[12]，因此，水量主要集中在白色細(xì)砂層下部的砂礫石層中，即白色細(xì)砂層底部將承受較大的水壓力。在所受水壓力隨上游水位的增加而不斷增加的情況下，由于白色細(xì)砂層上部所覆蓋的砂礫石層很薄，所受的壓力較小，當(dāng)上游水位達(dá)到臨界水頭時(shí)，白色細(xì)砂層和砂礫石層發(fā)生流土破壞，砂礫石層中的細(xì)顆粒和白色砂一起涌出。隨著上游水位提升，白色細(xì)砂顆粒由于臨界水力梯度較小且被帶出管涌口的滲徑較短，因此，易于流失。白色細(xì)砂大量流失后，在管涌口附近形成一個(gè)較大的破壞區(qū)域（見(jiàn)圖5）。此時(shí)，下部砂礫石層中的巨大的水壓力將主要由白砂層上部的砂礫石層來(lái)承受，達(dá)到臨界水力梯度的普通砂顆粒不斷涌出，且顆粒越來(lái)越大，而白砂顆粒則基本不再涌出。不斷提升上游水頭，滲漏通道逐漸向上游發(fā)展，最終達(dá)到貫通。試驗(yàn)1 的管涌發(fā)生發(fā)展即屬于此種情形。

增大細(xì)砂層的埋深，堤基的管涌發(fā)展?fàn)顩r將有所不同。開(kāi)始階段，試驗(yàn)發(fā)展過(guò)程與試驗(yàn)1 類似，即由于白色細(xì)砂層的滲透系數(shù)較小，其底部會(huì)承受較大的水壓力。但此時(shí)的上覆砂礫石層厚度大于試驗(yàn)1，細(xì)砂層不易發(fā)生破壞。相比于試驗(yàn)1 白色細(xì)砂層所受的水壓力消散較小，白色細(xì)砂層下部和上部之間的壓力差遠(yuǎn)小于試驗(yàn)1，從而導(dǎo)致臨界水位大于試驗(yàn)1，且當(dāng)上游水位達(dá)到臨界水頭時(shí)，試樣會(huì)發(fā)生突然涌砂和流量及測(cè)壓管水頭急劇變化的現(xiàn)象。隨著上游水位不斷提高，白色細(xì)砂層下部和砂礫石層接觸處的白砂顆粒會(huì)在砂礫石層中較大水壓力的作用下被沖出，發(fā)生所謂的“深層破壞”[11]。當(dāng)上游水位提升到一定程度時(shí)，白色細(xì)砂層及其上部砂礫石層共同發(fā)生破壞（見(jiàn)圖8）。試驗(yàn)2 的管涌發(fā)展過(guò)程即是如此。

當(dāng)細(xì)砂層埋深增大到一定程度時(shí)，堤基管涌發(fā)展過(guò)程和上述所討論的兩種情況都不同。由于白色細(xì)砂層上部所覆砂礫石層較厚，即白色砂層所受上覆壓力較大，所以能夠承受下部砂礫石層中傳遞來(lái)的較大的水壓力。同時(shí)由于上部砂礫石層本身較厚，會(huì)集中一定的水量，所以當(dāng)上游水位提升到一定程度時(shí)，上部砂礫石層首先發(fā)生水平向滲透破壞，其管涌破壞形式與雙層堤基破壞類似。試驗(yàn)3和試驗(yàn)4 的堤基管涌發(fā)展?fàn)顩r屬于此種情況。

4.2 細(xì)砂層臨界埋深的確定

由上述分析可以看出，細(xì)砂層埋深對(duì)于堤基管涌的發(fā)生發(fā)展機(jī)制具有重大影響。埋深較淺時(shí)，堤基發(fā)生豎直方向上的流土破壞，臨界水位較低；埋深較深時(shí)，堤基的破壞形式與普通雙層堤基類似，發(fā)生的是水平方向上的管涌型滲透破壞。當(dāng)?shù)袒瑫r(shí)發(fā)生水平向和豎直向的管涌破壞時(shí)，此時(shí)的細(xì)砂層埋深即為臨界埋深。

對(duì)于細(xì)砂層埋深大于臨界埋深的情況，堤基發(fā)生的是水平方向上的管涌破壞，其破壞的臨界水力條件為[13]

式中：Gs為砂礫石的相對(duì)密度；n1為砂礫石的孔隙率；d5為小于該粒徑的土粒含量為5%；d20為小于該粒徑的土粒含量為20%；L為進(jìn)水室與管涌口中心之間的距離；H為堤基臨界水位；icr為堤基臨界水力梯度。

可見(jiàn)當(dāng)細(xì)砂層埋深處于臨界埋深以下時(shí)，細(xì)砂層埋深對(duì)堤基發(fā)生管涌破壞的臨界水基本無(wú)影響。

當(dāng)細(xì)砂層的埋深小于臨界埋深時(shí)，堤基發(fā)生豎直方向上滲透破壞的臨界水位為[12]

綜上所述，含夾砂層堤基的臨界水位隨著細(xì)砂層埋深的增加而增加，但當(dāng)細(xì)砂層埋深大于臨界埋深時(shí)，臨界水位的大小基本不受埋深的影響。

由式（2）可以計(jì)算出當(dāng)細(xì)砂層埋深大于臨界埋深時(shí)，堤基臨界水位的理論值為98.2 cm。試驗(yàn)中，試驗(yàn)3、4 的堤基分別在上游水位達(dá)到95.3 cm和96.4 cm 時(shí)破壞，與98.2 cm 接近?？梢?jiàn)理論值與試驗(yàn)結(jié)果基本相吻合。

通過(guò)上述理論公式推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，臨界水位隨著細(xì)砂層埋深增加而增加，但當(dāng)細(xì)砂層埋深超過(guò)臨界埋深時(shí)，埋深基本不對(duì)臨界水位的大小產(chǎn)生影響。因此，在工程實(shí)際中可以用此方法作為提高堤基破壞時(shí)臨界水位的一種手段，只需要將細(xì)砂層埋置在臨界埋深處即可最大限度地提高堤基破壞的臨界水位。

4.3 涌砂量分析

各組試驗(yàn)的累計(jì)出砂量隨上游水位的變化曲線如圖15 所示。試驗(yàn)1 在較低水位下即發(fā)生涌砂，累計(jì)涌砂量隨上游水位的增加而增加，且增加速率較大；試驗(yàn)2 的破壞水位也較低，累計(jì)涌砂量變化曲線與試驗(yàn)1 類似，但出砂量遠(yuǎn)大于試驗(yàn)1，這主要是由試驗(yàn)1、2 管涌機(jī)制不同造成的。首先試驗(yàn)2管涌發(fā)展的過(guò)程是流土破壞和深層管涌破壞共同發(fā)展的過(guò)程，天然砂和白砂顆粒一起涌出，出砂量較大；試驗(yàn)1 初期白色顆粒和天然砂顆粒會(huì)一起涌出，后期由于水壓力主要由白砂層上部的砂礫石層承受，所以白砂顆?；静辉儆砍?，破壞主要集中于白砂層上部的砂礫石層，出砂量遠(yuǎn)小于試驗(yàn)2。試驗(yàn)3、4 的管涌發(fā)生發(fā)展機(jī)制基本相同，其管涌破壞都發(fā)生于砂礫石層內(nèi)，與雙層堤基的破壞相類似，細(xì)砂顆粒僅在砂礫石層表面起動(dòng)被帶出，因此，管涌通道開(kāi)展深度及出砂量基本相同，涌砂量比試驗(yàn)1、2 要小很多。

圖15 各試驗(yàn)累計(jì)涌砂量隨上游水位的變化曲線Fig.15 Cumulative sand production variation with upstream water level

5 結(jié)論

（1）細(xì)砂層的埋深不同，堤基臨界水力梯度不同。細(xì)砂層埋深小于臨界埋深時(shí)，臨界水力梯度較低，且隨埋深增加而提高；細(xì)砂層埋深大于等于臨界埋深時(shí)，堤基臨界水位較高，且基本不受細(xì)砂層埋深的影響。

（2）細(xì)砂層的埋深不同，對(duì)堤基滲透破壞機(jī)制有很大影響。細(xì)砂層埋深小于臨界埋深時(shí)，由于所受的上覆壓力較小，下部承受砂礫石層傳遞來(lái)的較大的水壓力，導(dǎo)致細(xì)砂層易被沖破，發(fā)生豎直向的滲透破壞；細(xì)砂層埋深大于臨界埋深時(shí)，由于上覆壓力較大，細(xì)砂層不會(huì)被直接沖破，堤基將在細(xì)砂層上部的砂礫石層內(nèi)發(fā)生水平向的滲透破壞。

（3）細(xì)砂層的埋深不同，涌砂速率不同。細(xì)砂層埋深大于臨界埋深時(shí)，涌砂速率小，涌砂量少；細(xì)砂層埋深小于臨界埋深時(shí)，涌砂量大，堤基侵蝕較快。

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