盧詔宇

（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

0 引言

抗滑穩(wěn)定性與滲透穩(wěn)定性是大壩工程中最常見(jiàn)的兩大問(wèn)題，研究大壩滲透破壞原因?qū)τ陬A(yù)防大壩失事具有重要的意義。管涌發(fā)展過(guò)程受到諸多因素的影響，是多種因素影響下的耦合過(guò)程，比如內(nèi)部細(xì)顆粒含量，外部水力梯度，應(yīng)力狀態(tài)等，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性、隱蔽性，并且難以對(duì)其監(jiān)測(cè)。根據(jù)調(diào)查結(jié)果表明，大壩因?yàn)槭Х€(wěn)而發(fā)生滲透破壞失事的事故約占提防與大壩破壞實(shí)例總事件的一半[1]，足以見(jiàn)提防與大壩滲流失事的廣泛性。

研究管涌破壞問(wèn)題，首要任務(wù)便是解決管涌發(fā)生的條件，包括什么樣的土體屬于管涌型土體，在何種水力條件下會(huì)發(fā)生管涌。目前眾多學(xué)者對(duì)管涌機(jī)理做了大量的研究，對(duì)管涌發(fā)生的原因及條件做了很多總結(jié)。

1 管涌發(fā)生機(jī)理過(guò)程

1.1 管涌發(fā)生過(guò)程

管涌是指土體中的可動(dòng)細(xì)顆粒在滲流作用下，隨著地下水從土體粗顆?？障吨辛鞒鐾馏w，隨著細(xì)顆粒從粗顆粒的空隙中被帶走，土體內(nèi)部形成貫通的滲透通道，從而導(dǎo)致土體內(nèi)部失穩(wěn)，造成坍塌現(xiàn)象。

在管涌發(fā)生之前，外水位造成的靜水壓力作用在黏土覆蓋層頂板下，上游水位與沙土層之間產(chǎn)生水頭，形成壓差，由于黏土覆蓋層的滲透系數(shù)比砂層小2 個(gè)數(shù)量級(jí)以上 ,砂層與黏土覆蓋層兩點(diǎn)間的壓差很大。上漲的外水頭引起覆蓋層底部壓力增加，當(dāng)該壓力大到一定程度后，黏土覆蓋層被靜水壓力頂穿沖決，砂層中的水都涌向管涌口。土體內(nèi)部的細(xì)顆粒隨之遷移，從而形成滲漏通道，最終引起提防潰決。

1.2 管涌滲透通道的形成

管涌發(fā)生后，土體中大量細(xì)顆粒隨著滲流方向向外溢出，細(xì)顆粒的流失發(fā)過(guò)來(lái)影響土克利流失部位土體的滲透系數(shù)，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)Cu 增大，主滲漏帶上的臨界水力梯度減小。我們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,臨界面附近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[2]。

1.3 管涌發(fā)生機(jī)理研究

隨著近些年來(lái)眾多學(xué)者對(duì)管涌發(fā)展過(guò)程的研究，出現(xiàn)了基于顆粒流分析程序pfc 的數(shù)值分析方法，有限元分析方法等一些新的方法，但主要的研究方式還是通過(guò)試驗(yàn)研究。

如梁越[3]利用自行研制的滲透破壞試驗(yàn)儀研究雙層堤基管涌發(fā)展過(guò)程，發(fā)現(xiàn)雙層堤基管涌破壞過(guò)程可以分為上覆層被頂破過(guò)程和下伏層內(nèi)細(xì)顆粒被帶出從而造成破壞過(guò)程，上覆層在未被頂穿時(shí)承擔(dān)主要的上下游水位差，破壞后水位差主要由下伏層承擔(dān)，如果沒(méi)有及時(shí)采取措施處理，大量的細(xì)顆粒將會(huì)被滲透水流帶出土體，管涌通道規(guī)模不斷擴(kuò)大。

周健[4]結(jié)合小比尺細(xì)觀模型試驗(yàn),利用并開(kāi)發(fā)基于離散元理論的顆粒流程序(PFC3D),充分考慮流固耦合作用,建立滲流理論模型,對(duì)不同層間系數(shù)下砂土管涌的基料-濾層系統(tǒng)進(jìn)行離散元數(shù)值模擬,跟蹤記錄滲流過(guò)程中砂樣運(yùn)動(dòng)、流失量、孔隙率、滲透系數(shù)、顆粒間接觸力、水力梯度等參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,從細(xì)觀角度揭示管涌發(fā)展過(guò)程中顆粒的運(yùn)動(dòng)特性和濾層防治機(jī)理。

2 管涌發(fā)生條件及影響因素

在管涌滲流發(fā)展過(guò)程中，土體細(xì)顆粒從受力分析來(lái)說(shuō)，受到了重力、水流拖曳力、土體顆粒間摩阻力等力的作用，但是由于滲流方向不同，重力對(duì)細(xì)顆粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的分力大小，方向不同，導(dǎo)致重力對(duì)細(xì)顆粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的作用也就大不相同，有可能起到阻礙或者促進(jìn)運(yùn)移的作用，影響到土體管涌的發(fā)生與發(fā)展。除此之外，管涌還受到諸如土體應(yīng)力狀態(tài)、土顆粒級(jí)配等眾多因素的影響并具有較強(qiáng)的隨機(jī)性。

2.1 細(xì)顆粒含量對(duì)管涌的影響

土體顆粒按照是否發(fā)生運(yùn)移分為骨架粗粒與可動(dòng)細(xì)顆粒，只要土體中有可動(dòng)細(xì)顆粒，則就有可能發(fā)生管涌。發(fā)生管涌現(xiàn)象時(shí)可動(dòng)細(xì)顆粒沿著骨架顆粒間孔隙被滲透水流帶出土體。姚志雄[5]等自行設(shè)計(jì)模型槽進(jìn)行垂直滲流下砂土管涌試驗(yàn)，通過(guò)精細(xì)化量測(cè)手段獲取管涌發(fā)展中土體幾何、水力學(xué)參數(shù)及顆粒運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，研究顆粒級(jí)配對(duì)管涌發(fā)生發(fā)展的影響，揭示管涌細(xì)觀機(jī)理，他們發(fā)現(xiàn)管涌型砂土可動(dòng)顆粒級(jí)配影響流失顆粒的最大粒徑及顆粒流失量分布。由于可動(dòng)顆粒潛在移動(dòng)距離不同而產(chǎn)生的截留、填充效應(yīng)，顆粒流失量沿滲流方向總體呈減小趨勢(shì)。顆粒的流失導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)疏松，土體滲透性顯著增大。這說(shuō)明，由于可動(dòng)細(xì)顆粒的流失，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。土體是否為管涌型土主要與內(nèi)部可動(dòng)細(xì)顆粒含量，土體內(nèi)部孔隙大小等因素相關(guān)。經(jīng)過(guò)多年對(duì)管涌問(wèn)題的研究，對(duì)于管涌型土的判別方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要總結(jié)了幾個(gè)方法，如細(xì)顆粒含量判別法、不均勻系數(shù)法等等。

2.2 水力條件對(duì)管涌的影響

除了土體內(nèi)部細(xì)顆粒的含量對(duì)管涌的發(fā)生有影響外，土體外部所處的水力條件對(duì)土體有較大的影響。細(xì)顆粒發(fā)生運(yùn)移的過(guò)程與其受力狀態(tài)有著密切的關(guān)系，隨著水位的增加，即水力梯度的增加，細(xì)顆粒受到的拖曳力逐漸增大，打破原本細(xì)顆粒受力平衡狀態(tài)后開(kāi)始出現(xiàn)運(yùn)移現(xiàn)象，此時(shí)水力梯度稱為臨界水力梯度。

劉杰[6]基于土顆粒受力平衡狀態(tài)原則，提出了臨界水力梯度計(jì)算公式：

3 結(jié)論

管涌的發(fā)生是由于土體內(nèi)部細(xì)顆粒發(fā)生遷移，形成滲透通道，進(jìn)而導(dǎo)致土體內(nèi)部失穩(wěn)。由以上總結(jié)分析，管涌的發(fā)生主要原因是自身內(nèi)部可動(dòng)細(xì)顆粒含量過(guò)多，而土體外部的水力條件如水力梯度也是導(dǎo)致管涌發(fā)生的重要原因。