孫東亞 ，姚秋玲 ，趙雪瑩

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100038）

1 研究背景

輸水涵管是堤防和土石壩工程中常用的結(jié)構(gòu)型式，用于引水、泄洪、沖沙、放空水庫及施工導(dǎo)流等，根據(jù)涵管內(nèi)水流形態(tài)，可分為無壓涵管和有壓涵管。無壓涵管多為圓拱直墻式，一般采用混凝土、漿砌石等圬工材料建造；有壓涵管多采用圓形鋼筋混凝土管或鋼管等；有些涵管還設(shè)有截滲環(huán)。涵管斷面形狀一般為圓形、箱型（方形、矩形）、拱形、馬蹄形、蛋形等［1］。堤防和土石壩工程中因涵管裂縫（滲漏）、與土體結(jié)合面滲透變形破壞、底板脫空等導(dǎo)致的安全問題相對比較突出，由此引發(fā)的堤壩潰決事故時有發(fā)生。1981年水利部編制了《全國水庫垮壩登記冊》［2］，李雷等［3］和解家畢等［4］在此基礎(chǔ)上先后統(tǒng)計了1954年起到1980年、2000年和2006年的潰壩事故，其中由于穿壩涵管滲漏和涵管質(zhì)量問題潰壩的工程占潰壩總數(shù)的4.5%、4.9%和5.6%，其比例在歷次統(tǒng)計中有所增長，可見穿壩涵管問題對大壩安全的影響不容忽視。李祚謨等［5］在1980年代調(diào)查了山東東阿黃河修防段小生莊穿堤涵洞、惠民修防段王集虹吸等工程，發(fā)現(xiàn)因穿堤涵管接口裂縫產(chǎn)生漏水并在堤身形成貫通通道，就提出要重視穿堤涵管的防洪安全問題。據(jù)美國墾務(wù)局工程案例統(tǒng)計分析和研究成果，涵管接觸沖刷破壞的概率約為4×10-4～1×10-3之間［6］。深入分析總結(jié)此類工程險情發(fā)生的機理和模式，對于改進工程設(shè)計方案和施工工藝，提高安全管理水平十分重要。本文重點分析總結(jié)涵管與堤壩土體結(jié)合面區(qū)域土的滲透變形破壞問題，探討其機理和發(fā)生發(fā)展過程等。

2 接觸沖刷破壞影響因素

堤壩涵管接觸沖刷破壞的發(fā)生發(fā)展受到多種因素的影響，可歸納為如下幾個方面，一些影響因素可能同時存在，共同導(dǎo)致接觸沖刷問題。

（1）涵管材料。如涵管為鋼管，則易受到環(huán)境影響發(fā)生銹蝕，耐久性差。而混凝土管或圬工材料管則易受變形影響發(fā)生裂縫。

（2）涵管裂縫或孔洞。在沉降、地震等動荷載作用下，涵管底板、管壁出現(xiàn)裂縫，接縫止水破壞等，即使裂縫或孔洞很小，如果缺乏反濾保護措施，將導(dǎo)致接觸沖刷。涵管附近的排水管裂縫、坡腳排水管接縫等也將導(dǎo)致類似問題。

（4）土體裂縫與水源的連通。此情況下，裂縫表面土顆粒將在集中滲流水作用下發(fā)生嚴(yán)重侵蝕，土顆粒通過裂縫或孔洞等進入涵管或沿管壁流失，可能直接導(dǎo)致堤壩潰決。

（5）水頭作用。水頭越高，土的滲透穩(wěn)定問題越嚴(yán)重。但即使水頭不太高，如果涵管周圍土體裂縫持續(xù)存在集中滲流，也會導(dǎo)致嚴(yán)重沖刷侵蝕。

（6）涵管水流類型。存在缺陷的有壓涵管比無壓涵管更容易發(fā)生接觸沖刷問題，而且后果也將更為嚴(yán)重。

（7）回填土架空能力。涵管周圍土體侵蝕后果因回填土架空能力而不同，如果能形成架空通道，將導(dǎo)致管涌侵蝕；否則，可能會形成塌坑或其它破壞形式。

（8）地質(zhì)條件?；鶐r缺陷，例如張開裂隙、裂縫或巖溶；涵管基礎(chǔ)存在連續(xù)侵蝕性土層，例如均勻中細(xì)砂、粉砂、砂質(zhì)粉土、粉土。這些缺陷如未得到處理可導(dǎo)致較高滲水壓力和接觸沖刷。

（9）設(shè)計施工因素。涵管區(qū)回填土因設(shè)計和施工方案影響產(chǎn)生不均勻沉降，垂向和水平向主應(yīng)力降低出現(xiàn)裂縫等問題，易發(fā)生水力劈裂和集中滲流。還包括涵管截滲環(huán)周圍土體壓實度低或不均勻，基礎(chǔ)開挖斷面型式及基礎(chǔ)材料特征引起的不均勻沉降，薄弱環(huán)節(jié)未設(shè)置反濾排水和止水等。

3 接觸沖刷破壞模式

針對上述不同影響因素或多種影響因素的共同作用，接觸沖刷破壞可以歸納為4類模式或其組合。

（1）土顆粒流失進入無壓涵管導(dǎo)致土體發(fā)生內(nèi)部侵蝕。涵管某段存在孔洞、裂縫或接縫張開，土體滲流壓力大于涵管內(nèi)水壓力，而且周圍土體抵抗內(nèi)部侵蝕的能力弱，在滲流水作用下土顆粒流入涵管，隨著時間推移，土顆粒侵蝕量和范圍逐漸擴大，導(dǎo)致堤壩出現(xiàn)塌坑，險情逐漸加重，可能導(dǎo)致堤壩潰決。某些情況下土體內(nèi)本身也存在水力劈裂和向涵管薄弱環(huán)節(jié)匯集的集中滲流通道，多種土均會在集中滲流作用下發(fā)生侵蝕破壞，例如非塑性粉土、寬級配粉質(zhì)粗粒土、分散性黏土等，都可能發(fā)生快速侵蝕。張冬梅等對土質(zhì)路面地下無壓管線破損引起周圍土體的滲流侵蝕開展了模型試驗研究［7］，這與堤壩內(nèi)部涵管破損引起滲流侵蝕還有所不同。土顆粒流失進入無壓堤壩涵管導(dǎo)致土體發(fā)生內(nèi)部侵蝕的發(fā)生發(fā)展過程如圖1示意說明。

圖1 土顆粒流失進入無壓涵管發(fā)生內(nèi)部侵蝕示意［8］

如果涵管周圍土體抵抗?jié)B流侵蝕的能力強，滲流侵蝕的發(fā)生發(fā)展將是一個很長過程。但如果水頭比較高，而且涵管孔洞或裂縫較大，滲流侵蝕發(fā)展將會非?？?，問題也將更加嚴(yán)重。

蕭飛羽回到安和莊。滌塵居廳堂落座，武成龍告訴蕭飛羽安和莊所屬平復(fù)了初戰(zhàn)告捷的躁動，情緒也逐步穩(wěn)定后道：“本莊所為如同頑石入死水，一層不變的江湖很可能波瀾驟起。如果屬下推測無誤黑旗會很快會從震驚中清醒，并調(diào)集精銳徹查本鎮(zhèn)蛛絲馬跡，本莊又是漢口鎮(zhèn)的大莊，鬼算盤又知曉謀奪本莊太極虎曾轉(zhuǎn)呈黑旗會不為人知的中樞，所以黑旗會首先要做的應(yīng)該是詳查本莊。故而本莊所屬如果不想移師別處就該將黑旗會在本鎮(zhèn)勢力憑空蒸發(fā)的事情張揚，以此引誘江湖人云集本鎮(zhèn)，那時本莊設(shè)法制造混亂混淆視聽，在黑旗會精英來此還沒有將觸角伸向本莊就以迅雷不及掩耳之勢將其分別蠶食再次制造懸案并引劫于外?！?/p>

此類破壞模式還存在另外一種情況，即涵管內(nèi)壁不光滑或接縫錯位，涵管泄流時這些區(qū)域可能產(chǎn)生負(fù)壓，涵管外壁土顆粒在負(fù)壓作用下會被吸進涵管，形成空腔，如這種情況持續(xù)發(fā)展，土體流失量和空腔不斷擴大，堤壩將發(fā)生塌陷，如塌坑與上游水體連通，將最終導(dǎo)致堤壩潰決。

（2）壓力涵管內(nèi)水外溢導(dǎo)致的內(nèi)部侵蝕。在涵管內(nèi)水壓力大于外圍滲水壓力且涵管存在孔洞或裂縫等缺陷情況下，涵管內(nèi)水將穿過孔洞或裂縫流入土體并作為荷載作用于土體上。如管道斷裂或接縫張開，這種作用更加嚴(yán)重。對于無壓涵管，如在運用中發(fā)生堵塞問題，同樣會出現(xiàn)上述問題。在這種水荷載作用下，滲水將在下游坡面出逸，如出逸點無反濾保護措施，可能引起土顆粒流失，形成后向侵蝕管涌，沿管壁逐漸向上游延伸到涵管缺陷位置。如果土體抗侵蝕能力比較強、涵管缺陷不嚴(yán)重或水頭比較小，可能不會很快出現(xiàn)這一后向侵蝕管涌問題。但如果涵管周圍土體內(nèi)有裂縫或集中滲流、涵管內(nèi)水壓力比較大，則可能引起內(nèi)部侵蝕，并形成侵蝕通道。上述侵蝕問題如果一直存在并不斷發(fā)展，涵管周邊土體逐漸流失，涵管因無基礎(chǔ)支撐而折斷，庫水通過涵管無控制泄流，堤壩下游坡坍塌失穩(wěn)，將最終導(dǎo)致堤壩潰決。圖2為壓力涵管內(nèi)水外溢導(dǎo)致內(nèi)部侵蝕過程的示意圖。

圖2 壓力涵管內(nèi)水外溢導(dǎo)致后向侵蝕管涌或內(nèi)部侵蝕示意［8］

（3）沿涵管周圍土體產(chǎn)生后向侵蝕管涌或內(nèi)部侵蝕。在涵管與土體結(jié)合面滲流荷載作用下，如土體抗侵蝕性弱，可能產(chǎn)生侵蝕。即使土體抗侵蝕性比較強，但如果壓實不良等，也可能引發(fā)集中滲流和水力劈裂，發(fā)生內(nèi)部侵蝕［9］，例如涵管外壁因模板施工原因凹凸不平，結(jié)合部土體很難壓實，從而成為防滲薄弱環(huán)節(jié)或安全隱患。有截滲環(huán)的涵管與土體結(jié)合部、圓形涵管底部兩側(cè)區(qū)域，一般很難壓實，沿管壁發(fā)生內(nèi)部侵蝕的可能性非常大，如圖3所示。

圖3 圓形涵管壓實不良區(qū)示意［8］

（4）涵管附近土體裂縫導(dǎo)致的內(nèi)部侵蝕。受多種因素影響涵管附近區(qū)域土體發(fā)生非均勻沉降，產(chǎn)生裂縫和水力劈裂，通過這些裂縫可能發(fā)生集中滲流和邊壁侵蝕［10］。此類破壞模式與模式（3）基本相似，但發(fā)生內(nèi)部侵蝕的位置不在涵管與土體的結(jié)合面，距離結(jié)合面要遠(yuǎn)一些。此類破壞模式一旦發(fā)生，發(fā)展會很快，形成上下游貫通通道，導(dǎo)致堤壩潰決。新疆八一水庫由于新建泄洪涵洞與原土壩之間新填土體在壩頂處產(chǎn)生橫向裂縫，引起滲透沖刷侵蝕，于2004年1月潰決［11］。

4 接觸沖刷破壞過程連續(xù)統(tǒng)

借鑒美國學(xué)者Fell等［12］及美國陸軍工程師兵團大壩破壞模式連續(xù)統(tǒng)概念模型［13］，可以應(yīng)用接觸沖刷破壞過程連續(xù)統(tǒng)概念模型，揭示涵管接觸沖刷破壞的機理及發(fā)生發(fā)展過程（圖4）。涵管接觸沖刷自發(fā)生至堤壩潰決這一極限狀態(tài)，是一個不斷加重的連續(xù)發(fā)展過程，將涵管及周圍土體內(nèi)的內(nèi)部侵蝕過程劃分為四個連續(xù)階段，即啟動（Initiation）、持續(xù)（Continuation）、漸進（Progression）和潰決（Breach）階段。各類接觸沖刷破壞模式在不同發(fā)展階段，其影響因素及程度、發(fā)展過程及趨勢、險情表現(xiàn)形式等均有一定的差異。針對不同破壞模式，可采用事件樹或故障樹等方法半定性半定量分析堤壩涵管接觸沖刷破壞風(fēng)險，用于指導(dǎo)采取過程干預(yù)措施，加強堤壩安全的全過程管理，提出在某一階段宜采取的防御措施，從而提高堤壩安全水平，降低失事風(fēng)險。

圖4 堤壩涵管接觸沖刷連續(xù)統(tǒng)圖譜

A：下游涵管段周圍設(shè)反濾排水；設(shè)置截滲環(huán)；涵管周圍土體灌漿；涵管出口設(shè)反濾排水壓蓋或減壓井

B：調(diào)整運行模式；降低涵管進口水頭；限制水位運行；涵管周圍土體灌漿；涵管出口區(qū)設(shè)反濾排水壓蓋或減壓井

C：應(yīng)急降低涵管進口水頭；堤壩下游人員轉(zhuǎn)移避險；涵管出口區(qū)設(shè)反濾排水；涵管出口蓄水反壓；封堵裂縫或接縫；灌漿封堵滲漏通道。

D：堤壩運行正常，日常檢查中未發(fā)現(xiàn)問題。堤壩安全評估建議關(guān)注長期滲流問題。

E：在一定水頭作用下涵管與堤壩或基礎(chǔ)土體接觸面區(qū)域發(fā)生集中滲漏管涌等內(nèi)部侵蝕破壞。

F：防滲措施未發(fā)揮作用，接觸沖刷現(xiàn)象持續(xù)存在，并隨著水力坡降和滲漏量增加，內(nèi)部侵蝕加速向上游發(fā)展。

G：接觸沖刷范圍不斷擴大，土體形成架空通道，滲漏量持續(xù)增加，快速向上游發(fā)展。

H：集中滲漏未因架空通道塌陷而停止，內(nèi)部侵蝕繼續(xù)擴展，堤壩出現(xiàn)塌坑、頂部沉降、邊坡失穩(wěn)，下游坡流失，堤壩潰決。

5 結(jié)論與建議

涵管是堤壩工程的薄弱環(huán)節(jié)，其接觸沖刷問題涉及多方面的影響因素，多數(shù)情況下不同破壞模式并存，為提高堤壩工程安全水平，需要在規(guī)劃、設(shè)計、施工及運行管理等各階段，針對可能破壞模式采取相應(yīng)防御措施。接觸沖刷破壞過程連續(xù)統(tǒng)概念模型提供了一個很好的決策框架，但在具體應(yīng)用中需根據(jù)工程實際予以細(xì)化。本文關(guān)于涵管接觸沖刷破壞模式的分析也有助于深化對水閘等穿堤建筑物接觸沖刷破壞模式的認(rèn)識。

涵管工程設(shè)計除滿足一般技術(shù)要求外，應(yīng)從接觸沖刷破壞模式分析入手，高度重視在適宜部位設(shè)置反濾排水；應(yīng)嚴(yán)格控制涵管基礎(chǔ)和接縫處理、周圍土體壓實質(zhì)量，避免后期出現(xiàn)不均勻沉降、裂縫或滲流通道。需加強日常巡視檢查和應(yīng)急管理，一旦發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，及時采取導(dǎo)滲、反濾壓蓋、灌漿截滲等措施，控制險情進一步發(fā)展。