(1.重慶三峽學院 土木工程學院，重慶 404100；2.武漢大學 水利水電學院， 武漢430072；3.河海大學 環(huán)境學院，南京 210098)

管涌是指地基土體在滲流作用下，填充在土體骨架中的細顆粒被滲流水帶走并形成集中滲流通道的地質(zhì)現(xiàn)象。大量洪災(zāi)資料表明，在大堤洪災(zāi)中，管涌險情數(shù)量最多，分布范圍廣，且易誘發(fā)重大險情，甚至導致大堤潰口，是江河大堤在汛期危害最大的險情之一[1]。1998年，長江干流和洞庭湖區(qū)堤防分別出現(xiàn)險情698和626處，其中,管涌分別為366和343處，分別占52.44%、54.79%[2]。因此，研究堤基上覆土層管涌破壞的發(fā)生、發(fā)展及破壞機理，優(yōu)化管涌的預(yù)防及治理措施具有重大意義。由于江河上的堤壩工程多坐落于雙層堤基上，學者們意識到有必要針對雙層堤基管涌破壞進行研究。通過有限元、離散元等數(shù)值模擬軟件或砂槽模擬試驗研究管涌破壞過程及機理，如羅玉龍等[3]、陳建生等[4]、李廣信等[5]、梁越等[6]借助砂槽模擬試驗分別觀察了管涌的破壞過程，通過分析試驗中的參量研究管涌的破壞機理。胡亞元等[7]、陳生水等[8]、周曉杰等[9]、周健等[10]、劉昌軍等[11]分別采用Galerkin、FEG、PFC3D、GWSS等數(shù)值模擬軟件建立雙層堤(壩)基管涌動態(tài)破壞過程，得出管涌破壞與堤身長度、各層堤基的厚度、堤壩兩側(cè)水頭差的關(guān)系。此外，美國[12]、日本[13]、德國[14]、荷蘭[15]等國學者也針對雙層堤基的管涌機理進行試驗研究，并取得部分成果。但上述學者們主要研究對象為單、雙和多層堤基，目前針對局部區(qū)域存在埋藏較淺的強透水層的堤基管涌破壞過程及機理的研究還較少見。經(jīng)大量調(diào)查資料顯示，堤基中局部區(qū)域含有淺層強透水層的情況亦較為普遍，如長江中下游堤防[5]、珠江的北江大堤[16]、江西省九江市城防堤、湖南省安造垸堤防、湖北省孟溪垸堤防、湖北省簰洲灣堤防[17]、湖北洪山武金堤和安徽魯港大堤[18]，亟待深入研究。

以局部存在淺層強透水層的砂土堤基為研究對象，借助室內(nèi)砂槽模型試驗，觀察堤基管涌破壞的過程，并通過篩分試驗和靜力觸探試驗探討研究管涌破壞的機理，從而提出防治方案及治理措施。

1 材料與方法

1.1 材料特性

室內(nèi)管涌試驗共計3種材料：砂卵礫石、砂土、聚乙烯透明塑料紙，其中砂卵礫石和砂土構(gòu)成局部區(qū)域含有淺層強透水層的堤基結(jié)構(gòu)，垂直防滲體和堤身采用聚乙烯透明塑料紙代替。土體均取自長江堤防重慶萬州段左岸，經(jīng)室內(nèi)篩分試驗，作砂卵礫石和砂土的顆粒級配曲線，如圖1所示。

圖1 砂卵礫石和砂土的顆粒級配曲線Fig.1 The grading curve of sand and cobble and

通過烘干法測得土體的含水率、干密度，將土樣的基本物理性質(zhì)指標列入表1。

表1 試驗用土的基本物理性質(zhì)指標Table 1 Basic physical property indexes of soil used in test

由表1可知，砂土和砂卵礫石的滲透系數(shù)分別為5.07×10-5m·s-1、5.18×10-3m·s-1，砂卵礫石的滲透系數(shù)為砂土的102.17倍，砂土為相對弱透水層，砂卵礫石為相對強透水層(下文簡稱強透水層)。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗裝置 試驗裝置用于模擬局部含有淺層強透水層的堤基滲流過程，觀察管涌破壞過程和研究該特定堤基的管涌破壞機理。砂槽模型試驗布置如圖2所示。

圖2 砂槽模型試驗布置圖Fig.2 Arrangement plan of sandbox model

由圖2可得，試驗裝置由砂槽、測壓板、高位水塔組成。砂槽由透明的有機玻璃板和角鋼構(gòu)成，試驗砂槽呈“鞋形”，左端為水箱，高于右端。砂槽為長100 cm，寬30 cm，左端高90 cm，右端高50 cm，將砂槽底部高程記為±0 cm。砂土和砂卵礫石分層填筑，構(gòu)成含有局部淺層強透水層的地基，砂卵礫石厚度為15 cm，砂卵礫石底部高程為5 cm，距離砂槽右壁25 cm。砂卵礫石上覆砂土層厚度為8～20 cm。聚乙烯透明塑料紙深入堤基中，底端高程為20 cm，頂端與水箱側(cè)壁相連接。

高位水塔蓄水量為0.85 m3，借助進水管向左端水箱引水，模擬河堤靠近河道一側(cè)的河流水位。水箱的側(cè)壁上設(shè)置了水位調(diào)節(jié)管，高程為40 cm。砂槽右端設(shè)置有排水管，高程為40 cm，為避免在排水過程中將表層細砂帶走，排水管用紗布包裹。砂槽中布置22個多孔進水型鋁管測壓計，并與測壓管相連接，得出各監(jiān)測點的孔隙水壓力值[10]。測壓監(jiān)測點的編號分別為A1-A4、B1-B4、C1-C4、 D1-D4、E2-E3、 F1-F4。

水箱水位h分別為42～60 cm，每隔2 cm設(shè)置一水頭，共計10個。試驗主要觀察含有局部淺層強透水層堤基的管涌破壞過程，研究堤基管涌破壞機理，不考慮堤身的滲流，堤身用聚乙烯透明塑料紙和有機玻璃板代替。水位調(diào)節(jié)管和進水管共同調(diào)控水箱的水位。測壓管中滴入紅色試劑，便于精確讀數(shù)。

1.2.2 試驗步驟

1)布置垂直防滲體。采用透明膠水將聚乙烯透明塑料紙兩側(cè)固定在水箱側(cè)壁，并用透明膠帶加固，防止接縫處滲漏。

2)堤基填筑及多孔鋁管測壓計的安裝。堤基填筑通過干密度、土料含水率控制，按照圖2(a)所示進行分層壓實；填筑過程中，在22個測壓監(jiān)測點安裝多孔進水型鋁管測壓計。

3)蓄水及測壓管排氣。打開進水閥，開始蓄水，將水箱調(diào)控至預(yù)設(shè)水位。讀數(shù)前應(yīng)將測壓管(透明橡膠管、硬塑料管)中的氣泡排凈，精確讀數(shù)。

4)讀數(shù)。通過燒杯量測排水管的流量(即滲流量)。為減小孔隙水壓力讀數(shù)誤差，進行多次讀數(shù)，求取均值。同理，讀取3次測壓監(jiān)測點的水頭，求取平均值。

5)觀察滲透管涌破壞過程。觀察上覆砂層滲透破壞的發(fā)生及發(fā)展，借助高清照相機拍攝強透水層上覆砂土在各水頭下的滲流情況。

6)試驗對比分析。取A點區(qū)域的砂土進行靜力觸探試驗和顆粒篩分試驗，測出錐頭阻力和各粒徑砂土所占的百分比。

7)多次測量點A的高程，求取平均值。

8)改變水箱水位h，重復步驟1)～7)。

2 理論計算及試驗結(jié)果

2.1 理論計算

采用Koenders模型為理論基礎(chǔ)，基于工程實際和物理模型，發(fā)展了Sellmeijer的模型，推導得出臨界水力梯度公式見式(1)。

(1)

(2)

式中：Hcrit為臨界水頭；L為滲流長度；γp為土粒重度；γw為水的重度；θ為休止角；d為土顆粒平均粒徑；k為滲透系數(shù)；η為阻力系數(shù)。

將式(2)帶入式(1)可得

(3)

試驗中，L取75 cm，γp取28.7 kN/m3，γw取9.8 kN/m3，θ取35°，d取0.42 mm，k取5.07×10-5m·s-1，將參數(shù)帶入式(3)，計算得到砂土的臨界水力梯度ic=0.152。

2.2 試驗結(jié)果

試驗中采用逐級升高水箱水位的方式來驅(qū)動滲流及滲透破壞的發(fā)生過程，從42 cm一直增大至60 cm，觀察滲流現(xiàn)象。當在該級水頭下滲流穩(wěn)定后，再抬高至下一級水頭進行試驗，每次抬升2 cm。根據(jù)滲流量和各測壓管讀數(shù)是否發(fā)生變化，判定堤基滲流是否達到穩(wěn)定狀態(tài)。當各級水頭達到穩(wěn)定狀態(tài)下，記錄各級水位值、測壓管讀數(shù)和堤基滲流量，將結(jié)果列入表2。J為平均滲透比降J=h/L，式中L為最短滲徑，即為管涌口到進水面的最短距離，試驗中L取75 cm。

表2 滲流量Q及滲透坡降JTable 2 Seepage discharge and seepage gradient

3 試驗現(xiàn)象分析

借助高清照相機對管涌發(fā)生前、管涌發(fā)展過程進行拍照，利用圖像觀察細砂顆粒在砂土顆粒間的移動現(xiàn)象，各水位下拍攝得到的典型圖像如圖3所示。

圖3 表層砂土管涌圖Fig.3 The piping graph of medium sand on surface

由圖3可得，砂土層滲流過程可以分為幾個階段：

1)穩(wěn)定滲流階段(42 cm≤h<48 cm)，如圖3(a)所示。在該階段A點的滲透坡降從0.034逐漸升高至0.133，小于砂土的臨界水力梯度ic=0.152。滲流初期砂土表層有渾水冒出，在砂土顆粒骨架間有氣泡在移動，一些細小的粉土顆粒隨著滲流水移出土體骨架顆粒，15 min后滲水逐漸清澈。將水箱水位升高至48 cm時，A處砂土骨架顆粒間有細小砂粒開始出現(xiàn)輕微的翻滾，但由于滲透坡降較小，細顆粒并未隨滲流水流走。

2)細顆粒流失階段(48 cm≤h<52 cm)，如圖3(b)所示。A點的滲透坡降由0.166升高至0.199，JA大于臨界水力梯度ic=0.152，砂層發(fā)生管涌破壞，管涌范圍相對較小，靠近強透水層的砂土中的細顆粒在滲透力的作用下翻滾“沸騰”，細顆粒隨滲水從管涌口逐漸流失。從圖3不難看出，靠近砂卵礫石表層的砂土僅剩下粗顆粒，能清晰的反映出砂土層的骨架顆粒。

3)較細顆粒流失階段(52 cm≤h<58 cm)，如圖3(c)所示。A點的滲透坡降在上一階段的基礎(chǔ)上進一步增大至0.289，從圖中清晰可見，管涌通道呈“V”型，較細顆粒隨著滲水進一步流失，砂土骨架顆粒與砂卵礫石層聯(lián)通成一優(yōu)先滲流通道。

4)管涌破壞擴大階段(58 cm≤h≤60 cm)，如圖3(d)所示。滲透坡降升高到0.331，為臨界水力梯度的2.18倍。對比圖3(c)和圖3(d)可得，在該水利梯度下管涌破壞范圍進一步擴大，管涌破壞仍呈現(xiàn)“V”型。

4 堤基滲流場與顆粒級配分析

4.1 堤基滲流場分析

通過燒杯量測排水管的流量，即得到堤基滲流量，作滲流量隨水箱水位的變化曲線如圖4所示。

圖4 堤基滲流量隨水箱水位的變化曲線Fig.4 The change curve of seepage discharge of dike foundation under different water block

當處于穩(wěn)定滲流階段(H-I)時，滲流量很小，流速緩慢，隨上游水頭的上升呈線性增長，經(jīng)擬合Q隨h變化的函數(shù)表達式為：Q=0.267h-10.65，可見在穩(wěn)定滲流階段其滲透系數(shù)未發(fā)生改變。隨著水箱水位進一步升高，砂土層發(fā)生管涌破壞，滲流進入細顆粒流失階段(I-J)，滲流量突然增大，偏離H-I階段的線性函數(shù)，砂土的滲透系數(shù)明顯增大。

最后進入較細顆粒流失階段(J-K)和砂層管涌破壞擴大階段(K-L)。在后3個階段中，滲透系數(shù)相比穩(wěn)定滲流階段都有較為明顯的增大趨勢，Q隨h變化的函數(shù)表達式分別為：Q=0.505h-22.034、Q=0.65h-29.6、Q=0.75h-35.4。

根據(jù)測壓管水頭(多次讀數(shù)求取平均值)計算得出圖2(a)中點A的滲透坡降JA，作滲透坡降JA隨水箱水位h的變化曲線如圖5所示。

由圖5可得，滲透坡降JA隨水箱水位h的變化規(guī)律同圖4一致，同樣分為滲流穩(wěn)定階段、細顆粒流失階段、較細顆粒流失階段、砂層管涌擴大階段，各階段近似呈線性變化，其表達式分別為：JA=0.016h-0.624、JA=0.03h-1.3、JA=0.038 6h-1.738、JA=0.055h-2.685；每一階段的變化規(guī)律在此不再贅述。

圖5 滲透坡降隨水箱水位的變化曲線Fig.5 The change curve of seepage gradient of dike foundation under different water block

4.2 管涌處砂土顆粒級配分析

第3節(jié)已經(jīng)針對試驗過程的現(xiàn)象進行了詳細描述，4.1小節(jié)中針對滲流量Q和砂土表層A點處的滲透坡降JA進行分析，分析得到在滲流穩(wěn)定階段未發(fā)生滲透破壞，隨著水箱水位的升高，表層砂土逐漸發(fā)生管涌破壞。由此可知，滲透系數(shù)的增大導致滲流量增加，砂土骨架顆粒間的間隙決定了滲透系數(shù)的大小。在不同水箱水頭下，取A點附近區(qū)域的砂土層進行篩分試驗，將結(jié)果列入表3。

表3 砂土各粒徑所占百分比Table 3 The percentage of particle size sand

基于表3中各粒徑砂土所占百分比，作 A點處砂土在試驗前后的顆粒級配曲線，如圖6所示。

圖6 試驗前后砂土的顆粒級配曲線Fig.6 The grading curve of sand before and after the

結(jié)合表3和圖6可得，當?shù)袒幱诜€(wěn)定滲流階段(42 cm≤h<48 cm)時，0.034≤J<0.128，J

當?shù)袒幱诩氼w粒流失階段(48 cm≤h<52 cm)時，0.128≤J<0.247，超過允許值，在該階段隨著水箱水位的升高，逐漸發(fā)生管涌破壞，由表2和圖6可得0.05

同理，當?shù)袒幱谳^細顆粒流失階段(52 cm≤h<58 cm)，0.247≤J<0.476，對比曲線2和曲線3可得，0.075

5 堤基應(yīng)力場分析

5.1 錐頭阻力分析

錐頭阻力在靜力觸探試驗中扮演重要角色，通過錐頭阻力能獲得巖土體力學參數(shù)，能表征土體的級配狀況。采用靜力觸探試驗獲取試驗前后砂土層的錐頭阻力值，作砂土層錐頭阻力隨深度的變化如圖7所示。

圖7 管涌前后砂土的錐頭阻力Fig.7 Cone resistance of sand before and after

砂土屬粗顆粒土，沒有內(nèi)聚力，其抗剪強度的大小主要取決于內(nèi)摩擦角，錐頭阻力的表達式為

qc=σv0Nq

(4)

式中：σvo為土層上覆壓力,kPa，和土層的深度有關(guān);σvo=γh;Nq為對砂土的無量綱錐頭阻力系數(shù)。

由圖7可得，各階段下砂層的錐頭阻力都隨著貫入深度的增加而增大，同式(4)的規(guī)律相符。對比各階段的錐頭阻力的變化規(guī)律可得，隨著管涌破壞的發(fā)展，砂土骨架顆粒間的細顆粒逐漸流失，錐頭阻力逐漸變小。由此可見，由于管涌破壞，砂土層中的細顆粒被帶走，土體顆粒間的相互作用力發(fā)生改變，錐頭阻力下降。

5.2 管涌處砂土沉降分析

隨著水箱水位的升高，A點區(qū)域砂土的滲透坡降隨之增大，砂土層逐漸發(fā)生管涌破壞，改變砂土骨架顆粒的應(yīng)力狀態(tài)，A點高程逐漸減小，作點A的高程隨水箱水位的變化曲線，如圖8所示。

圖8 點A的高程隨水箱水位的變化曲線Fig. 8 The change curve of elevation of point A under different water block

由圖8可得，在各階段A點高程隨水箱水位變化的規(guī)律一致，都是隨著水箱水位的升高而降低，總沉降為8.67 cm。但也存在不同，其沉降速度存在明顯的區(qū)別，1～4階段的沉降量分別為：1.97、1.82、3.53、1.35 cm，分別占總沉降的22.72%、20.99%、40.72%、15.57%。由此可見，管涌出口處砂層的主要沉降發(fā)生在較細顆粒流失階段。

6 結(jié)論與建議

1)局部淺層強透水層易形成優(yōu)先滲流通道，其上覆較薄砂土層易被“擊穿”，即發(fā)生管涌破壞。管涌破壞分為穩(wěn)定滲流階段、細顆粒流失階段、較細顆粒流失階段、管涌破壞擴大階段；其中,穩(wěn)定滲流階段無砂顆粒流失，后3個階段分別流失0.05

2)隨著管涌破壞的發(fā)展，砂土中的細顆粒流失，砂土滲透系數(shù)上升，滲流量和滲透坡降快速增大，且在各階段近似呈線性變化；錐頭阻力逐漸變小，砂土層發(fā)生沉降，且最大沉降發(fā)生在較細顆粒流失階段。

堤基中若存在強透水層時，應(yīng)給予足夠的重視，采取增大防滲墻深度截斷強透水層或設(shè)置反慮等措施，防止發(fā)生管涌破壞。

參考文獻：

[1] 張剛. 管涌現(xiàn)象細觀機理的模型試驗與顆粒流數(shù)值模擬研究[D]. 上海：同濟大學, 2007.

ZHANG G. Research on meso-scale mechanism of piping failure by means of model test and PFC numerical simulation [D]. Shanghai:Tongji University, 2007. (in Chinese)

[2] 王霜, 陳建生, 黃德文, 等. 土層結(jié)構(gòu)對管涌發(fā)展影響的試驗研究[J]. 巖土工程學報, 2013, 35(12): 2334-2341.

WANG S, CHEN J S, HUANG D W, et al. Experimental study on piping development considering effect of foundation structure[J]. Chinese Journal of Geotechical Engineering, 2013, 35(12): 2334-2341. (in Chinese)

[3] 羅玉龍, 吳強, 詹美禮, 等. 滲流-侵蝕-應(yīng)力耦合管涌試驗裝置的研制及初步應(yīng)用[J]. 巖石力學與工程學報, 2013, 32(10): 2108-2114.

LUO Y L, WU Q, ZHAN M L, et al. Development of seepage-erosion-stress coupling piping test appartus and its parimary application[J]. Chinese Journal of Rock, Mechanics and Engineering, 2013, 32(10): 2108-2114. (in Chinese)

[4] 陳建生, 何文政, 王霜, 等. 雙層堤基管涌破壞過程中上覆層滲透破壞發(fā)生發(fā)展的試驗與分析[J]. 巖土工程學報, 2013, 35(10): 1777-1783.

CHEN J S, HE W Z, WANG S, et al. Laboratory tests on development of seepage failure of overlying layer during piping of two-stratum dike foundation [J]. Chinese Journal of Geotechical Engineering, 2013, 35(10): 1777-1783. (in Chinese)

[5] 李廣信, 周曉杰. 堤基管涌發(fā)生發(fā)展過程的試驗?zāi)M[J]. 水利水電科技進展, 2005, 25(6): 21-24.

LI G X, ZHOU X X. Laboratory simulation on generation and evolution of piping in embankment foundation [J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2005, 25(6): 21-24. (in Chinese)

[6] 梁越, 陳亮, 陳建生. 考慮流固耦合作用的管涌發(fā)展數(shù)學模型研究[J]. 巖土工程學報,2011,33(8):1265-1270.

LIANG Y, CHEN L, CHEN J S. Mathematical model for piping development considering fluid-solid interaction [J]. Chinese Journal of Geotechical Engineering, 2011, 33(8):1265-1270. (in Chinese)

[7] 胡亞元, 馬攀. 三相耦合滲流侵蝕管涌機制研究及有限元模擬[J]. 巖土力學, 2013, 34(4): 913-921.

HU Y Y, MA P. Mechanism study and finite element simulation of three-phase coupling seepage erosion piping [J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(4): 913-921. (in Chinese)

[8] 陳生水, 鐘啟明, 任強. 土石壩管涌破壞潰口發(fā)展數(shù)值模型研究[J]. 巖土工程學報,2009,31(5):653-657.

CHEN S S, ZHONG Q M, REN Q. Numerical study on break development due to piping failure for earth-rock dams[J]. Chinese Journal of Geotechical Engineering, 2009, 31(5): 653-657. (in Chinese)

[9] 周曉杰, 介玉新, 李廣信. 基于滲流和管流耦合的管涌數(shù)值模擬[J]. 巖土力學,2009,30(10):3154-3158.

ZHOU X J, JIE Y X, LI G X. Numerical simulation of piping based on coupling seepage and pipe flow[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(10): 3154-3158. (in Chinese)

[10] 周健, 周凱敏, 姚志雄, 等. 砂土管涌-濾層防治的離散元數(shù)值模擬[J]. 水利學報, 2010, 41(1): 17-24.

ZHOU J, ZHOU K M, YAO Z X, et al. Numerical simulation of piping-filter prevention in sandy soil by discrete element method[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2010, 41(1): 17-24. (in Chinese)

[11] 劉昌軍, 丁留謙, 孫東亞, 等. 雙層堤基管涌模型試驗尺寸效應(yīng)的數(shù)值模擬[J]. 巖石力學與工程學報, 2012, 31(Sup1): 3110-3116.

LIU C J, DING L Q, SUN D Y, et al. Numerical simulation of size effect in piping erosion model test for double-startum dike foundations[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(Sup1): 3110-3116. (in Chinese)

[12] SCHMERTMANN J H. No-filter factor of safety against piping through sands[J]. Geotechnical Special Publication,2000,111:65-132.

[13] KOHNO I, NISHIGAKI M, TAKESHITAY. Levee failure caused by seepage and preventive[J]. Natural Disaster Science, 1987, 9(2): 55-76.

[14] MULLER-KIRCHENBAUER H, RANKL M, SCHLOTZER C. Mechanism for regressive erosion beneath dams and barrages [C]// Proceefings of the 1st International Conference on Filters in Geotechnical and Hydraulic Engineering. Balkema, Rotterdam, Netherlands:[s.n.], 1993: 369-376.

[15] DE WIT J M, SELLMEIJER J B, PENNING A.Laboratory testing on piping[C]// Proceedings of the 10th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Stockholm, Sweden:[s.n.], 1981: 517-521.

[16] 劉杰, 謝定松, 崔亦昊. 江河大堤雙層地基滲透破壞機理模型試驗研究[J]. 水利學報, 2008, 39(11): 1211-1220.

LIU J, XIE D S, CUI Y H.Failure mechanism of seepage in levees with double-layer foundation[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2008, 39(11): 1211-1220. (in Chinese)

[17] 姚秋玲, 丁留謙, 孫東亞, 等. 單層和雙層堤基管涌砂槽模型試驗研究[J]. 水利水電技術(shù), 2007, 38(2): 13-18.

YAO Q L, DING L Q, SUN D Y, et al. Experinental studies on piping in single and two-stratum dike foundations [J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2007, 38(2): 13-18. (in Chinese)

[18] 陳祖煜. 對長江干堤加固工程中一些問題的思考[J]. 水利水電科技進展, 2003, 23(4): 4-7.

CHEN Z Y. Reflection on some problems in Yangtze River embankment reinforcement project [J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2003, 23(4): 4-7. (in Chinese)