曹文振，倪小東

(1.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098；2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.河海大學巖土工程研究所，江蘇 南京 210098)

大量的洪澇災害資料表明，堤基管涌是江河大堤在汛期的主要險情之一，其不僅發(fā)生的數(shù)量多而且分布范圍廣，重要的是易于誘發(fā)潰堤險情。98洪水之中，長江中下游堤防堤基較大險情中，52.4%是管涌，占各種險情之首。由于土體的復雜性及多樣性，使得滲透變形產(chǎn)生、發(fā)展過程也極為復雜并具有隨機性。河道堤防得不到有效加固，以至于每年都不得不在汛期投入大量的人力、物力和財力，長期以來由于管涌引起的壩體破壞及堤防潰決給社會造成了重大損失。據(jù)水力部統(tǒng)計資料顯示，質(zhì)量問題是造成壩體失事的主要原因，其占比為42.5%，由質(zhì)量導致的潰壩案例中，管涌占比超過60%。侵蝕性內(nèi)管涌發(fā)生的水力及幾何條件是當前研究的熱點和難點，現(xiàn)有的研究表明，管涌發(fā)生的水力條件與級配、細料含量、應力狀態(tài)等多因素相關(guān)，然而具體關(guān)系如何目前尚未形成統(tǒng)一結(jié)論。當前針對侵蝕型內(nèi)管涌機理研究尚處于探索階段，十三五期間，我國將在金沙江、雅魯藏布江、雅礱江、大渡河、烏江等流域的深厚覆蓋層上建設更多大型水電工程，這些區(qū)域地層的共同特點是具有深厚覆蓋層，在高水力條件下，侵蝕型滲透破壞對于堤基穩(wěn)定是高壩建設需要特別關(guān)注的科學問題，因而加強對侵蝕型內(nèi)管涌的研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外關(guān)于管涌的研究主要從理論分析、數(shù)學模型、數(shù)值模擬和物理模型等方面展開。一方面，大多數(shù)的研究人員采取室內(nèi)試驗，因為現(xiàn)場的試驗常常被大面積的破壞偽裝起來不易發(fā)現(xiàn)，而室內(nèi)試驗原理簡單明了，現(xiàn)象十分直觀。潛在內(nèi)管涌土體的組成不均勻性導致其內(nèi)部應力傳遞機制極為復雜，影響因素十分復雜，研究人員常采用室內(nèi)試驗針對某一因素進行試驗研究。為了進一步揭示內(nèi)管涌機理，學者們結(jié)合相關(guān)先進技術(shù)，從可視化領(lǐng)域進行了積極嘗試。另一方面，數(shù)值模擬在管涌的研究中，以其獨有的特點，起著愈來愈重要的作用。本文將從管涌數(shù)值分析、管涌影響因素研究和內(nèi)管涌發(fā)生機制可視化研究三個方向?qū)苡垦芯楷F(xiàn)狀進行詳細的歸納和評價。

1.1 管涌數(shù)值模擬研究

早期，囿于技術(shù)手段的限制，研究人員多采用基于連續(xù)介質(zhì)方法來模擬管涌，朱偉(1999)等[1]結(jié)合日本阿武隈川的地基滲漏防治工程中遇到的問題，應用有限元飽和-非飽和滲流解析，對地基滲透破壞發(fā)生機制及其影響因素做了分析和討論；張家發(fā)(2000)[2]針對長江中下游堤防工程現(xiàn)狀概化出典型條件，采用有限元數(shù)值模擬方法對堤身堤基滲流場進行了模擬計算。即便當前，該方法及其改進方法在管涌研究中仍占有一席之地，如徐有緣(2007)[3]利用大型通用有限元分析軟件ANSYS為平臺，分析了管涌的滲流場問題，并關(guān)于進一步工作的方向進行了簡要的討論；周紅星(2011)[4]依據(jù)對滲透破壞發(fā)展實質(zhì)的認識，并基于破壞區(qū)域相對整個區(qū)域較小的特點，采用二維軸對稱有限元分析土體滲流場，并引入擴展有限元法對覆蓋層的破壞進行了數(shù)值模擬；劉昌軍等(2012)[5]針對堤基管涌侵蝕破壞過程的復雜滲流場模擬問題，采用無單元galerkin法研究管涌動態(tài)發(fā)展過程及機理；任鶴等(2015)[6]將自然單元法用于管涌發(fā)展過程的模擬，以替換原先的EFG方法，相對于無網(wǎng)格伽遼金法(EFG)，自然單元法的形函數(shù)符合Kronecker條件，能夠更準確地施加邊界條件等。

侵蝕型內(nèi)管涌發(fā)生的本質(zhì)是顆粒在孔隙通道中的運移，顆粒離散元法源于基于分子動力學，其基本研究單元是離散的顆粒，顯然，將該方法運用于管涌模擬分析更具針對性，因此越來越多的學者嘗試采用顆粒離散元法以進行管涌機理研究，相應獲得了許多積極的成果。

Kenichi等(2006)[7]采用DEM開展內(nèi)管涌研究，分析顯示：針對不同GSD曲線試樣，細顆粒流失后，即使邊界應力狀態(tài)保持恒定，構(gòu)成力鏈網(wǎng)絡的細觀顆粒結(jié)構(gòu)仍將發(fā)生改變。

倪小東(2014)[8- 9]考慮流體作用，利用顆粒流軟件PFC，建立非穩(wěn)定流作用下管涌發(fā)生、發(fā)展數(shù)值分析方法(圖1為非穩(wěn)定流作用下管涌的數(shù)值模擬滲透破壞模型示意圖)；揭示薄弱區(qū)對滲透變形的影響機制，并基于滲透變形顆粒運移基本特征，依托顆粒流特質(zhì)，建立統(tǒng)一達西-非達西流態(tài)的相似準則，并提出多尺度、宏細觀三維離散-連續(xù)耦合方法。

圖1 破壞模型示意圖

張剛(2007)[10]在其所開展室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，利用并開發(fā)PFC2D和PFC3D計算軟件，對管涌現(xiàn)象形成與發(fā)展過程中土顆粒的移動規(guī)律以及水流在土體孔隙中的過程進行細觀仿真模擬(圖2為PFC2D管涌模擬試樣)。并與堤防工程中的管涌險情實例結(jié)合以進行分析研究，為預測和治理管涌險情提供理論支持。

圖2 PFC2D管涌模擬試樣

圖3 均勻顆粒接觸沖刷模型a

常利營等(2016)[11]對五組由均勻顆粒組成的土層間的接觸沖刷現(xiàn)象進行了顆粒流數(shù)值模擬(均勻顆粒接觸沖刷模型a長為7mm、寬5mm、高7mm，中細粒層高度為2mm，模型a如圖3所示)，從細觀角度研究了接觸沖刷的發(fā)生機理。由數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)生了接觸沖刷時，細顆粒與粗顆粒之間的位移關(guān)系。

李曉慶等(2017)[12]為了研究具有不同級配特征的管涌型土(連續(xù)級配、間斷級配)對管涌機理的影響，基于顆粒流理論和流固耦合效應，利用PFC3D程序內(nèi)置的FISH語言編程，建立了基土-濾層滲流模型，分別進行不同層間系數(shù)情況下的系列數(shù)值模擬試驗，得到基土-濾層滲濾系統(tǒng)的層間系數(shù)值在最優(yōu)范圍時，土壤具有較好的保土性與透水性，連續(xù)級配特征的基土自反濾能力較強等結(jié)論。

為對管涌過程中的滲流場進行精細模擬，Sibille Luc等(2015)[13]采用全耦合的離散元素格波耳茲曼方法(DEM-LBM)對滲流和管涌侵蝕進行了分析(圖4為數(shù)值模擬的示意圖)，采用離散元法描述了固體顆粒相間的粒子間相互作用，利用格玻爾茲曼方法求解了水的動力學問題。數(shù)值模擬的結(jié)果表明，該固相的內(nèi)部侵蝕可以從水力剪應力或由滲流所消耗的能量來描述。

圖4 數(shù)值模型示意圖

圖5 CFD-DEM建立的模型

JunliangTao，Ph.D等(2017)[14]采用耦合計算流體動力學(CFD)和離散元法(DEM)對影響管道阻力的比重、初始孔隙比、粒徑分布(PSD)、砂樣的縱橫比、摩擦系數(shù)進行了重新研究(圖5為用CFD-DEM建立的模型)，與已有文獻的試驗結(jié)果比較吻合，并為太沙基理論的實驗結(jié)果偏差提供了實證解釋。并在數(shù)值分析結(jié)果的啟發(fā)下，建立了考慮了摩擦阻力的管涌理論模型。

Y.Guo，S.M.等(2017)[15]利用耦合的CFD-DEM方法，測試和比較了具有不同高寬比的球形顆粒和非球形顆粒(圖6)，由模擬結(jié)果得出：顆粒的角度(grain angularity)對侵蝕阻力的形成起著重要的作用。分析得出砂粒形狀對土壤侵蝕性的影響。

圖6 數(shù)值模擬中不同粒子的形狀

顆粒離散元法因為可以模擬離散顆粒，最早被學者們使用在模擬土的受力情況，但并未直接運用于侵蝕型內(nèi)管涌的研究中。內(nèi)管涌是涉及土體與流體相互作用的現(xiàn)象，早期研究者通過對分析對性進行一定的簡化，成功將其運用于內(nèi)管涌的研究中，取得了一系列的成果，但對滲流場求解仍有不足，無法實現(xiàn)固液兩相間相互作用的精細模擬，使得試驗結(jié)果存在一定誤差。為了實現(xiàn)固液兩相間相互作用的精細模擬，當前學者們多依托聯(lián)合顆粒流與其他流體分析方法對管涌進行研究，此為當前從細觀層面開展精細化研究管涌的趨勢。

1.2 針對管涌影響因素開展的室內(nèi)試驗

管涌的發(fā)展是個非常復雜的過程，涉及多種因素，管涌破壞的發(fā)生發(fā)展過程實質(zhì)上是土體內(nèi)部滲流場、應力場和應變場的多相多場耦合過程，目前尚未完備且被公眾接受的物理模型試驗方案。研究者們分別從各個方面針對管涌進行了室內(nèi)模型試驗。

(1)針對管涌通道

趙輝(2013)[16]對堤基截面管涌通道沖刷擴展進行了深入的研究，設計制作了砂槽模型箱(圖7)，針對沖刷因素及出溢因素在管涌通道擴展中的作用分別開展了定量試驗研究；針對沖刷、出溢兩種因素對管涌通道沖刷擴展的影響規(guī)律做了分類歸納，總結(jié)得到了管涌通道沖刷擴展的表象規(guī)律。

圖7 設計制作的試驗砂槽示意圖

圖8 流速、滲透力影響試驗模型的示意圖

賈愷等(2014)[17]采用兩個砂槽模型如圖8所示，試驗研究沖刷水流和邊壁滲流力的不同組合對管涌通道擴展的影響，并且基于一維滲流試驗揭示了滲流溢出面附近的實際坡降遠小于平均坡降的現(xiàn)象。研究獲得了沖刷和滲透力對通道擴展的影響規(guī)律，并進而提出采用滲流力有效比以簡化相關(guān)問題分析。

曹洪等(2017)[18]考慮到管涌通道四周破壞擾動松散層的影響，通過一維滲流作用下的滲透試驗研究了臨空面表層土體的松散過程和它的滲透特性變化情況，通過分析試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象揭示了管涌通道邊壁松散層對管涌發(fā)展的積極影響，這對管涌發(fā)展機制的認識至關(guān)重要。

(2)針對上覆層

陳震宇等(2007)[19]在砂槽模型試驗中，在二元堤基條件下，用水泥砂漿、陶泥、膨潤土和水袋壓重等一些不同剛度的材料模擬覆蓋層進行試驗，結(jié)果表明，不同材料的試驗現(xiàn)象有一定的區(qū)別，其中水袋壓重得到的試驗現(xiàn)象與堤防的管涌破壞現(xiàn)象最為接近。(文獻中并未提及原因)

梁越等(2010)[20]利用室內(nèi)試驗對剛性上覆層(完全不變形)和柔性上覆層(始終協(xié)調(diào)變形)兩種極端情況進行模擬，通過對試驗過程土體的破壞情況、涌砂量、滲流量等數(shù)據(jù)的分析后發(fā)現(xiàn)，柔性上覆層的抗?jié)B破壞能力要高于剛性上覆層，并建議在以后的建設中多增加柔性上覆層。

何海清等(2015)[21]對堤基管涌的發(fā)展與上覆黏土的關(guān)系進行了研究，在室內(nèi)模擬雙層堤基進行試驗，發(fā)現(xiàn)上覆黏土的厚度會提高臨界水力梯度，但管涌發(fā)展速度卻加快，根據(jù)涌砂規(guī)律通過假定通道寬度反演出管涌通道的發(fā)展過程，闡明了上覆黏土層對試驗過程中的出現(xiàn)間斷性涌砂的影響。

(3)針對顆粒組成

Mandie S.Fleshman等(2014)[22]為了評估砂土中管涌侵蝕過程的機理，在不同的等級(gradation)、晶粒大小、顆粒形狀和比重下的土樣中進行室內(nèi)模型試驗，對試驗過程進行觀察和監(jiān)測，將觀測到的行為與樣品中測量的孔隙壓力狀態(tài)聯(lián)系起來，建立了管涌發(fā)展力學模型。

Mohamed Elkholy等(2015)[23]為了研究土壤組成對土堤管涌的影響，在試驗室砂槽中，用不同的砂、粉砂和粘土混合料建造了堤壩，并且利用邊緣檢測算法的圖像處理技術(shù)進行研究，結(jié)果表明，粘土含量對侵蝕速率有顯著影響，并提出了一種基于時間函數(shù)和土壤侵蝕系數(shù)的指數(shù)方程來估計侵蝕深度。

姚志雄等(2015)[24]為了研究顆粒級配對管涌發(fā)生發(fā)展的影響，揭示管涌細觀機理，利用自行設計的模型槽(圖9)對不同顆粒級配進行垂直滲流下的模型試驗，揭示了不同顆粒級配對管涌的影響，并提出要判別缺失中間粒徑的管涌型砂土是否會發(fā)生滲透破壞及其臨界水力梯度大小，除了采用經(jīng)典公式或經(jīng)驗曲線判斷外，還需要針對實際土體情況進行更進一步的試驗。

圖9 自行設計的模型槽

陳建生等(2017)[25]利用室內(nèi)試驗砂槽，通過改變堤基的細顆粒含量，對含有懸掛式防滲墻的雙層堤基管涌破壞進行了模擬，闡明了堤基細顆粒含量的變化對含有懸掛式防滲墻的雙層堤基管涌發(fā)展與破壞的影響。

內(nèi)管涌發(fā)生、發(fā)展過程受顆粒組成、顆粒分布、密實度、應力條件影響顯著，存在動態(tài)耦合效應。目前已經(jīng)建立了一些物理模型，但相關(guān)模型僅能考慮影響內(nèi)管涌的某一因素，無法綜合考慮管涌通道、上覆層、顆粒組成等因素對管涌的影響。

1.3 內(nèi)管涌發(fā)生機制的可視化研究

當前國內(nèi)還未嚴格區(qū)分常規(guī)管涌和侵蝕型內(nèi)管涌，從細觀層面上分析兩者發(fā)生、發(fā)展的機理可知，雖然兩者本質(zhì)較為一致，均為細顆粒在骨架孔隙中移動，但常規(guī)管涌發(fā)展呈現(xiàn)出自滲流出口逆游侵蝕特征，而侵蝕型內(nèi)管涌則表現(xiàn)為順流侵蝕。相對于常規(guī)管涌，侵蝕型內(nèi)管涌則更具隱蔽性、危害性，其發(fā)生不易察覺。內(nèi)管涌的隱蔽性使得通過常規(guī)技術(shù)手段無法直接觀察到土體內(nèi)部的一些細觀變化特征，為此，學者們結(jié)合相關(guān)先進技術(shù)，做了積極嘗試(圖10展示了常規(guī)管涌與內(nèi)管涌差別)。

圖10 常規(guī)管涌和內(nèi)管涌示意圖

Okita和Nishigka(1993)[26]提出了采用γ射線密度計通過測量土體的密度以反映顆粒的運移。Garner和Scbkowicz(2002)[27]在WAC Bennett大壩性能和安全的研究中，采用CT進行內(nèi)管涌試驗觀測。

陳建生等(2003)[28]采用環(huán)境同位素與人工示蹤的方法來研究北江大堤某處頻發(fā)管涌的原因。利用穩(wěn)定同位素δD(‰)與δ18O(‰)確定了地面涌水來源后，結(jié)合孔中的人工示蹤方法確定管涌頻發(fā)的原因。

隨著數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展和進步，學者們也將其運用與管涌試驗中，展開了一系列的研究。

圖11 高清管涌試驗裝置

張剛(2007)[10]將數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)(數(shù)碼采集設備如圖11(a)所示)引入管涌的室內(nèi)模型試驗，攝錄土顆粒(試樣如圖11(b)所示)的移動軌跡，確定形成管涌的臨界參數(shù)和識別分析管涌過程中管涌通道形成的機理。在室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)值模擬，對管涌進行細觀研究。周健等(2007)[29]利用顯微攝像可視化跟蹤技術(shù)進行管涌模型試驗，從細觀角度觀察到管涌發(fā)生發(fā)展破壞的全過程?；谠囼灁?shù)據(jù)，從孔隙率對臨界水力梯度的敏感角度驗證了模型的有效性，在分析孔隙率對臨界水力梯度的影響度上，這個模型比太沙基模型要好。

姚秋玲等(2014)[30]利用顯微鏡和數(shù)碼成像系統(tǒng)對管涌土體的局部進行放大攝錄，通過試驗現(xiàn)象和數(shù)字圖像識別分析不同水頭下管涌土體顆粒級配，分析了管涌發(fā)展過程中隨水頭變化的土體顆粒位移和流失規(guī)律，并從宏觀和微觀角度共同闡釋了管涌發(fā)生、發(fā)展的機理。

姚志雄等(2015)[24]自行設計了模型槽進行垂直滲流下砂土管涌試驗。通過體視顯微鏡，從細觀尺度揭示臨界細顆粒含量的砂土在管涌過程中，可能產(chǎn)生自濾反濾現(xiàn)象而使系統(tǒng)自穩(wěn)定，并揭示了導致這一機制的原因。

本世紀初，透明土及圖像處理技術(shù)快速發(fā)展，透明土技術(shù)被引入滲流領(lǐng)域。孔綱強等(2017)[31]針對熔融石英砂與混合油、溴化鈣及蔗糖等孔隙液體制配成的3種透明土試樣，開展了常水頭滲透試驗，測得不同情況下的滲透率和水在三種透明土中的滲透過程，并跟標準砂相關(guān)試驗結(jié)果進行對比，初步探討了孔隙液體、滲透率等因素對電滲過程與機理的影響規(guī)律。

CT和射線等相關(guān)技術(shù)可獲得顆粒內(nèi)部變化特征，但無法有效區(qū)分粗細骨料，且較為昂貴，對試驗設備和試驗技術(shù)亦有較高要求，因而未得以普及；數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)雖然克服了“經(jīng)濟可操作”這一問題，但僅能觀測表面或內(nèi)部散點信息，無法全局把握。滿足“直接深入觀察”及“經(jīng)濟可操作”基本特征將成為土體內(nèi)部滲透變形研究趨勢。因此，嘗試融合透明土、平面激光誘導熒光顯像及粒子示蹤技術(shù)，從細觀尺度深入土體內(nèi)部直觀地揭示內(nèi)管涌細顆粒運移特征，具有重要的物理意義。

2 結(jié)論與展望

(1)數(shù)值仿真在當前管涌的研究中占有很重要的位置，是學者們研究管涌的重要手段，可以解釋管涌試驗中難以解釋的一些現(xiàn)象。學者們對顆粒流法起初是進行了利用和開發(fā)，去研究管涌的發(fā)生，并與模型試驗結(jié)果進行對比來驗證可行性，有些學者也利用模型的結(jié)果來輔助數(shù)值模型的建立。隨著技術(shù)的成熟和學者們的努力，顆粒流法逐漸的發(fā)展成當前的數(shù)值模擬中的主流，對模擬管涌更有適應性。學者們當前多依托聯(lián)合顆粒流與其他流體分析方法實現(xiàn)固液兩相耦合作用的精細模擬，這也是當前從細觀層面研究管涌的趨勢。

(2)影響管涌發(fā)生的因素眾多，當前尚無法提出最有效的模型試驗方法。眾多學者針對影響管涌的各種因素，設計出特定的模型，逐步開展研究，獲得了諸多積極的成果。但模型試驗有些難以發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象和難以解決的問題，依托非介入式可視化模型試驗獲取基本特征進而建立相當?shù)臄?shù)值模型，可以使分析結(jié)果更加準確，數(shù)值結(jié)果也可以用來解釋物模不易揭示的一些現(xiàn)象。因此，結(jié)合具有透視功能試驗，獲取顆粒組成及孔隙分布特征，建立細觀離散模型以開展擴展性研究更具積極意義。

(3)對管涌發(fā)生過程的可視化這一問題，學者們進行了很多嘗試，從用射線、CT和元素追蹤等方法來間接觀察管涌發(fā)生時的內(nèi)部細顆粒變化特征，隨著數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展和進步，這些技術(shù)有機融入模型試驗具有攝錄追蹤細顆粒的變化和觀察管涌的發(fā)展過程等作用，但是獲得的往往是模型邊界面(表觀)或內(nèi)部少量離散點信息，無法對細顆粒運移及流失規(guī)律進行動態(tài)、全息的獲取，因而設計出具有透視功能從而實現(xiàn)全息展示細顆粒動態(tài)運移的試驗對解釋管涌的發(fā)生發(fā)展具有更加理論與實際意義。

(4)管涌的發(fā)生、發(fā)展顯然是顆粒-孔隙尺度的范疇，潛在管涌土體的組成的不均勻性導致其內(nèi)部應力傳遞機制及其復雜，在持續(xù)滲透強度作用下(孔隙尺度相間作用)粗料與細料承擔的應力呈現(xiàn)時空演化特征，當前尚不清楚細料在該過程中扮演的角色及其與管涌發(fā)生的內(nèi)在聯(lián)系，因而可以從顆粒孔隙尺度探討土體應力傳遞及其在粗、細顆粒間的動態(tài)轉(zhuǎn)化這個角度來解釋管涌的發(fā)生機理，對于顆粒間力鏈的模擬離散是顆粒流方法的基本特性，顯然，顆粒離散元在侵蝕型內(nèi)管涌研究中將持續(xù)發(fā)揮其潛能。

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