魏 琦

（重慶交通大學 河海學院， 重慶 400047）

0 引言

我國豐富的水資源環(huán)境中，七大流域分別縱橫了南北。豐富的水資源保證了人民生活的安居樂業(yè)，但同時由地形氣候引起的水災害同樣是人們生命財產(chǎn)安全的重大威脅。據(jù)統(tǒng)計資料分析，大多數(shù)的地質(zhì)災害、巖土工程以及水利工程中所產(chǎn)生的危害大多數(shù)都是由于土中水產(chǎn)生的。

大多數(shù)由土中水所造成的工程事故，主要是由于土中水增加，使得非飽和土的基質(zhì)吸力銳減，導致部分的巖土軟化，從而破壞土體結構；由于土中水含量的增加，導致了土體本身的自重應力增加，從而使得土體的荷載增加，減小抗力等[1]。在我國堤壩數(shù)目眾多，其中土石壩的比例更是達到了90%以上，在病險壩的失事中，滲透破壞又是其主要原因，所以，研究滲透破壞對于病險壩的防治有著極其重要的意義。

1 滲透破壞

滲透破壞也叫做滲透失穩(wěn)，是由于土和水的相互作用下，水流引起的土顆粒的流失所產(chǎn)生的含沙水流的移動所導致的土體整體穩(wěn)定性的失衡。經(jīng)過長時間的研究分析，普遍將滲透破壞分為管涌、流土、接觸沖刷和接觸侵蝕這四大類型，而其中的管涌和流土更是滲透破壞中的重要部分，也是研究的主要方向。

2 管涌

管涌指的是由于水流的滲透作用，以及在水流力的影響下，密集的滲漏通道就在粗顆粒中形成了，使得其中的細顆粒大量涌出，土體內(nèi)部的穩(wěn)定性降低，土體失去穩(wěn)定性從而破壞。

2.1 管涌的產(chǎn)生機理

在管涌的產(chǎn)生過程中，由于土體中細顆粒的流失，土體的一些力學特性如穩(wěn)定性、滲透性等會發(fā)生改變，不僅如此，由于流失的發(fā)展，不同的類型，發(fā)展的不同過程都會對管涌的機理有所影響。

為了研究管涌的機理，一開始學者們從滲流的角度出發(fā)進行了一系列研究。

Kenney 等[2]認為土體主要包含兩大部分，一部分是土的骨架，另一部分則是土骨架中包含的可動的細顆粒。因而在水流的滲透作用下，通過土骨架中的孔隙，細顆粒隨著水流的作用移動。在此基礎上進行了可動細顆粒矢量的試驗，并最終提出關于顆粒級配曲線和可動細顆粒流矢量的確定方法。

Bendahmane 等[3]設計了一種即可以考慮水力條件對可動細顆粒流失的影響，又可以發(fā)映出特殊狀態(tài)下土體的特殊管涌發(fā)展規(guī)律的實驗裝置。并在他們的試驗基礎上，重點探討這三個因素：滲透坡降、（5%～30%）細顆粒含量和圍壓，這些因素對于管涌的發(fā)展過程的影響。

而隨著研究的深入，人們逐漸發(fā)現(xiàn)管涌并不是單純的滲流作用的影響，從滲流與應力耦合的角度研究管涌機理比單純從滲流角度研究更為適合。

周曉杰等[4]通過采用無網(wǎng)格法等對滲流場進行數(shù)值模擬計算、羅玉龍等[5]通過進行滲流—侵蝕—應力耦合的管涌實驗，建立耦合本構方程及其數(shù)學模型。結果發(fā)現(xiàn)在管涌的發(fā)展過程中，若假設土骨架不發(fā)生變形，將土體分為三相：即土骨架相、可移動的細顆粒相和水相。他們認為管涌并不僅僅是單純的滲流作用，而是涉及到孔隙水滲流、多孔介質(zhì)變形和可動細顆粒侵蝕運移等眾多復雜力學行為的多相多場耦合現(xiàn)象。這種多相多場的耦合更符合管涌的發(fā)生，但現(xiàn)有的研究結果無法完美模擬管涌的發(fā)生。

2.2 管涌的判別

由于管涌和流土對實際工程的影響并不相同，需要進行不同的應對，因此判別也就顯得十分重要。國內(nèi)外學者[6-8]對此進行了大量的研究，而他們的研究則大多數(shù)考慮從不均勻系數(shù)，顆粒級配，級配曲線，顆粒直徑，細粒含量等方面入手，進行探究探索滲透破壞的判別方法，也提出了一些相應的判別方法。通過研究不均勻系數(shù)、對比級配曲線、特征粒徑含量、細顆粒含量、孔隙率等方法，得出分別適應于不同條件的土體發(fā)生管涌的結論。

現(xiàn)有的判別條件中，不僅僅是從級配、土種類等來進行研究，研究更全面的是通過水力梯度來判別滲透破壞，并在此基礎上得出了一系列計算公式?？堤乩醴虻贸龅倪m用于紊流和層流的臨界水力梯度的公式；Terzaghi 歸納出的適用于無粘性土的管涌的臨界水力梯度公式；吳良驥、劉杰、沙金煊、毛昶熙通過不同的角度和條件總結出適用于不同條件的無粘性土的管涌的臨界水力梯度公式。

對于滲透破壞的判別方法的研究可以幫助我們解決許多實際工程中土中水的問題，因此盡管許多專家學者研究出了許多判別方法，但這些方法都有它們各自適用的條件。

3 管涌研究的工程問題與研究方向

在對于管涌的研究過程中可以發(fā)現(xiàn)。我國現(xiàn)有的堤防，由于歷史局限性以及科技發(fā)展的原因，大多存在以下三大問題[9]：一是堤的基礎條件差，堤下的地基大多為砂基或者是人工填土形成的地基；二是堤身本身的建筑材料的質(zhì)量很差，甚至現(xiàn)有地方的堤防中有不少是在原來民堤的基礎上加高培厚之后建成的；三是堤后存在較多的坑塘，并且堤后的覆蓋層較為薄弱。正是由于這些問題的存在，堤岸在發(fā)生洪水時經(jīng)常性發(fā)生管涌、滑坡等險情，管涌更是發(fā)生率最高的險情。在實際工程中，不乏有堤壩由于管涌的原因，導致堤壩崩潰。基于這種形勢，考慮對管涌的產(chǎn)生進行試驗研究。

通過對管涌發(fā)生的臨界條件進行研究，對堤防的堤基下的伏砂礫層進行分析。由于目前我國堤壩的狀況，分析堤壩可能存在的由下方水流沖刷至堤壩內(nèi)部，并從壩后流出的情形，但由于水流在滲透過程中，堤壩內(nèi)的細小顆粒從堤壩內(nèi)的骨架中隨水流流失，導致堤壩發(fā)生管涌破壞，失去穩(wěn)定性，不再具有安全性。

擬從散粒土的管涌三相耦合方面進行研究，對管涌的發(fā)生進行模擬，通過進行散粒土的細顆粒流失和土體強度變化的關系分析，希冀建立起一個散粒土的侵蝕-強度作用耦合模型，并對管涌的真實發(fā)生規(guī)律和狀態(tài)進行模擬。具體來說，由于管涌的發(fā)生，會對導致土體的應力狀態(tài)發(fā)生變化，而應力狀態(tài)的變化又會反過來繼續(xù)影響管涌的發(fā)展，通過土體的滲流-侵蝕實驗裝置，對土體的顆粒級配，密實度進行控制，并通過對管涌的應力狀態(tài)進行控制和改變，觀察它對管涌的影響，以此來推測管涌的發(fā)生狀態(tài)，并通過建立數(shù)值模型，希望能找到一個合適的模型來模擬管涌的發(fā)生時的狀態(tài)，為人們研究管涌提供一部分小的思路和建議。

4 結語與展望

通過對管涌的研究，人們得到了許多有用的知識和信息，由于其中很多具有相類似的性質(zhì)，并沒有一一在文中列出。盡管人們做了方方面面的研究，但仍然有很多方面無法達到預期的效果。如建立一個可重復的實驗模型，用于揭示管涌的發(fā)展流程，從而更好模擬管涌的發(fā)生，或是從細觀層次對管涌的發(fā)生發(fā)展進行研究，讓人們能更方便的對管涌的發(fā)生采取預防措施并對更方便的尋找管涌的治理方案，從而對管涌進行徹底的預防和解決。因此，進行管涌的研究和分析依然是今后研究的一個重要方向。