管涌破壞的計算模型及工程搶護措施

崔佳佳

管涌破壞的計算模型及工程搶護措施

崔佳佳

敘述了管涌的定義及產(chǎn)生原因,給出了管涌的計算模型并作了簡要分析,最后從四方面入手提出了工程上對管涌現(xiàn)象的防治措施,以確保水利工程安全運行。

管涌,滲透破壞,臨界水力坡降

0 引言

外國的水庫大壩,江河大堤絕大部分為土壩、土堤,這些工程多數(shù)是建國后各個歷史時期興建的,有些工程除了防洪標準低以外,主要問題是土壩的變形和滲透穩(wěn)定不能保證,這是影響水利工程安全運行的主要因素。據(jù)土壩失事資料分析,由于防洪標準低,出現(xiàn)超標洪水潰壩占 51.5%;由于設計不合理、施工質(zhì)量差,潰壩的占 38.5%,其表現(xiàn)為壩體裂縫,出現(xiàn)壩基滲透管涌、滲透破壞、壩體滑坡等。從近年來我國 241座大型水庫曾發(fā)生的 1 000次工程事故分析,滲透管涌占 31.7%。所以,管涌的發(fā)展機理及其防治措施是工程界一直關(guān)注的問題。

1 管涌的定義及產(chǎn)生的原因

管涌,嚴格定義為由于土體結(jié)構(gòu)或地基內(nèi)部的不連續(xù)性導致在水流滲透作用下,土中的細顆粒在粗顆粒形成的孔隙中流動,以致流失;隨著土的孔隙不斷擴大,滲流速度不斷增加,較粗的顆粒也相繼被水流逐漸帶走,最終導致土體內(nèi)形成貫通的滲流管道,造成土體塌陷,這種現(xiàn)象被稱為管涌。管涌破壞被認為是地面下的腐蝕引起的一種破壞。

管涌多發(fā)生在砂性土中,其特征是顆粒大小差別較大,往往缺少某種粒徑孔隙直徑大且相互通聯(lián)。無粘性土產(chǎn)生管涌必須具備兩個條件：管涌主要發(fā)生在級配不連續(xù)的土中;管涌發(fā)生點的水力坡降大于臨界水力坡降。

2 管涌計算模型概述

目前,造成土粒在滲流作用下開始沿滲漏路徑運動的原因是滲流力大于土體抵抗?jié)B透破壞的能力。將土體抵抗?jié)B透破壞的能力稱為抗?jié)B比降,即單位土體可承受的極限滲透力,此時水力梯度所能達到的臨界值為臨界水力梯度。自然界中土的顆粒組成范圍很廣,滲透破壞形式也較復雜,因而在抗?jié)B比降的研究上至今尚無法用某一多因素的函數(shù)式統(tǒng)一表達,而只能將土先按滲透破壞形式分類,分別給出計算公式。首先要區(qū)分黏性土還是無黏性土,對無黏性土,通常又將土體抗?jié)B比降分為 3類。

2.1 管涌型抗?jié)B比降

其中,d為允許的可移動土顆粒粒徑;d0為土體孔隙的平均直徑。

2)康德拉且夫模型。

常用的模型有 3種：1)依斯托美娜模型。

其中,k為土體的滲透系數(shù)。

2.2 過渡性抗?jié)B比降

介于流土型和管涌型土滲透破壞之間的抗?jié)B強度稱為過渡型抗?jié)B比降。常用模型為中國水利水電科學研究院研制的模型。對連續(xù)級配型土有：

其中,dc為非均勻土的等效粒徑;db為土顆粒面積形狀和滲流長度修正系數(shù),對不連續(xù)級配型土η=2.2(1-Φ)。

綜合各種不同類型的無黏性土體抗?jié)B比降的模型,并結(jié)合不均勻系數(shù) C可以將各類無黏性土抗?jié)B比降的變化范圍和工程許用值歸納為表 1。

表 1 各類無黏性土抗?jié)B比降的變化范圍和允許值

對黏性土而言,影響其滲透破壞的因素很復雜,其中最基本的因素有土的性質(zhì)(如滲透系數(shù)、孔隙率、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力、土的飽和度、密度等)。大衛(wèi)登柯夫根據(jù)滲透力、土體自重、土體強度等的極限平衡原理,從理論上給出了黏性土的抗?jié)B強度的本構(gòu)方程：

其中,σt為土的抗拉強度,可用土的常規(guī)強度指標表示為：

其中,c為土的內(nèi)聚力;φ為土的內(nèi)摩擦角;d0為反映滲流出口土表面無保護臨空面大小的參數(shù),它與平均孔隙直徑等效;r＊為土體的飽和體積質(zhì)量;ru為水的體積質(zhì)量;α為土體表面與水平面的夾角,正號為向上滲流,負號為向下滲流。

3 目前的防治措施

3.1 反濾圍井

在管涌口處用編織袋或麻袋裝土搶筑圍井,井內(nèi)同步鋪填反濾料,從而防止涌水帶沙,以防險情進一步擴大,當管涌口很小時,也可用無底水桶或汽油桶做圍井。

3.1.1 沙石反濾圍井

沙石反濾圍井是搶護管涌險情的最常見形式。在圍井搶筑時,首先應清理圍井范圍內(nèi)的雜物,并用編織袋或麻袋裝土填筑圍井,然后根據(jù)管涌程度的不同,采用不同的方式鋪填反濾料。

3.1.2 土工織物反濾圍井

首先對管涌口附近進行清理平整,清除尖銳雜物。管涌口用粗料充填,以消殺涌水壓力。鋪土工織物前,先鋪一層粗沙,粗沙層厚 30 cm～50 cm,然后選擇合適的土工織物鋪上。

3.1.3 梢料反濾圍井

梢料反濾圍井用梢料代替沙石反濾料做圍井,適用于沙石料缺少的地方。下層選用麥秸、稻草,鋪設厚度20 cm～30 cm;上層鋪粗梢料,如柳枝、蘆葦?shù)?鋪設厚度 30 cm～40 cm。梢料填好后,為防止梢料上浮,梢料上面壓塊石等透水材料。

3.2 反濾層壓蓋

在堤內(nèi)出現(xiàn)大面積管涌或管涌群時,如果料源充足,可采用反濾層壓蓋的方法,以降低涌水流速,制止地基泥沙流失,穩(wěn)定險情。反濾層壓蓋必須用透水性好的材料,切忌使用不透水材料。

3.2.1 沙石反濾壓蓋

在搶筑前,先清理鋪設范圍內(nèi)的雜物和軟泥,同時對其中涌水涌沙較嚴重的出口用塊石或磚塊拋填,消殺水勢,然后在已清理好的管涌范圍內(nèi),鋪粗沙一層,厚約 20 cm,再鋪小石子和大石子各一層,厚度均為20 cm,最后壓蓋塊石一層,予以保護。

3.2.2 梢料反濾壓蓋

當缺乏沙石料時,可用梢料做反濾壓蓋。其清基和消殺水勢措施與沙石反濾壓蓋相同。在鋪筑時,先鋪細梢料,如麥秸、稻草等,厚 10 cm～15 cm,再鋪粗梢料,如柳枝、秫秸和蘆葦?shù)?厚約15 cm～20 cm,粗細梢料共厚約 30 cm,然后再鋪席片、草墊或葦席等,組成一層。

3.3 蓄水反壓

通過抬高管涌區(qū)內(nèi)的水位來減小堤內(nèi)外的水頭差,從而降低滲透壓力,減小出逸水力坡降,達到制止管涌破壞和穩(wěn)定管涌險情的目的。

3.3.1 渠道蓄水反壓

一些穿堤建筑物后的渠道內(nèi),由于覆蓋層減薄,常產(chǎn)生一些管涌險情,且沿渠道一定長度內(nèi)發(fā)生。對這種情況,可以在發(fā)生管涌的渠道下游做隔堤,隔堤高度與兩側(cè)地面平齊,蓄水平壓后,可有效控制管涌的發(fā)展。

3.3.2 塘內(nèi)蓄水反壓

有些管涌發(fā)生在塘中,在缺少沙石料或交通不便的情況下,可沿塘四周做圍堤,抬高塘中水位以控制管涌。但應注意不要將水面抬得過高,以免周圍地面出現(xiàn)新的管涌。

3.3.3 圍井反壓

對于大面積的管涌區(qū)和老的險工段,由于覆蓋層很薄,為確保汛期安全度汛,可搶筑大的圍井,并蓄水反壓,控制管涌險情。

3.4 水下管涌險情搶護和“牛皮包”的處理

在坑、塘、水溝和水渠處經(jīng)常發(fā)生水下管涌,給搶險工作帶來困難?？山Y(jié)合具體情況,采用以下處理辦法。

3.4.1 反濾圍井

當水深較淺時,可采用這種方法。

3.4.2 水下反濾層

當水深較深,做反濾圍井困難時,可采用水下拋填反濾層的辦法。如管涌嚴重,可先填塊石以消殺水勢,然后從水上向管涌口處分層傾倒沙石料,使管涌處形成反濾堆,使沙粒不再帶出,從而達到控制管涌險情的目的,但這種方法使用沙石料較多。

3.4.3 蓄水反壓

當水下出現(xiàn)管涌群且面積較大時,可采用蓄水反壓的辦法控制險情,可直接向坑塘內(nèi)蓄水,如果有必要,也可以在坑塘四周筑圍堤蓄水。

3.4.4 “牛皮包”的處理

當?shù)乇硗翆釉诓莞蚱渌z結(jié)體作用下凝結(jié)成一片時,滲透水壓把表土層頂起而形成的鼓包,俗稱為“牛皮包”。一般可在隆起的部位,鋪麥秸或稻草一層(厚10 cm～20 cm),其上再鋪柳枝、秫秸或蘆葦一層(厚20 cm～30 cm)。如厚度超過30 cm時,可分橫豎兩層鋪放,然后再壓土袋或塊石。

4 結(jié)語

本文主要介紹了管涌的定義、目前國內(nèi)外對于管涌的研究現(xiàn)狀以及管涌的計算模型,但是由于發(fā)生管涌影響因素的復雜性,并不能全面的概括管涌發(fā)生的機制。最后提出了工程上的防治措施。

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On calculation m odel of piping dam age and its engineering protection measures

CUI Jia-jia

The paper indicates the definitions for piping and its occurrence reasons,p rovides the calculation model of piping,undertakes the brief analysis,and points out the preventionmeasures for piping in p rojects from four aspects,so as to ensure the safeoperation for the water resource engineering.

piping,seepage damage,critical hydraulic gradient

TV641.1

A

1009-6825(2011)09-0220-03

2010-12-04

崔佳佳(1985-),女,河北工程大學碩士研究生,河北邯鄲 056000