砂土管涌機(jī)理的模擬試驗(yàn)研究

劉曉林，李 娜，張家澤

（1.河北工程大學(xué) 水電學(xué)院，河北 邯鄲 056000；2.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

砂土管涌機(jī)理的模擬試驗(yàn)研究

劉曉林1，李 娜2，張家澤2

（1.河北工程大學(xué) 水電學(xué)院，河北 邯鄲 056000；2.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

對(duì)管涌機(jī)理進(jìn)行了砂槽模型試驗(yàn)研究，觀察并分析了管涌發(fā)生、發(fā)展的過(guò)程。試驗(yàn)現(xiàn)象表明，管涌破壞發(fā)生在透水層上部，且砂樣內(nèi)部的顆粒移動(dòng)是從進(jìn)水口處和管涌口處向中間不斷擴(kuò)展的。當(dāng)水頭變化后，砂樣內(nèi)部的滲流需要較長(zhǎng)時(shí)間才能重新穩(wěn)定。

管涌；模型試驗(yàn)；機(jī)理；顆粒移動(dòng)

我國(guó)長(zhǎng)江中下游平原區(qū)頻繁遭受洪水災(zāi)害，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)和生產(chǎn)建設(shè)造成了嚴(yán)重破壞。而大量的洪災(zāi)資料表明，管涌是江河大堤在汛期的主要險(xiǎn)情之一。因此研究管涌破壞的形成機(jī)理對(duì)管涌預(yù)防和整治有著重要的參考和借鑒價(jià)值。

管涌是土的滲透變形的一種形式。它是指在滲流作用下，土體中的細(xì)土粒在粗土粒之間形成的空隙通道中發(fā)生移動(dòng)并被帶出的現(xiàn)象。管涌的產(chǎn)生是水和土相互影響的結(jié)果。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，這就決定了它的復(fù)雜性。

當(dāng)前研究管涌的方法有數(shù)值模擬法和模擬試驗(yàn)法。數(shù)值模擬法通過(guò)有限元軟件模擬了管涌發(fā)生發(fā)展的過(guò)程，但此方法不能很好地考慮水土相互作用,無(wú)法全面地揭示管涌發(fā)生機(jī)理。而模擬試驗(yàn)法由于原理簡(jiǎn)單、現(xiàn)象直觀,得出的結(jié)論具有一定的意義。本文通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，盡可能地從細(xì)觀方面分析管涌通道形成的特點(diǎn)及砂土顆粒在管涌通道中移動(dòng)的規(guī)律。

1 砂土管涌試驗(yàn)的裝置

1.1 模型制作

如圖1，2所示，砂槽總長(zhǎng)1m，分為進(jìn)水口卵石槽、砂樣槽、出水口卵石槽。進(jìn)水口設(shè)在進(jìn)水槽玻璃壁中心處。為了使砂樣進(jìn)水面水流流速均勻，在砂樣前設(shè)置一卵石槽，裝滿小直徑的卵石。分界處用有機(jī)玻璃板隔開，有機(jī)玻璃板上均勻開孔，并用細(xì)紗網(wǎng)覆蓋。

在砂槽模型中，砂樣長(zhǎng)60cm，寬30cm，高40cm，將砂裝至設(shè)定高度后壓實(shí)，并用刮板刮平。試驗(yàn)前先不加蓋通水，等水漫過(guò)砂頂部后再放水，利用土中毛細(xì)管水產(chǎn)生的假粘聚力即毛管水壓力迫使砂粒間相互擠緊密實(shí)，此時(shí)頂部會(huì)有一定的沉降，繼續(xù)覆砂刮平。在有機(jī)玻璃板與側(cè)壁的接觸處用止水橡膠密封，然后加蓋1m長(zhǎng)的有機(jī)玻璃板，邊處用螺母固定緊密，有機(jī)玻璃板頂部采用螺桿均勻加壓，使有機(jī)玻璃板與砂樣緊密接觸。

從砂樣槽進(jìn)水口隔板處開始，在底部每隔10cm距離均勻布置6組測(cè)壓管，每組測(cè)壓管分高中低3根，垂直于中軸線。其中高管離砂槽邊壁9cm，高30cm；中管離砂槽邊壁6cm，高20cm；低管與中管相距3cm，高10cm；測(cè)壓管直徑6mm。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)數(shù)碼相機(jī)，肉眼觀測(cè)，攝像機(jī)記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)現(xiàn)象。本試驗(yàn)?zāi)M地下兩個(gè)透水層中的上層不透水層出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)后的管涌現(xiàn)象。

1.2 模型砂的基本性質(zhì)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得模型砂的基本性質(zhì)見表1，顆分曲線見圖3所示。

表1 模型砂的物理力學(xué)性質(zhì)

2 試驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象

通過(guò)進(jìn)水口進(jìn)水，使試樣飽和。保持進(jìn)水流量穩(wěn)定不變，逐級(jí)增加水頭進(jìn)行試驗(yàn)，增加的每級(jí)水頭不大于4cm。當(dāng)滲流量基本保持穩(wěn)定，測(cè)壓管水位保持不變，孔口處沒有砂粒被水流帶出即可認(rèn)為已達(dá)到滲透穩(wěn)定，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，然后再施加下一級(jí)水頭。平均20min記錄一次數(shù)據(jù)，每隔1h抬高一次水頭。N為抬高水頭的次數(shù)，T表示距離試驗(yàn)開始時(shí)刻的總時(shí)間，Q為孔口處滲流量。水平平均比降J=H/L，H為水箱水位與管涌口水位之差，L為管涌口到進(jìn)水口的距離，L=60cm。各階段典型試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 管涌模擬試驗(yàn)結(jié)果

2.1 無(wú)明顯滲透變形階段

開始階段孔口處無(wú)明顯滲透變形，孔口的滲透出水量和砂樣內(nèi)部的水壓隨著水頭的升高而穩(wěn)定增加。當(dāng)水頭達(dá)到15cm時(shí)，預(yù)留孔口處裸露的砂層出現(xiàn)較明顯的砂眼，偶爾可見細(xì)砂粒從砂眼中帶出。保持水頭不變的情況下，該砂眼逐漸增大，最后保持不變。此時(shí)Q和J基本呈線性關(guān)系（見圖4）。

2.2 砂槽內(nèi)砂土局部滲透變形階段

在此階段，砂眼處不斷有細(xì)小的砂粒被帶出，并在孔口周圍堆積，保持水頭不變，直到孔口處滲透變形趨于穩(wěn)定。接著，每抬高一級(jí)水頭后，孔口處都可觀察到砂粒被帶出，并持續(xù)堆積在孔口周圍，形成一環(huán)形砂丘（見圖5）。細(xì)砂不斷被水流帶出，而孔口處的粗砂在砂眼里不斷翻滾。從水槽側(cè)面觀察砂土上層，肉眼可捕捉到局部區(qū)域的細(xì)小砂粒，在以粗砂為骨架形成的空隙里向管涌口方向移動(dòng)。可動(dòng)顆粒的移動(dòng)時(shí)斷時(shí)續(xù)。試驗(yàn)現(xiàn)象顯示，顆粒的移動(dòng)是從兩端開始向中間不斷擴(kuò)展的。同時(shí)，由于垂直滲透力的作用，孔口處的砂層被抬高一定的高度，產(chǎn)生了明顯的滲透變形。當(dāng)水頭增大到20mL/s時(shí)，Q和J開始偏離線性關(guān)系，但最后滲透變形仍能夠逐漸穩(wěn)定下來(lái)（見圖4）。

圖5 管涌口處形成的砂環(huán)

2.3 砂槽內(nèi)砂體整體破壞階段

此階段已接近砂體破壞的臨界水頭，水頭的繼續(xù)增加，使砂樣中細(xì)小砂?？梢苿?dòng)的細(xì)微通道越明顯，并相互貫通，最終形成細(xì)小的管涌通道。此時(shí)砂體已失去了抗?jié)B破壞能力，在管流強(qiáng)烈的沖刷作用下，管涌通道的流量、帶砂量和尺寸逐漸加速增大，最終從管涌發(fā)展成流土，從而導(dǎo)致砂樣的破壞。此時(shí)，從上游隔板到管涌口處形成一溝槽通道，流量增大到30mL/s。取破壞前的最后一級(jí)水頭，得到管涌的臨界水力比降為0.550。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 管涌發(fā)展機(jī)理分析

試樣內(nèi)部可分為兩種顆粒，一種是位置基本保持不變的骨架顆粒，主要起到支撐和傳遞力的作用；另一種是在骨架空隙中的可動(dòng)顆粒。由于水流的沖擊，可動(dòng)顆粒隨時(shí)在移動(dòng)。但這種移動(dòng)是不連續(xù)且不規(guī)律的。在水平滲透力的作用下，可動(dòng)顆粒具有向滲流方向移動(dòng)的趨勢(shì)。當(dāng)可動(dòng)顆粒的粒徑比骨架顆粒形成的空隙要小時(shí)，它們就會(huì)從一個(gè)空隙流入臨近的空隙，直到被排出土體。

在某一水頭，當(dāng)部分運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)顆粒遇到比本身粒徑更小的孔隙時(shí)，則該顆粒堵塞此孔隙，形成一個(gè)穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，阻止了其他可動(dòng)顆粒的通過(guò)。雖然顆粒堵塞了孔隙，阻止了管涌的發(fā)展，但它產(chǎn)生了相對(duì)集中水流，該水流會(huì)沖擊同一斷面上的其他薄弱處，形成一個(gè)新的孔隙，孔隙內(nèi)的水流流速和流量隨著這種改變而變化。在砂樣內(nèi)部砂土局部滲透變形階段，粗砂粒在砂眼處翻滾就是孔口處不斷輕微變化的水流和粗砂粒自重相互影響作用的結(jié)果。在這種交替變化下砂樣內(nèi)部就逐漸形成了貫穿的通道。

每當(dāng)水頭增加時(shí)，可動(dòng)顆粒群的突然移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致砂樣系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生局部顆粒集中，內(nèi)部局部結(jié)構(gòu)重新調(diào)整。這會(huì)引起孔隙水壓力的改變，試樣內(nèi)部原有的滲徑都會(huì)重新分布。而這個(gè)過(guò)程比較緩慢，需要一定的時(shí)間才能穩(wěn)定。選取管涌破環(huán)前的第九級(jí)水頭時(shí)的3次測(cè)量數(shù)據(jù)，繪出3排測(cè)壓管的沿程水頭分布曲線。通過(guò)對(duì)比可以看出，測(cè)壓管水位的沿程分布曲線是在輕微變動(dòng)調(diào)整的，并且肉眼可觀察到測(cè)壓管中的液面有輕微的上下波動(dòng)現(xiàn)象，可很好地佐證可動(dòng)顆粒在骨架顆粒中的移動(dòng)。

3.2 管涌通道形成位置分析

測(cè)壓管3測(cè)得的數(shù)據(jù)變化最大，說(shuō)明管涌通道主要發(fā)生在測(cè)壓管3所代表的砂層。即砂樣最上層靠近不透水層的淺層范圍，深部砂層并未受到較強(qiáng)破壞。其主要原因是：不透水層下的砂層頂面是滲徑最短的一條流線，沿此流線的水平水力比降最大。

4 結(jié)語(yǔ)

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)現(xiàn)象可知，管涌通道是在試樣的頂端靠近不透水層處產(chǎn)生的。

每次水頭改變時(shí)會(huì)導(dǎo)致砂樣系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生局部顆集中，內(nèi)部局部結(jié)構(gòu)重新調(diào)整，主要表現(xiàn)為在同一水頭不同時(shí)間段測(cè)得的沿程水頭分布曲線在不斷地改變，以及測(cè)壓管液面的輕微波動(dòng)。而當(dāng)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，砂樣內(nèi)部會(huì)逐級(jí)趨于穩(wěn)定，這表明砂樣內(nèi)有一部分細(xì)砂粒沒有緊密接觸，或是處于無(wú)接觸的自由狀態(tài)，而粗顆粒無(wú)法制約這部分顆粒的移動(dòng)。

［1］毛昶熙，段祥寶，蔡金傍，等.堤基滲流無(wú)害管涌試驗(yàn)研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2004（11）.

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［4］劉忠玉,樂金朝,苗天德.無(wú)黏性土中管涌的毛管模型及其應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23（22）.

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Experimental Study on Piping by Sand-bank Model

LIU Xiao-lin1,LI Na2,ZHANG Jia-zhe2
（1.College of Water Conservancy and Hydroelectric Power,Hebei University of Engineering,Handan056000,China;2.Hebei Designing Institute of Water Resources and Hydropower,Tianjin300250,China;）

Sand-bank model tests were conducted to simulate piping processes.The whole development of piping are obseved and the mechanisms are analysed.The observed phenomenons of the test shows piping occurred at the top of permeabile layer.The migration of grains in the sand-bank model continually developed from the water inlet and piping hole to the middle.When the waterhead is changed,it needs a long time to stabilize the seepage.

piping;model test;mechanism;displacement of grain

TV139.16

A

1672-9900（2011）05-0035-03

2011-07-28

劉曉林（1987—），男(漢族)，安徽蚌埠人，碩士，主要從事水工結(jié)構(gòu)工程專業(yè)研究，（Tel）13832072104。