堤基管涌微觀機理模型試驗研究

姚秋玲，劉昌軍，丁留謙，張順福

（1.中國水利水電科學研究院防洪減災研究所，北京100038；2.水利部防洪抗旱減災工程技術研究中心，北京100038）

堤基管涌微觀機理模型試驗研究

姚秋玲1，2，劉昌軍1，2，丁留謙1，2，張順福1，2

（1.中國水利水電科學研究院防洪減災研究所，北京100038；2.水利部防洪抗旱減災工程技術研究中心，北京100038）

本文從微觀角度出發(fā)，開展小尺寸模型試驗，采用顯微鏡和數(shù)碼成像系統(tǒng)對管涌土體進行局部放大攝錄，通過常規(guī)觀察試驗現(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，從宏觀和微觀角度共同闡釋了管涌發(fā)生、發(fā)展的機理。試驗結果表明，堤基管涌發(fā)生、發(fā)展的微觀顆粒流失過程與宏觀現(xiàn)象一致，管涌發(fā)生、發(fā)展的過程從微觀角度即表現(xiàn)為顆粒位移并流失的過程。通過微觀顆粒位移與宏觀管涌通道發(fā)展相結合分析，更深層次剖析了管涌發(fā)展的機理。本研究對于管涌數(shù)學模型和數(shù)值模型的建立、提高管涌防治技術水平等具有參考意義。

堤基管涌；微觀機理；顆粒流失；模型試驗

1 研究背景

汛期頻發(fā)管涌會嚴重威脅堤防工程本身和堤防保護區(qū)內(nèi)人民生命財產(chǎn)的安全。國內(nèi)外學者針對堤基管涌問題開展了大量的研究，但對堤基管涌發(fā)展并最終導致潰堤的機理、管涌破壞區(qū)的空間位置、斷面尺寸特點等認識也各執(zhí)己見，認識并不一致［1-6］。目前砂槽物理模型試驗是較為有效的研究手段之一。堤基內(nèi)土體和水之間各種復雜的相互作用決定了管涌滲透變形的復雜性和隨機性，其發(fā)展機理涉及到土力學、滲流力學和泥沙運動力學等多種力學原理。由于過去的模型試驗主要集中在滲透變形破壞的臨界條件判別上，觀測手段也比較傳統(tǒng)，主要依靠測壓管量測水壓力、肉眼觀察試驗現(xiàn)象和量測滲流量等，對決定滲透變形趨勢的管涌通道前端土體顆粒失穩(wěn)模式和機理等關鍵問題卻無法獲知，因而至今無法從機理上明確闡述管涌滲透變形的本質(zhì)。周健等［7］采用顯微鏡可視技術進行了水流方向向上的管涌細觀試驗研究，但對江河堤防頻發(fā)的堤基管涌現(xiàn)象未有研究。

本文從微觀角度出發(fā)，采用小尺寸管涌模型試驗，采用顯微鏡對管涌發(fā)展過程中的試樣進行局部放大攝錄，追蹤各級水頭下試樣顆粒的位置排列、位移等，從管涌發(fā)展過程中土體破壞模式角度闡釋管涌發(fā)展的微觀機理。

本文研究的堤基管涌泛指砂性透水堤基在滲透水流作用下，堤基滲透破壞帶出泥砂顆粒在堤基內(nèi)部形成管狀通道、在堤內(nèi)形成砂環(huán)的現(xiàn)象，堤防搶險中通常也稱做泡泉、泉涌、翻砂鼓水等。通常管涌由下游出流點開始逐漸向上游發(fā)展形成通道，并由管涌通道向出口處輸砂。當達到一定水頭時，管涌通道就會持續(xù)向上游發(fā)展，并最終與上游連通導致堤防失事形成潰堤洪水災難（如圖1）。

2 試驗

本文試驗從微觀角度，針對均質(zhì)單層堤基管涌的形成與發(fā)展機制進行深入研究。將先進的顯微數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術和數(shù)字圖像處理技術引入管涌室內(nèi)模型試驗，結合數(shù)字圖像識別分析手段，開展室內(nèi)小尺寸堤基管涌物理模型試驗，對均質(zhì)單層堤基管涌發(fā)展過程中的試樣進行局部放大，從微觀角度觀察管涌發(fā)展過程中顆粒的起動和輸移，攝錄土顆粒的移動軌跡，追蹤各級水頭下試樣顆粒的位置排列和運動模式等，盡可能獲取顆粒位移、速度等參數(shù)，從微觀角度揭示滲流過程中顆粒特性和水力特性的復雜變化，得到水頭、水力梯度和顆粒粒徑分布等的動態(tài)變化過程，并對整個滲流過程中顆粒的運動特點，顆粒流失的分布特點進行分析，揭示管涌發(fā)展的全過程，分析管涌發(fā)展過程中土體的破壞模式，為預測和治理管涌險情提供理論支持。

2.1 試驗裝置采用自行設計的管涌模型試驗裝置（見圖2、圖3），模擬在單層均質(zhì)砂性堤基的管涌現(xiàn)象。試驗模型箱用1 cm厚的玻璃做成，長70 cm、寬30 cm、高11.5 cm。采用與姚秋玲等［1］相同的辦法，用50 cm長的玻璃蓋板模擬堤身。顯微鏡和數(shù)碼攝像設備能夠清晰的透過頂面玻璃攝錄土體的變化。

在模型側面距離底板6 cm高度每10 cm布置一個測壓管，量測在增加水頭過程中不同時刻對應的各個不同位置的水壓力變化。收集水槽后端出水量，用量筒和秒表量測土體滲流量。

通過高放大倍數(shù)的顯微鏡和高精度數(shù)碼成像系統(tǒng)對土體表面進行拍照，獲取管涌過程中反映土體顆粒動態(tài)變化的圖片和影像，從微觀的可視角度分析土顆粒的位移等特性。結合數(shù)字圖像處理和分析技術實現(xiàn)管涌發(fā)生發(fā)展過程中土體顆粒粒徑分布的量測。通過對比分析管涌發(fā)生前后土樣顆分曲線，獲得管涌發(fā)生前后的土體顆粒流失量的量測。試驗過程中，采用放大倍數(shù)為10倍至220倍的奧林巴斯體視顯微鏡結合CCD攝像/照相機進行連續(xù)自動拍攝或人工拍攝，并自動存儲在記錄計算機內(nèi)。

2.2 試驗制樣試驗選用砂樣部分物理性質(zhì)見表1。為了使試樣在裝樣過程中盡量均勻，減少粗細顆粒分離情況，將試樣分成若干薄層，分層均勻鋪填并擊實至控制干密度。鋪填完成后，按照《土工試驗規(guī)程》（SL237-1999）要求進行飽和。砂樣飽和后，在砂樣上層蓋上玻璃板，使之與砂樣充分緊密接觸后，與模型箱接觸處用玻璃膠密封。

試樣制作完成后，試驗開始之前，采用高精度顯微攝像系統(tǒng)，在模型槽頂面進行拍照（圖4）。利用數(shù)字圖像分析方法對砂樣圖像進行分析，得到了裝樣后的砂樣顆分曲線，并與采用顆分試驗方法得到的顆粒級配曲線進行對比（圖5）。由圖5可見，裝樣前后的顆分曲線形狀較為接近，說明試驗裝樣方法合理，沒有改變砂樣的骨架顆粒含量及土樣物理力學性質(zhì)；小于0.4mm顆粒含量裝樣后較裝樣前稍小，主要由于拍攝的砂樣表面，表面的小顆粒沿骨架顆?？紫队幸欢ǖ某两怠Ｍ瑫r也證明了采用顯微攝像方法分析管涌發(fā)展過程砂樣顆粒運動規(guī)律的可信性。

3 堤基管涌微觀模型試驗過程

共進行7次重復性試驗，7次試驗過程相似，得到的臨界水頭相近。選取其中一組試驗介紹典型試驗過程。

試樣飽和后，逐級增加水頭進行試驗，當前一級水頭滲透變形穩(wěn)定后，再抬高水頭進行后續(xù)試驗。滲透變形穩(wěn)定的判別標準是：滲流量和測壓管水位基本穩(wěn)定，管涌口水流清澈且沒有砂粒帶出，管涌通道內(nèi)沒有砂粒移動，管涌通道前端不再發(fā)展。

圖6和圖7分別為整個試驗過程中水頭與流量、水頭和管涌通道長度關系圖。

典型試驗階段的現(xiàn)象如下：

（1）無明顯滲透變形階段。水頭為1.8 cm，此時堤基平均水平比降為0.036，砂樣無變化。當水頭持續(xù)增加至8.7 cm時，在距模型槽左側（從下游往上游看）21 cm處，下游裸露砂層出現(xiàn)長約5 cm、直徑3mm的砂眼，兩處砂眼內(nèi)均有細砂上下翻騰，有極少量的細砂帶出并堆積在砂眼周圍，持續(xù)一段時間后滲透變形趨于穩(wěn)定。期間砂眼周圍的砂環(huán)增大但有限，水頭和流量基本呈線性關系（圖6），砂眼僅發(fā)生在近堤腳的裸露砂層內(nèi)，堤基內(nèi)（玻璃板下）并未見滲透破壞現(xiàn)象出現(xiàn)。

（2）堤基砂層局部滲透變形階段。當水頭增加至10.9 cm時，砂眼冒渾水帶砂，緊靠堤腳處的砂沸范圍漸漸擴大，堤腳附近，新的砂眼出現(xiàn)，滲透變形向上游水平發(fā)展，并出現(xiàn)幾條窄淺溝槽狀的管涌通道，長約1-5 cm（圖7）。持續(xù)一段時間后滲透變形趨于穩(wěn)定，水頭和流量開始偏離線性關系（圖6）。增加水頭，管涌溝槽最前端的砂粒失穩(wěn)而起動，并隨水流向管涌口方向輸送，溝槽兩側的砂層也被水流沖蝕并有砂粒輸移，玻璃板下逐漸形成向上游蜿蜒河曲狀管涌溝槽，從通道最前端往管涌口方向，管涌通道的寬度和深度稍有增大，但相差很小，尤其是管涌溝槽的深度變化更小。隨著水頭的增大，水頭與流量更加偏離線性關系。當水頭達到14.3 cm時，滲透變形仍然能夠最終穩(wěn)定下來，管涌通道在堤基內(nèi)發(fā)展的水平長度約為38 cm。

（3）堤基整體破壞階段。增加水頭至15.1 cm，管涌溝槽快速向上游發(fā)展，滲流量加速遞增。歷時270m in，管涌溝槽最終與進水室連通，此時管涌溝槽寬約1～2 cm，估計深度小于1 cm。管涌溝槽與水箱連通后，在連通管流的水力沖刷作用下，管涌通道的流量、帶砂量和尺寸逐漸加速增大，并最終導致潰堤破壞。至此，整個試驗結束。取最末兩級水頭的平均值，得到管涌破壞的水平平均臨界水力比降為0.294。

4 堤基管涌模型試驗的微觀過程分析

結合試驗現(xiàn)象，利用高清晰顯微攝像圖片分析局部顆粒變化情況，將管涌發(fā)展的過程劃分為兩個階段，即管涌通道形成前堤基內(nèi)土體骨架顆粒粒徑、顆粒的運移路徑和規(guī)律；管涌通道形成后通道前端顆粒運移規(guī)律、骨架顆粒粒徑。

（1）管涌發(fā)生前的顆粒運移變化。圖片拍攝時間分別為試驗開始t=20、30、40、50、60m in，即分別對應為第2、3、4、5、6級水頭。對相應時間拍攝的圖片進行放大處理，圈出在下一時間段將發(fā)生運動的顆粒，如圖8（a）—（e），針對標志顆粒的運動軌跡進行分析。

當水頭為1.8 cm時，通過體視顯微鏡和對試樣的直接觀察，除個別極細小的顆粒發(fā)生移動，沒有其他顆粒移動。當水頭增加至5.1 cm的過程中，此時水平平均水力坡降小于0.102，粒徑小于0.075mm的細顆粒開始起動，其他粒徑的顆粒沒有移動，如圖8（a）—（c）。

當水頭繼續(xù)增加至8.7 cm時，較大粒徑的顆粒開始發(fā)生位置變化，如圖8（d）、（e）所示。將這兩張圖片中發(fā)生位置變化的顆粒分別圈出，并合并到一張圖片中進行位置對比，發(fā)現(xiàn)細顆粒運動軌跡基本相同，沒有發(fā)生大的變化，粒徑大于0.075mm的顆粒在水流作用和細顆粒的運動下，發(fā)生旋轉(zhuǎn)（圖8（f））。顆粒1發(fā)生了順時針方向的旋轉(zhuǎn)；顆粒2發(fā)生逆時針方向的旋轉(zhuǎn)；顆粒3和顆粒4都發(fā)生了順時針方向的旋轉(zhuǎn)。

由此可看出，堤基發(fā)生管涌前，當?shù)袒鶅?nèi)發(fā)生滲流作用后，砂樣中小顆粒在大顆粒之間的孔隙中發(fā)生位移，但骨架顆粒并未發(fā)生位移，僅是在原處位置發(fā)生調(diào)整，并最終穩(wěn)定，顆粒不再移動。

（2）管涌通道形成后管涌通道前端土體變化過程。當水頭增加至10.9 cm時，此時水平平均水力坡降約為0.218，粒徑小于0.1mm的顆粒開始移動，并隨著水流移動一段距離。待該級水頭滲透變形穩(wěn)定后，繼續(xù)提高水頭。

利用Adobe Prem iere PRO2.0軟件對管涌通道前端的視頻進行高頻截圖，如圖9（a）—（e）所示，對管涌通道前端顆粒運移規(guī)律細觀圖進行分析，獲取不同時間對應的顆粒級配曲線（圖9（f））。

結合試驗現(xiàn)象，對管涌通道前端顆粒運移規(guī)律細觀圖和顆粒級配曲線進行分析，管涌通道形成后通道前端顆粒運移規(guī)律表現(xiàn)為：當水頭增加至12.1 cm，即水平平均水力坡降約0.242時，管涌通道前端0.2mm以下的顆粒也開始移動，見圖9（a）—（b），這些移動的顆粒沿通道輸送到管涌口。小顆粒運移完后，粒徑約0.2～0.4mm的骨架顆粒也開始離開原來的位置，顆粒的移動不再是局部的，管涌現(xiàn)象比較劇烈，管涌通道前端顆粒群整體移動，見圖9（c）—（d）。肉眼直接觀察到的現(xiàn)象即表現(xiàn)為管涌通道向前發(fā)展了一段距離，且顆粒速度逐漸減慢。隨著管涌通道的不斷發(fā)展，管涌通道前端水力比降降低（丁留謙等）［8］，因此發(fā)生位移的骨架顆粒逐漸減少，管涌通道逐漸停止發(fā)展。水頭繼續(xù)增加至14.3 cm，但此時管涌通道前端僅表現(xiàn)為粒徑小于0.2 mm的細顆粒在運動，且輸送的顆粒粒徑和含量逐漸減少，骨架顆粒不再運動。這是由于管涌通道前端水力比降降低，且仍未超過骨架顆粒起動所需要的水力比降，因此表現(xiàn)為盡管水頭有提高，而管涌整體上仍保持相對穩(wěn)定不再往前發(fā)展的現(xiàn)象。

當水頭增加至15.1 cm，此時水平平均水力梯度約為0.302。管涌通道前端顆粒整體發(fā)生移動，并迅速擴展至上游，砂樣內(nèi)出現(xiàn)一條彎曲貫穿的滲漏通道，并最終導致堤基整體破壞。由于此時管涌發(fā)展迅速，很難用顯微鏡攝像系統(tǒng)捕捉到靜態(tài)畫面。但從上一階段管涌通道向上游發(fā)展的微觀機理分析不難理解，隨著水頭的增加，管涌通道前端的水力比降逐漸增大，最終大大超過骨架顆粒起動所需的水力比降，因此管涌發(fā)展不再停止，直至與上游連通。

通過微觀試驗顆粒運移規(guī)律分析，基本可以將管涌土體顆粒劃分為兩類：一類是土體骨架顆粒，可支撐荷載傳遞骨架有效應力，這些顆粒在管涌通道形成前和管涌通道暫停向上游發(fā)展時位置基本保持不變，可以是原位上的位置調(diào)整，但不會發(fā)生明顯位移；另一類是存在于骨架顆?？紫吨g的可動顆粒，其位置在滲透水流作用下隨時可變，且不能傳遞骨架應力，顆粒的粒徑小于孔隙時，就會在滲透水流的作用下移到鄰近孔隙中，但土體內(nèi)部的結構復雜，隨機性大，孔隙的尺寸隨時間、位置而變，所以這些可動顆粒的運動并非連續(xù)，而是斷斷續(xù)續(xù)進行。

試驗結果表明，從微觀角度分析，堤基管涌發(fā)展的過程也即表現(xiàn)為顆粒流失的過程，并且與宏觀管涌現(xiàn)象一致，基本上可分為3個階段，即：（1）未發(fā)生明顯滲透破壞階段。在滲透水流作用下，大小顆粒分離，肉眼難以看到的小可動顆粒在骨架顆?？紫堕g遷移并流失，使得骨架顆?？紫对龃螅羌茴w?；颈３治恢貌蛔儯藭r從宏觀試驗現(xiàn)象表現(xiàn)出來的是滲流出口冒清水，少量細顆粒在出口處砂沸；（2）堤基局部滲透破壞階段。隨著滲透水流壓力的增大，局部骨架顆粒逐漸失穩(wěn)，變成可動顆粒，隨水流向滲流出口處輸送，此時從宏觀試驗現(xiàn)象表現(xiàn)出來的是從滲流出口處向上游方向逐漸形成較小的管涌通道，管涌通道前端向上游回溯發(fā)展。在這個階段，可動顆粒與骨架顆粒往往是可以相互轉(zhuǎn)化的。由于土體結構復雜，可動顆粒在移動過程中往往會遇到尺寸更小的孔隙而發(fā)生淤堵，因此停止運動而暫時成為骨架顆粒的一部分，此時的骨架顆粒就是原骨架顆粒加上被小孔隙堵塞的顆粒。直到在更大的水力比降作用下，該位置被疏通，此時顆粒又開始運動，成為可動顆粒。宏觀試驗現(xiàn)象表現(xiàn)出來的是保持水頭不變的情況下，管涌通道的發(fā)展會暫時停止，難以預測，時慢時快，且試樣中最終形成的通道通常是彎曲的，提高水頭后，可能會重復上述過程，表現(xiàn)為斷斷續(xù)續(xù)發(fā)展；（3）堤基整體滲透破壞階段。骨架顆粒連續(xù)發(fā)生位移，不再是斷斷續(xù)續(xù)，不再停止，宏觀試驗現(xiàn)象表現(xiàn)出來的是管涌通道前端持續(xù)向上游回溯發(fā)展，直至于上游連通，形成貫通的管涌通道，最終導致堤基整體失穩(wěn)潰堤。

5 結論

本文詳細介紹了單層堤基管涌微觀模型試驗的過程及試驗結果，通過常規(guī)試驗現(xiàn)象觀察和引入高精度顯微數(shù)字成像及圖像分析手段分別從宏觀和微觀角度對管涌機理進行了研究分析，通過對顆粒流失粒徑與水頭的分析，從宏觀和微觀角度闡述了堤基管涌發(fā)生發(fā)展的過程，從微觀角度分析了管涌發(fā)展過程中流失顆粒粒徑的變化規(guī)律，基本掌握了管涌土體破壞的過程，探索了管涌發(fā)生發(fā)展過程的微觀機理。

試驗得出以下結論：（1）堤基管涌發(fā)生發(fā)展的微觀顆粒流失過程與宏觀現(xiàn)象一致，是顆粒起動流失的過程。通過微觀顆粒位移與宏觀管涌通道發(fā)展相結合分析，更深層次剖析了管涌發(fā)展的機理；（2）不同粒徑的顆粒起動水力比降不同，粒徑越大，起動的臨界水力比降越大。在較小的滲透水流作用下細顆粒沿骨架顆?？紫读鲃樱S著水頭增加，流失的細顆粒粒徑和數(shù)量增大，骨架顆粒隨水頭增加而逐漸失穩(wěn)，最終導致土體局部滲透破壞，管涌通道形成；（3）水力比降超過顆粒起動臨界水力比降時，顆粒開始起動流失，但隨著管涌通道向上游的發(fā)展，通道前端水力比降逐漸減小，從而導致顆粒流失的粒徑和數(shù)量也逐漸遞減，最終管涌通道停止向上游發(fā)展。直到水頭遠遠超出土體局部破壞臨界比降，骨架顆粒持續(xù)失穩(wěn)發(fā)生位移，因而管涌通道一直向上游擴展，直至發(fā)生潰堤破壞。

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Experim ental study on the m icrocosm ic m echanism of backw ard p ip ing in d ike foundations

YAO Qiu-ling1，2，LIU Chang-jun1，2，DING Liu-qian1，2，ZHANG Shun-fu1，2

（1.China InstituteofWater Resourcesand Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.Center of Disaster Reduction of theMinistry ofWater Resources，Beijing 100038，China）

Small scale experiments are conducted to try to explain the microcosmic mechanism of frequent backward piping in dike foundations during flood seasons.The sand matrix is photographed and recorded by zoom ing in video using the m icroscope and digital imaging analysis system during the experiments.By combining common visual observation of the phenomenon with analysis of the particle grading during differ?ent water head by digital image acquisition system，the particle disp lacement and loss pattern along with the water head increasing are analyzed.The mechanism of backward piping is explained both from macro?scopic and microcosmic view.The experiments show that the particle displacement and loss process are con?sistent with the observed phenomenon.The process of backward piping just refeects the particle displace?ment and loss process.Based on the integrated analysis on the particle disp lacement and piping channel progress，the backward piping mechanism is explored more deeply.This research will trigger the inspiration for establishing both mathematical and numerical models，and is also useful for improving the technology of countermeasures against backward piping.

dike foundations；backward piping；microcosmic mechanism；particle loss；model experiments

TV871

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.01.001

1672-3031（2014）01-0001-07

（責任編輯：王成麗）

2013-12-21

國家國際科技合作項目（2010DFA74520）；中國水利水電科學研究院科研專項（防集1132）

姚秋玲（1981-），女，安徽人，博士生，工程師，主要從事堤防安全和滲流分析控制研究。E-mail：yaoql@iwhr.com

丁留謙（1965-），男，河南人，教授級高級工程師，主要從事防洪減災和滲流分析控制研究。E-mail：dinglq@iwhr.com