細砂層埋深對堤基管涌影響的試驗研究

陳建生，袁克龍，王 霜，張 華，何文政

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點試驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學巖土工程研究所，江蘇 南京 210098)

1 引言

管涌是危害堤防工程安全的主要原因之一，前人對此進行了大量的研究，取得了一系列的成果。李廣信[1]利用模型槽試驗，研究了二元堤基及不同防滲墻深度條件下堤基管涌發(fā)生發(fā)展的過程；毛昶熙[2]指出，管涌的發(fā)生與堤基內(nèi)砂層的厚度、出口水頭損失以及砂基的結(jié)構(gòu)性質(zhì)等因素有關(guān)；劉杰等[3]通過雙層堤基試驗，論證了雙層堤基中的滲透破壞會在砂礫石層上部形成一條由純礫石構(gòu)成的管涌通道，從而導致堤基的流量劇增，加劇上部黏土層的破壞；姚秋玲等[4]對典型的單層和雙層堤基的管涌破壞機制進行了試驗研究；倪小東等[5]利用砂槽模型試驗和顆粒流數(shù)值模擬，分析了管涌發(fā)展過程中試樣的細觀變化規(guī)律；梁越等[6]研究了雙層堤基上覆層變形能力對管涌的影響；羅玉龍等[7]利用其自行研制的剪切滲透儀進行試驗，探究了不同應(yīng)力狀態(tài)對堤基滲透破壞的影響；陳建生等[8]根據(jù)井流理論，研究了管涌的發(fā)生范圍及發(fā)展過程；殷建華[9]將有限元方法引入管涌的研究；周健等[10]利用PFC 顆粒流程序?qū)苡客ǖ纼?nèi)的顆粒做了細觀數(shù)值模擬。

縱觀國內(nèi)外關(guān)于管涌的研究，多集中于雙層堤基的情況，對于3 層及3 層以上堤基的管涌發(fā)生發(fā)展過程研究甚少。丁留謙等[11]曾對由弱透水層、細砂層、強透水砂礫石層組成的3 層堤基的管涌發(fā)展過程進行了研究，指出3 層堤基的管涌破壞區(qū)域和涌砂量要明顯大于雙層堤基；王霜等[12]研究了不同土層結(jié)構(gòu)對堤基管涌發(fā)生發(fā)展過程的影響，通過對細砂層位于砂礫石層內(nèi)部和表面的不同試驗結(jié)果的對比指出，與雙層堤基相比，3 層堤基中砂礫石層內(nèi)夾有細砂層時，將會提高堤基的臨界水力梯度，但破壞一旦發(fā)生，則侵蝕速率和涌砂量都有所提高，對工程的危害較大。上述研究主要集中在細砂層埋深對管涌破壞的影響與雙層堤基管涌破壞的對比上，而對細砂層在砂礫石層內(nèi)部的深度變化對管涌的影響未予關(guān)注。

實際工程中的地質(zhì)條件千差萬別，經(jīng)常會出現(xiàn)細砂層位于砂礫石層內(nèi)部的情況，對于該種工況的研究就顯得相當重要。本文將實際工程中的一些因素進行簡化，在自制的砂槽內(nèi)研究當細砂層位于砂礫石層內(nèi)部不同深度時堤基管涌的發(fā)生及發(fā)展情況，通過對測壓管水位、流量及涌砂量變化的分析，定性地找出其中的規(guī)律，確定含夾砂層堤基中細砂層埋深對堤基管涌發(fā)展的影響機制，并為工程實際提供指導。

2 試驗裝置及步驟

2.1 試驗裝置

試驗在自制的有機玻璃槽中進行，槽長為120 cm，寬為30 cm，高為30 cm，如圖1 所示。槽的左側(cè)為進水室，以透水板與砂槽隔開，使水流均勻地流入砂槽。在砂槽內(nèi)鋪設(shè)黏土層以模擬天然上覆土層，并加剛性玻璃蓋板進行密封。距進水室85 cm 處預(yù)設(shè)有直徑為4 cm 的出水口，以模擬堤基滲透破壞后的管涌口。在砂槽內(nèi)布設(shè)9 根測壓管，用來測量試驗過程中試樣內(nèi)部的孔隙水壓力，各測壓管之間距離為10 cm，橫向深入試樣內(nèi)2 cm，具體布設(shè)位置如圖1 所示。

圖1 試驗裝置圖(單位:cm)Fig.1 Experiment apparatus(unit:cm)

2.2 試驗材料

本次共設(shè)計了4 組試驗，分別改變?nèi)跬杆畬釉谙路鼘又械奈恢茫匝芯科鋵苡康陌l(fā)生及發(fā)展的影響。天然上覆土層一般滲透系數(shù)很小，因此，在試驗中采用黏土進行模擬。下伏層則采用級配間斷的砂礫石，這種砂礫石屬于管涌型土。弱透水層由白色細砂組成，該細砂顆粒均勻，滲透系數(shù)小，因此，可以用于模擬弱透水層，而且還能區(qū)別普通砂，便于試驗現(xiàn)象的觀察。普通砂和白細砂的級配曲線如圖2 所示，物理參數(shù)見表1。

圖2 試驗材料級配曲線Fig.2 Gradation curves of materials

表1 試驗所用材料的物理力學指標Table1 Physico-mechanical properties of materials

2.3 試驗步驟

本次試驗的試驗步驟如下：

（1）裝樣飽和。拌合試樣，采用水下分層填筑的方法進行填筑；每層填筑5 cm，壓實至預(yù)定高度以后填筑另一層；填筑結(jié)束后蓋上蓋板，注水飽和24 h 以上。

（2）逐級提升上游水位進行試驗，每級水位下待滲流穩(wěn)定時記錄各測壓管水位，測量流量，如有涌砂則收集涌砂。

（3）管涌通道形成以后，結(jié)束本次試驗，準備下一組試驗。

3 試驗過程

3.1 試驗1：白色細砂層在砂礫石層內(nèi)1 cm 處

逐級提升上游水位，每級水位施加以后維持20 min 左右，直到滲流達到穩(wěn)定以后再施加下一級水位。根據(jù)流量變化曲線（見圖3）和測壓管水位變化曲線（見圖4）可以分析出試驗主要經(jīng)歷了以下階段：

試驗初期，測壓管水位和流量都隨著上游水位的增加而增加，大致呈線性關(guān)系（見圖3、4）。管涌口處水流清澈而穩(wěn)定，無砂沸現(xiàn)象。

當上游水位提升到25.8 cm 時，管涌口出現(xiàn)砂沸，隨即出現(xiàn)第1 次涌砂。涌出的砂為普通砂和白色砂的混合物，其中以白色砂居多。待測壓管穩(wěn)定后繼續(xù)提升上游水位，流量和測壓管水位都有所增加，且增加速率比上一級水位作用下的要大。涌出的砂中白色顆粒的含量逐步減少，但總的出砂量則比前一階段大。

繼續(xù)提升上游水位至36.2 cm 時，管涌口再次發(fā)生涌砂，涌出的砂中白色砂粒的含量不多，主要為普通砂顆粒，顆粒粒徑比之前涌出的砂大。提升上游水位，流量隨著上游水位的增加而增加，且增加的速率比前一階段要大（見圖3）；距離管涌口較近的測壓管水位則隨著上游水位的增加而減?。ㄒ妶D4）。

待滲流穩(wěn)定以后，逐級提升上游水位直到管涌通道貫通。這一階段流量逐漸增大，測壓管水位則有所降低（見圖3、4）。

圖3 試驗1 流量隨上游水位變化曲線Fig.3 Flux variation with upstream water level of experiment 1

試驗結(jié)束后靜置一段時間，揭開有機玻璃蓋板，觀察試樣滲流通道的發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)砂礫石層頂部的細顆粒已經(jīng)大量流失并形成管涌通道。管涌口附近的白色細砂大量流失，形成較大的破壞區(qū)域，如圖5 所示。

圖5 試驗1 結(jié)束后的管涌通道Fig.5 Piping channel after experiment 1

3.2 試驗2：白色細砂層在砂礫石層內(nèi)2 cm 處

試驗2 的試驗現(xiàn)象在試驗初期與試驗1 基本相同。隨著試驗的進行，當上游水位提升到28 cm 時，管涌口突然大量涌砂，涌出的為普通砂和白色細砂混合物。此時流量和各測壓管水位也發(fā)生急劇變化，流量突然增大（見圖6），各測壓管水頭則有不同程度的降低（見圖7）。待滲流穩(wěn)定以后繼續(xù)提升上游水位，流量隨之而增加。測壓管1和測壓管2 隨上游水位的增加而出現(xiàn)先增加后減小的趨勢，其他的測壓管則出現(xiàn)時升時降的變化。

圖6 試驗2 流量隨上游水位變化曲線Fig.6 Flux variation with upstream water level of experiment 2

圖7 試驗2 測壓管水位隨上游水位變化曲線Fig.7 Hydraulic head variation with upstream water level of experiment 2

試驗結(jié)束后，揭開有機玻璃蓋板觀察管涌通道的發(fā)展情況。如圖8 所示，砂礫石層中細顆粒大量流失，形成滲漏通道。滲漏通道下部的白色細砂顆粒幾乎全部流失，在管涌口附近形成的破壞區(qū)域比試驗1 要小。

3.3 試驗3：細粒白砂在砂礫石層內(nèi)3 cm 處

試驗3 的現(xiàn)象與試驗1、2 不同。整個試驗過程中，流量和各測壓管水位隨著上游水位的增加而增加，且基本保持線性關(guān)系（見圖9、10）。

圖9 試驗3 流量隨上游水位變化曲線Fig.9 Flux variation with upstream water level of experiment 3

圖10 試驗3 測壓管水位隨上游水位變化曲線Fig.10 Hydraulic head variation with upstream water level of experiment 3

當上游水位達到95.3 cm 時開始涌砂，涌出的砂均為普通砂顆粒，涌砂質(zhì)量遠小于試驗1和試驗2。試驗結(jié)束后，揭開有機玻璃蓋板，發(fā)現(xiàn)只有管涌口下方的一小塊區(qū)域砂礫石層發(fā)生破壞，破壞區(qū)域開展深度為1.9 cm，如圖11 所示。

圖11 試驗3 結(jié)束后的管涌通道Fig.11 Piping channel after experiment 3

3.4 試驗4：細粒白砂在砂礫石層內(nèi)5 cm 處

試驗4 試驗過程中流量和各測壓管水位隨上游水位的變化曲線如圖12、13 所示。與試驗3 的試驗現(xiàn)象相類似，試驗4 在整個試驗過程中，流量和各測壓管水位也隨著上游水頭的增加而增加，并基本保持線性關(guān)系。

圖12 試驗4 流量隨上游水位變化曲線Fig.12 Flux variation with upstream water level of experiment 4

圖13 試驗4 測壓管水位隨上游水位變化曲線Fig.13 Hydraulic head variation with upstream water level of experiment 4

當上游水頭達到96.4 cm 時，管涌口處開始涌砂，所涌出的砂均為天然砂顆粒，涌砂量遠小于試驗1、2。試驗結(jié)束后，揭開有機玻璃蓋板觀察管涌通道的發(fā)展狀況，如圖14 所示，破壞區(qū)域只出現(xiàn)在管涌口下方的小塊區(qū)域內(nèi)，開展深度為2.1 cm。

圖14 試驗4 結(jié)束后的管涌通道Fig.14 Piping channel after experiment 4

4 試驗結(jié)果分析

4.1 管涌發(fā)展過程分析

從上述試驗現(xiàn)象可以看出：隨著細砂層埋深的變化，各組試驗的臨界水位分別為25.8、28、95.3、96.4 cm，這說明細砂層埋深是影響含夾砂層堤基管涌發(fā)生和發(fā)展的重要因素。當白色細砂層埋深很淺時，由于其顆粒粒徑較小，級配均勻，滲透系數(shù)小，能有效地阻隔水量向上傳遞[12]，因此，水量主要集中在白色細砂層下部的砂礫石層中，即白色細砂層底部將承受較大的水壓力。在所受水壓力隨上游水位的增加而不斷增加的情況下，由于白色細砂層上部所覆蓋的砂礫石層很薄，所受的壓力較小，當上游水位達到臨界水頭時，白色細砂層和砂礫石層發(fā)生流土破壞，砂礫石層中的細顆粒和白色砂一起涌出。隨著上游水位提升，白色細砂顆粒由于臨界水力梯度較小且被帶出管涌口的滲徑較短，因此，易于流失。白色細砂大量流失后，在管涌口附近形成一個較大的破壞區(qū)域（見圖5）。此時，下部砂礫石層中的巨大的水壓力將主要由白砂層上部的砂礫石層來承受，達到臨界水力梯度的普通砂顆粒不斷涌出，且顆粒越來越大，而白砂顆粒則基本不再涌出。不斷提升上游水頭，滲漏通道逐漸向上游發(fā)展，最終達到貫通。試驗1 的管涌發(fā)生發(fā)展即屬于此種情形。

增大細砂層的埋深，堤基的管涌發(fā)展狀況將有所不同。開始階段，試驗發(fā)展過程與試驗1 類似，即由于白色細砂層的滲透系數(shù)較小，其底部會承受較大的水壓力。但此時的上覆砂礫石層厚度大于試驗1，細砂層不易發(fā)生破壞。相比于試驗1 白色細砂層所受的水壓力消散較小，白色細砂層下部和上部之間的壓力差遠小于試驗1，從而導致臨界水位大于試驗1，且當上游水位達到臨界水頭時，試樣會發(fā)生突然涌砂和流量及測壓管水頭急劇變化的現(xiàn)象。隨著上游水位不斷提高，白色細砂層下部和砂礫石層接觸處的白砂顆粒會在砂礫石層中較大水壓力的作用下被沖出，發(fā)生所謂的“深層破壞”[11]。當上游水位提升到一定程度時，白色細砂層及其上部砂礫石層共同發(fā)生破壞（見圖8）。試驗2 的管涌發(fā)展過程即是如此。

當細砂層埋深增大到一定程度時，堤基管涌發(fā)展過程和上述所討論的兩種情況都不同。由于白色細砂層上部所覆砂礫石層較厚，即白色砂層所受上覆壓力較大，所以能夠承受下部砂礫石層中傳遞來的較大的水壓力。同時由于上部砂礫石層本身較厚，會集中一定的水量，所以當上游水位提升到一定程度時，上部砂礫石層首先發(fā)生水平向滲透破壞，其管涌破壞形式與雙層堤基破壞類似。試驗3和試驗4 的堤基管涌發(fā)展狀況屬于此種情況。

4.2 細砂層臨界埋深的確定

由上述分析可以看出，細砂層埋深對于堤基管涌的發(fā)生發(fā)展機制具有重大影響。埋深較淺時，堤基發(fā)生豎直方向上的流土破壞，臨界水位較低；埋深較深時，堤基的破壞形式與普通雙層堤基類似，發(fā)生的是水平方向上的管涌型滲透破壞。當?shù)袒瑫r發(fā)生水平向和豎直向的管涌破壞時，此時的細砂層埋深即為臨界埋深。

對于細砂層埋深大于臨界埋深的情況，堤基發(fā)生的是水平方向上的管涌破壞，其破壞的臨界水力條件為[13]

式中：Gs為砂礫石的相對密度；n1為砂礫石的孔隙率；d5為小于該粒徑的土粒含量為5%；d20為小于該粒徑的土粒含量為20%；L為進水室與管涌口中心之間的距離；H為堤基臨界水位；icr為堤基臨界水力梯度。

可見當細砂層埋深處于臨界埋深以下時，細砂層埋深對堤基發(fā)生管涌破壞的臨界水基本無影響。

當細砂層的埋深小于臨界埋深時，堤基發(fā)生豎直方向上滲透破壞的臨界水位為[12]

綜上所述，含夾砂層堤基的臨界水位隨著細砂層埋深的增加而增加，但當細砂層埋深大于臨界埋深時，臨界水位的大小基本不受埋深的影響。

由式（2）可以計算出當細砂層埋深大于臨界埋深時，堤基臨界水位的理論值為98.2 cm。試驗中，試驗3、4 的堤基分別在上游水位達到95.3 cm和96.4 cm 時破壞，與98.2 cm 接近。可見理論值與試驗結(jié)果基本相吻合。

通過上述理論公式推導發(fā)現(xiàn)，臨界水位隨著細砂層埋深增加而增加，但當細砂層埋深超過臨界埋深時，埋深基本不對臨界水位的大小產(chǎn)生影響。因此，在工程實際中可以用此方法作為提高堤基破壞時臨界水位的一種手段，只需要將細砂層埋置在臨界埋深處即可最大限度地提高堤基破壞的臨界水位。

4.3 涌砂量分析

各組試驗的累計出砂量隨上游水位的變化曲線如圖15 所示。試驗1 在較低水位下即發(fā)生涌砂，累計涌砂量隨上游水位的增加而增加，且增加速率較大；試驗2 的破壞水位也較低，累計涌砂量變化曲線與試驗1 類似，但出砂量遠大于試驗1，這主要是由試驗1、2 管涌機制不同造成的。首先試驗2管涌發(fā)展的過程是流土破壞和深層管涌破壞共同發(fā)展的過程，天然砂和白砂顆粒一起涌出，出砂量較大；試驗1 初期白色顆粒和天然砂顆粒會一起涌出，后期由于水壓力主要由白砂層上部的砂礫石層承受，所以白砂顆粒基本不再涌出，破壞主要集中于白砂層上部的砂礫石層，出砂量遠小于試驗2。試驗3、4 的管涌發(fā)生發(fā)展機制基本相同，其管涌破壞都發(fā)生于砂礫石層內(nèi)，與雙層堤基的破壞相類似，細砂顆粒僅在砂礫石層表面起動被帶出，因此，管涌通道開展深度及出砂量基本相同，涌砂量比試驗1、2 要小很多。

圖15 各試驗累計涌砂量隨上游水位的變化曲線Fig.15 Cumulative sand production variation with upstream water level

5 結(jié)論

（1）細砂層的埋深不同，堤基臨界水力梯度不同。細砂層埋深小于臨界埋深時，臨界水力梯度較低，且隨埋深增加而提高；細砂層埋深大于等于臨界埋深時，堤基臨界水位較高，且基本不受細砂層埋深的影響。

（2）細砂層的埋深不同，對堤基滲透破壞機制有很大影響。細砂層埋深小于臨界埋深時，由于所受的上覆壓力較小，下部承受砂礫石層傳遞來的較大的水壓力，導致細砂層易被沖破，發(fā)生豎直向的滲透破壞；細砂層埋深大于臨界埋深時，由于上覆壓力較大，細砂層不會被直接沖破，堤基將在細砂層上部的砂礫石層內(nèi)發(fā)生水平向的滲透破壞。

（3）細砂層的埋深不同，涌砂速率不同。細砂層埋深大于臨界埋深時，涌砂速率小，涌砂量少；細砂層埋深小于臨界埋深時，涌砂量大，堤基侵蝕較快。

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