含淺層強(qiáng)透水層堤基的上覆砂層管涌破壞試驗(yàn)研究

毛海濤　王正成　王曉菊　吳恒濱

摘要：

堤基中往往存在局部淺層強(qiáng)透水層并形成滲流優(yōu)先通道，該通道不能大幅度削減流體的水頭勢(shì)能，易引起堤基管涌破壞，此類堤基管涌破壞機(jī)理的研究尚不明朗，仍需進(jìn)一步研究。采用砂槽試驗(yàn)?zāi)M堤基滲流，試驗(yàn)中通過抬升水箱水位，觀察砂土中細(xì)顆粒流失現(xiàn)象，并分析滲流量、滲透坡降、測(cè)壓管水頭、砂土顆粒級(jí)配、錐頭阻力、沉降量等關(guān)鍵參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，水箱水位增大至48 cm，淺層強(qiáng)透水層上覆砂層被“擊穿”發(fā)生管涌破壞，管涌破壞分為穩(wěn)定滲流階段、細(xì)顆粒流失階段（0.05

關(guān)鍵詞：堤基；強(qiáng)透水層；管涌；砂土；錐頭阻力；沉降

中圖分類號(hào)：TU443

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2018）03007308

Abstract：

There is shallow and strong permeable stratum in dike foundation， which can form a prior seepage channel， and fluid head potential isn't weakened by this channel， it is easy to cause dike foundation piping failure， and the study of failure mechanism of dike foundation piping is not clear， it still needs further study. Sand tank test is used to simulate embankment foundation influent in this paper， water block stage is drived up in test， and observing the phenomenon of fine particle loss in sand， and the key parameters of seepage discharge， seepage gradient， piezometric tube head， grain composition of sand， cone resistance and settlement are analysed. The test results show that sand on the shallow and strong permeable stratum occur piping failure when water block stage increases to 48 cm. Piping failure is divided into steady seepage stage， internal erosion of fine particles stage， internal erosion of relative fine particles stage and piping failure expansion stage. The internal erosion of fine particles in process of piping failure， and cone resistance has reduced， sand has settled， and settlement heavily focus on internal erosion of relative fine particles stage. The porosity and permeability coefficient of sand， seepage discharge and seepage gradient increase when fine particle loss. This reseach results can offer theory reference for similar projects.

Keywords：

dike foundation； strong permeable stratum； piping； sand； cone resistance； settlement

管涌是指地基土體在滲流作用下，填充在土體骨架中的細(xì)顆粒被滲流水帶走并形成集中滲流通道的地質(zhì)現(xiàn)象。大量洪災(zāi)資料表明，在大堤洪災(zāi)中，管涌險(xiǎn)情數(shù)量最多，分布范圍廣，且易誘發(fā)重大險(xiǎn)情，甚至導(dǎo)致大堤潰口，是江河大堤在汛期危害最大的險(xiǎn)情之一[1]。1998年，長江干流和洞庭湖區(qū)堤防分別出現(xiàn)險(xiǎn)情698和626處，其中，管涌分別為366和343處，分別占52.44%、54.79%[2]。因此，研究堤基上覆土層管涌破壞的發(fā)生、發(fā)展及破壞機(jī)理，優(yōu)化管涌的預(yù)防及治理措施具有重大意義。由于江河上的堤壩工程多坐落于雙層堤基上，學(xué)者們意識(shí)到有必要針對(duì)雙層堤基管涌破壞進(jìn)行研究。通過有限元、離散元等數(shù)值模擬軟件或砂槽模擬試驗(yàn)研究管涌破壞過程及機(jī)理，如羅玉龍等[3]、陳建生等[4]、李廣信等[5]、梁越等[6]借助砂槽模擬試驗(yàn)分別觀察了管涌的破壞過程，通過分析試驗(yàn)中的參量研究管涌的破壞機(jī)理。胡亞元等[7]、陳生水等[8]、周曉杰等[9]、周健等[10]、劉昌軍等[11]分別采用Galerkin、FEG、PFC3D、GWSS等數(shù)值模擬軟件建立雙層堤（壩）基管涌動(dòng)態(tài)破壞過程，得出管涌破壞與堤身長度、各層堤基的厚度、堤壩兩側(cè)水頭差的關(guān)系。此外，美國[12]、日本[13]、德國[14]、荷蘭[15]等國學(xué)者也針對(duì)雙層堤基的管涌機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)研究，并取得部分成果。但上述學(xué)者們主要研究對(duì)象為單、雙和多層堤基，目前針對(duì)局部區(qū)域存在埋藏較淺的強(qiáng)透水層的堤基管涌破壞過程及機(jī)理的研究還較少見。經(jīng)大量調(diào)查資料顯示，堤基中局部區(qū)域含有淺層強(qiáng)透水層的情況亦較為普遍，如長江中下游堤防[5]、珠江的北江大堤[16]、江西省九江市城防堤、湖南省安造垸堤防、湖北省孟溪垸堤防、湖北省簰洲灣堤防[17]、湖北洪山武金堤和安徽魯港大堤[18]，亟待深入研究。

以局部存在淺層強(qiáng)透水層的砂土堤基為研究對(duì)象，借助室內(nèi)砂槽模型試驗(yàn)，觀察堤基管涌破壞的過程，并通過篩分試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)探討研究管涌破壞的機(jī)理，從而提出防治方案及治理措施。

1材料與方法

1.1材料特性

室內(nèi)管涌試驗(yàn)共計(jì)3種材料：砂卵礫石、砂土、聚乙烯透明塑料紙，其中砂卵礫石和砂土構(gòu)成局部區(qū)域含有淺層強(qiáng)透水層的堤基結(jié)構(gòu)，垂直防滲體和堤身采用聚乙烯透明塑料紙代替。土體均取自長江堤防重慶萬州段左岸，經(jīng)室內(nèi)篩分試驗(yàn)，作砂卵礫石和砂土的顆粒級(jí)配曲線，如圖1所示。

由表1可知，砂土和砂卵礫石的滲透系數(shù)分別為5.07×10-5m·s-1、5.18×10-3m·s-1，砂卵礫石的滲透系數(shù)為砂土的102.17倍，砂土為相對(duì)弱透水層，砂卵礫石為相對(duì)強(qiáng)透水層（下文簡(jiǎn)稱強(qiáng)透水層）。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置用于模擬局部含有淺層強(qiáng)透水層的堤基滲流過程，觀察管涌破壞過程和研究該特定堤基的管涌破壞機(jī)理。砂槽模型試驗(yàn)布置如圖2所示。

由圖2可得，試驗(yàn)裝置由砂槽、測(cè)壓板、高位水塔組成。砂槽由透明的有機(jī)玻璃板和角鋼構(gòu)成，試驗(yàn)砂槽呈“鞋形”，左端為水箱，高于右端。砂槽為長100 cm，寬30 cm，左端高90 cm，右端高50 cm，將砂槽底部高程記為±0 cm。砂土和砂卵礫石分層填筑，構(gòu)成含有局部淺層強(qiáng)透水層的地基，砂卵礫石厚度為15 cm，砂卵礫石底部高程為5 cm，距離砂槽右壁25 cm。砂卵礫石上覆砂土層厚度為8～20 cm。聚乙烯透明塑料紙深入堤基中，底端高程為20 cm，頂端與水箱側(cè)壁相連接。

高位水塔蓄水量為0.85 m3，借助進(jìn)水管向左端水箱引水，模擬河堤靠近河道一側(cè)的河流水位。水箱的側(cè)壁上設(shè)置了水位調(diào)節(jié)管，高程為40 cm。砂槽右端設(shè)置有排水管，高程為40 cm，為避免在排水過程中將表層細(xì)砂帶走，排水管用紗布包裹。砂槽中布置22個(gè)多孔進(jìn)水型鋁管測(cè)壓計(jì)，并與測(cè)壓管相連接，得出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力值[10]。測(cè)壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)的編號(hào)分別為A1A4、B1B4、C1C4、 D1D4、E2E3、 F1F4。

水箱水位h分別為42～60 cm，每隔2 cm設(shè)置一水頭，共計(jì)10個(gè)。試驗(yàn)主要觀察含有局部淺層強(qiáng)透水層堤基的管涌破壞過程，研究堤基管涌破壞機(jī)理，不考慮堤身的滲流，堤身用聚乙烯透明塑料紙和有機(jī)玻璃板代替。水位調(diào)節(jié)管和進(jìn)水管共同調(diào)控水箱的水位。測(cè)壓管中滴入紅色試劑，便于精確讀數(shù)。

1.2.2試驗(yàn)步驟

1）布置垂直防滲體。采用透明膠水將聚乙烯透明塑料紙兩側(cè)固定在水箱側(cè)壁，并用透明膠帶加固，防止接縫處滲漏。

2）堤基填筑及多孔鋁管測(cè)壓計(jì)的安裝。堤基填筑通過干密度、土料含水率控制，按照?qǐng)D2（a）所示進(jìn)行分層壓實(shí)；填筑過程中，在22個(gè)測(cè)壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝多孔進(jìn)水型鋁管測(cè)壓計(jì)。

3）蓄水及測(cè)壓管排氣。打開進(jìn)水閥，開始蓄水，將水箱調(diào)控至預(yù)設(shè)水位。讀數(shù)前應(yīng)將測(cè)壓管（透明橡膠管、硬塑料管）中的氣泡排凈，精確讀數(shù)。

4）讀數(shù)。通過燒杯量測(cè)排水管的流量（即滲流量）。為減小孔隙水壓力讀數(shù)誤差，進(jìn)行多次讀數(shù)，求取均值。同理，讀取3次測(cè)壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水頭，求取平均值。

5）觀察滲透管涌破壞過程。觀察上覆砂層滲透破壞的發(fā)生及發(fā)展，借助高清照相機(jī)拍攝強(qiáng)透水層上覆砂土在各水頭下的滲流情況。

6）試驗(yàn)對(duì)比分析。取A點(diǎn)區(qū)域的砂土進(jìn)行靜力觸探試驗(yàn)和顆粒篩分試驗(yàn)，測(cè)出錐頭阻力和各粒徑砂土所占的百分比。

7）多次測(cè)量點(diǎn)A的高程，求取平均值。

8）改變水箱水位h，重復(fù)步驟1）～7）。

2理論計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果

2.1理論計(jì)算

采用Koenders模型為理論基礎(chǔ)，基于工程實(shí)際和物理模型，發(fā)展了Sellmeijer的模型，推導(dǎo)得出臨界水力梯度公式見式（1）。

2.2試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中采用逐級(jí)升高水箱水位的方式來驅(qū)動(dòng)滲流及滲透破壞的發(fā)生過程，從42 cm一直增大至60 cm，觀察滲流現(xiàn)象。當(dāng)在該級(jí)水頭下滲流穩(wěn)定后，再抬高至下一級(jí)水頭進(jìn)行試驗(yàn)，每次抬升2 cm。根據(jù)滲流量和各測(cè)壓管讀數(shù)是否發(fā)生變化，判定堤基滲流是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)各級(jí)水頭達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下，記錄各級(jí)水位值、測(cè)壓管讀數(shù)和堤基滲流量，將結(jié)果列入表2。 J為平均滲透比降J=h/L，式中L為最短滲徑，即為管涌口到進(jìn)水面的最短距離，試驗(yàn)中L取75 cm。

3試驗(yàn)現(xiàn)象分析

借助高清照相機(jī)對(duì)管涌發(fā)生前、管涌發(fā)展過程進(jìn)行拍照，利用圖像觀察細(xì)砂顆粒在砂土顆粒間的移動(dòng)現(xiàn)象，各水位下拍攝得到的典型圖像如圖3所示。

由圖3可得，砂土層滲流過程可以分為幾個(gè)階段：

1）穩(wěn)定滲流階段（42 cm≤h<48 cm），如圖3（a）所示。在該階段A點(diǎn)的滲透坡降從0.034逐漸升高至0.133，小于砂土的臨界水力梯度ic=0.152。滲流初期砂土表層有渾水冒出，在砂土顆粒骨架間有氣泡在移動(dòng)，一些細(xì)小的粉土顆粒隨著滲流水移出土體骨架顆粒，15 min后滲水逐漸清澈。將水箱水位升高至48 cm時(shí)，A處砂土骨架顆粒間有細(xì)小砂粒開始出現(xiàn)輕微的翻滾，但由于滲透坡降較小，細(xì)顆粒并未隨滲流水流走。

2）細(xì)顆粒流失階段（48 cm≤h<52 cm），如圖3（b）所示。A點(diǎn)的滲透坡降由0.166升高至0.199，JA大于臨界水力梯度ic=0.152，砂層發(fā)生管涌破壞，管涌范圍相對(duì)較小，靠近強(qiáng)透水層的砂土中的細(xì)顆粒在滲透力的作用下翻滾“沸騰”，細(xì)顆粒隨滲水從管涌口逐漸流失。從圖3不難看出，靠近砂卵礫石表層的砂土僅剩下粗顆粒，能清晰的反映出砂土層的骨架顆粒。

3）較細(xì)顆粒流失階段（52 cm≤h<58 cm），如圖3（c）所示。A點(diǎn)的滲透坡降在上一階段的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大至0.289，從圖中清晰可見，管涌通道呈“V”型，較細(xì)顆粒隨著滲水進(jìn)一步流失，砂土骨架顆粒與砂卵礫石層聯(lián)通成一優(yōu)先滲流通道。

4）管涌破壞擴(kuò)大階段（58 cm≤h≤60 cm），如圖3（d）所示。滲透坡降升高到0.331，為臨界水力梯度的2.18倍。對(duì)比圖3（c）和圖3（d）可得，在該水利梯度下管涌破壞范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，管涌破壞仍呈現(xiàn)“V”型。

4堤基滲流場(chǎng)與顆粒級(jí)配分析

4.1堤基滲流場(chǎng)分析

通過燒杯量測(cè)排水管的流量，即得到堤基滲流量，作滲流量隨水箱水位的變化曲線如圖4所示。

當(dāng)處于穩(wěn)定滲流階段（HI）時(shí)，滲流量很小，流速緩慢，隨上游水頭的上升呈線性增長，經(jīng)擬合Q隨h變化的函數(shù)表達(dá)式為：Q=0.267h-10.65，可見在穩(wěn)定滲流階段其滲透系數(shù)未發(fā)生改變。隨著水箱水位進(jìn)一步升高，砂土層發(fā)生管涌破壞，滲流進(jìn)入細(xì)顆粒流失階段（IJ），滲流量突然增大，偏離HI階段的線性函數(shù)，砂土的滲透系數(shù)明顯增大。

最后進(jìn)入較細(xì)顆粒流失階段（JK）和砂層管涌破壞擴(kuò)大階段（KL）。在后3個(gè)階段中，滲透系數(shù)相比穩(wěn)定滲流階段都有較為明顯的增大趨勢(shì)，Q隨h變化的函數(shù)表達(dá)式分別為：Q=0.505h-22.034、Q=0.65h-29.6、Q=0.75h-35.4。

根據(jù)測(cè)壓管水頭（多次讀數(shù)求取平均值）計(jì)算得出圖2（a）中點(diǎn)A的滲透坡降JA，作滲透坡降JA隨水箱水位h的變化曲線如圖5所示。

由圖5可得，滲透坡降JA隨水箱水位h的變化規(guī)律同圖4一致，同樣分為滲流穩(wěn)定階段、細(xì)顆粒流失階段、較細(xì)顆粒流失階段、砂層管涌擴(kuò)大階段，各階段近似呈線性變化，其表達(dá)式分別為：JA=0016h-0.624、JA=0.03h-1.3、JA=0.038 6h-1.738、JA=0.055h-2.685；每一階段的變化規(guī)律在此不再贅述。

4.2管涌處砂土顆粒級(jí)配分析

第3節(jié)已經(jīng)針對(duì)試驗(yàn)過程的現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)描述，4.1小節(jié)中針對(duì)滲流量Q和砂土表層A點(diǎn)處的滲透坡降JA進(jìn)行分析，分析得到在滲流穩(wěn)定階段未發(fā)生滲透破壞，隨著水箱水位的升高，表層砂土逐漸發(fā)生管涌破壞。由此可知，滲透系數(shù)的增大導(dǎo)致滲流量增加，砂土骨架顆粒間的間隙決定了滲透系數(shù)的大小。在不同水箱水頭下，取A點(diǎn)附近區(qū)域的砂土層進(jìn)行篩分試驗(yàn)，將結(jié)果列入表3。

結(jié)合表3和圖6可得，當(dāng)?shù)袒幱诜€(wěn)定滲流階段（42 cm≤h<48 cm）時(shí)，0.034≤J<0.128，J

當(dāng)?shù)袒幱诩?xì)顆粒流失階段（48 cm≤h<52 cm）時(shí)，0.128≤J<0.247，超過允許值，在該階段隨著水箱水位的升高，逐漸發(fā)生管涌破壞，由表2和圖6可得0.05

同理，當(dāng)?shù)袒幱谳^細(xì)顆粒流失階段（52 cm≤h<58 cm），0.247≤J<0.476，對(duì)比曲線2和曲線3可得，0.075

5堤基應(yīng)力場(chǎng)分析

5.1錐頭阻力分析

錐頭阻力在靜力觸探試驗(yàn)中扮演重要角色，通過錐頭阻力能獲得巖土體力學(xué)參數(shù)，能表征土體的級(jí)配狀況。采用靜力觸探試驗(yàn)獲取試驗(yàn)前后砂土層的錐頭阻力值，作砂土層錐頭阻力隨深度的變化如圖7所示。

砂土屬粗顆粒土，沒有內(nèi)聚力，其抗剪強(qiáng)度的大小主要取決于內(nèi)摩擦角，錐頭阻力的表達(dá)式為

qc=σv0Nq（4）

式中：σvo為土層上覆壓力，kPa，和土層的深度有關(guān)；σvo=γh；Nq為對(duì)砂土的無量綱錐頭阻力系數(shù)。

由圖7可得，各階段下砂層的錐頭阻力都隨著貫入深度的增加而增大，同式（4）的規(guī)律相符。對(duì)比各階段的錐頭阻力的變化規(guī)律可得，隨著管涌破壞的發(fā)展，砂土骨架顆粒間的細(xì)顆粒逐漸流失，錐頭阻力逐漸變小。由此可見，由于管涌破壞，砂土層中的細(xì)顆粒被帶走，土體顆粒間的相互作用力發(fā)生改變，錐頭阻力下降。

5.2管涌處砂土沉降分析

隨著水箱水位的升高，A點(diǎn)區(qū)域砂土的滲透坡降隨之增大，砂土層逐漸發(fā)生管涌破壞，改變砂土骨架顆粒的應(yīng)力狀態(tài)，A點(diǎn)高程逐漸減小，作點(diǎn)A的高程隨水箱水位的變化曲線，如圖8所示。

由圖8可得，在各階段A點(diǎn)高程隨水箱水位變化的規(guī)律一致，都是隨著水箱水位的升高而降低，總沉降為8.67 cm。但也存在不同，其沉降速度存在明顯的區(qū)別，1～4階段的沉降量分別為：1.97、1.82、3.53、1.35 cm，分別占總沉降的2272%、20.99%、40.72%、15.57%。由此可見，管涌出口處砂層的主要沉降發(fā)生在較細(xì)顆粒流失階段。

6結(jié)論與建議

1）局部淺層強(qiáng)透水層易形成優(yōu)先滲流通道，其上覆較薄砂土層易被“擊穿”，即發(fā)生管涌破壞。管涌破壞分為穩(wěn)定滲流階段、細(xì)顆粒流失階段、較細(xì)顆粒流失階段、管涌破壞擴(kuò)大階段；其中，穩(wěn)定滲流階段無砂顆粒流失，后3個(gè)階段分別流失0.05

2）隨著管涌破壞的發(fā)展，砂土中的細(xì)顆粒流失，砂土滲透系數(shù)上升，滲流量和滲透坡降快速增大，且在各階段近似呈線性變化；錐頭阻力逐漸變小，砂土層發(fā)生沉降，且最大沉降發(fā)生在較細(xì)顆粒流失階段。

堤基中若存在強(qiáng)透水層時(shí)，應(yīng)給予足夠的重視，采取增大防滲墻深度截?cái)鄰?qiáng)透水層或設(shè)置反慮等措施，防止發(fā)生管涌破壞。

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（編輯胡玲）