上覆壓力下深厚覆蓋層潛蝕發(fā)展過(guò)程試驗(yàn)研究

盛希璇　張肖肖　盛喬華　王璠　羅玉龍

摘要：為研究深厚覆蓋層內(nèi)防滲墻端部土體潛蝕發(fā)生發(fā)展規(guī)律，開(kāi)展了不同上覆壓力作用下深厚覆蓋層內(nèi)防滲墻端部土體的潛蝕模型試驗(yàn)研究。通過(guò)在防滲墻端部設(shè)置可示蹤移動(dòng)的彩砂區(qū)來(lái)直觀反映潛蝕發(fā)展過(guò)程中細(xì)顆粒的運(yùn)移軌跡，并以?xún)?nèi)部滲透梯度、滲流量為指標(biāo)詳細(xì)描述了土體潛蝕發(fā)生發(fā)展破壞的全過(guò)程。試驗(yàn)結(jié)果表明：不同上覆壓力作用下深厚覆蓋層內(nèi)防滲墻端部土體潛蝕發(fā)展過(guò)程可分為滲透穩(wěn)定階段、發(fā)生階段、發(fā)展階段和破壞階段;上覆壓力越大，潛蝕發(fā)生時(shí)上下游水頭差越大，且潛蝕發(fā)生一發(fā)展一破壞時(shí)上下游水頭差與上覆壓力呈線(xiàn)性關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)條件下，發(fā)生運(yùn)移的細(xì)顆粒粒徑主要在2 mm以下，上覆壓力越大細(xì)顆粒向下游運(yùn)動(dòng)的距離越長(zhǎng)，說(shuō)明潛蝕發(fā)生時(shí)細(xì)顆粒的運(yùn)移規(guī)律具有一致性。但不同上覆壓力作用下，土體發(fā)生潛蝕的臨界坡降不同，且滲徑略有差異。

關(guān)鍵詞：深厚覆蓋層地基;潛蝕;上覆壓力;模型試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TV139.16

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.04.022

深厚覆蓋層是指堆積于河床之中.厚度大于30 m的第四紀(jì)松散堆積物[1].是一種內(nèi)部不穩(wěn)定土，而潛蝕是指滲流攜帶內(nèi)部不穩(wěn)定土體中的部分細(xì)顆粒在骨架孔隙中運(yùn)移流失，逐漸在地基內(nèi)部形成局部被掏空、局部被充填的現(xiàn)象[2-3]。張文倬[4]提出深厚覆蓋層的地層結(jié)構(gòu)差異顯著，地質(zhì)成因多樣，內(nèi)部常存在塊石架空層.建壩后在上下游水頭差作用下會(huì)形成強(qiáng)滲透作用，這為深厚覆蓋層壩基內(nèi)部發(fā)生潛蝕提供了物質(zhì)條件、滲流出口條件和水力條件。因此，有必要開(kāi)展深厚覆蓋層滲透穩(wěn)定尤其是工程上關(guān)心的局部潛蝕的研究工作，為在深厚覆蓋層建高土石壩基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)等提供理論依據(jù)。

深厚覆蓋層地基的滲透穩(wěn)定性問(wèn)題即潛蝕問(wèn)題，潛蝕的發(fā)展將進(jìn)一步加劇地基物理力學(xué)性質(zhì)的不均勻性，進(jìn)而造成地基不均勻沉降[5].破壞壩體或壩基防滲體[6]，威脅大壩安全。結(jié)合工程實(shí)踐，潛蝕對(duì)大壩安全的威脅很大，如巴基斯坦的Tarbela大壩、加拿大的Three Sisters大壩、WAC Bennett大壩和南非的Mogoto大壩等因潛蝕的發(fā)展而導(dǎo)致水庫(kù)蓄水后在不同部位出現(xiàn)了大量深坑和塌陷，嚴(yán)重威脅了大壩安全。巴基斯坦Tarbela大壩是一個(gè)以壩體填方量最大、不透水鋪蓋最長(zhǎng)而著名的工程，1974年第一次蓄水，若干年后上游鋪蓋出現(xiàn)了362個(gè)塌坑，塌坑最大直徑達(dá)12.2 m、深4.0 m，下游滲流量高達(dá)9.4 m/s.水庫(kù)因此被迫放空[7]。大量的大壩事故表明，不穩(wěn)定土體深厚覆蓋層內(nèi)的地基潛蝕對(duì)壩體或壩基的防滲結(jié)構(gòu)危害極大，而防滲墻是控制壩體地下滲流的主要部位，能夠增大墻體邊界的滲透坡降，提高潛蝕發(fā)生的概率：由地質(zhì)結(jié)構(gòu)和顆粒組成決定防滲墻端部的滲流速度最大，這就決定了防滲墻端部是潛蝕極易發(fā)生部位：由潛蝕引起的壩體變形一局部塌陷及不均勻沉降會(huì)威脅大壩的安全穩(wěn)定[8]。因此，研究不穩(wěn)定土體深厚覆蓋層內(nèi)潛蝕問(wèn)題，特別是防滲墻端部的潛蝕，對(duì)大壩安全和地基處理非常重要。

對(duì)于潛蝕發(fā)生條件的研究，最初僅考慮水力條件的影響。Skempton等[9]提出了應(yīng)力折減因子的概念，并推測(cè)內(nèi)部不穩(wěn)定砂礫料的骨架可能承擔(dān)了大部分有效應(yīng)力，而填充料僅分擔(dān)很小的有效應(yīng)力，因此填充料可以在很小的坡降下發(fā)生移動(dòng)。應(yīng)力折減因子的提出為從細(xì)觀角度認(rèn)識(shí)內(nèi)部侵蝕的機(jī)理提供了一條可行的路徑。隨著研究的深入，眾多學(xué)者開(kāi)始關(guān)注土體所處應(yīng)力狀態(tài)對(duì)內(nèi)部侵蝕發(fā)生條件的影響。Moffat等[10-11]探討了軸向壓力對(duì)內(nèi)部侵蝕發(fā)展的影響，指出內(nèi)部侵蝕臨界坡降與豎向有效應(yīng)力呈線(xiàn)性關(guān)系。蔣中明等[12-13]的研究也表明，臨界坡降與軸向壓力之間呈線(xiàn)性關(guān)系。謝定松等[14-15]研究了深厚覆蓋層土體滲透試驗(yàn)的縮尺原則，并探討了土體密度、級(jí)配及軸向壓力對(duì)抗?jié)B坡降的影響，結(jié)果表明抗?jié)B坡降與干密度、細(xì)顆粒含量、軸向壓力之間均呈線(xiàn)性關(guān)系。羅玉龍等[16-17]研制了滲流一侵蝕一應(yīng)力耦合內(nèi)部侵蝕試驗(yàn)裝置，開(kāi)展了非穩(wěn)定流條件下內(nèi)部侵蝕發(fā)展規(guī)律的研究，發(fā)現(xiàn)非穩(wěn)定流條件下內(nèi)部侵蝕破壞坡降明顯小于穩(wěn)定流條件下的破壞坡降。Richards等[18-19]研制了真三軸管涌試驗(yàn)裝置模擬土體的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，指出內(nèi)部侵蝕臨界滲流速度能夠更好地描述無(wú)黏性土的內(nèi)部侵蝕發(fā)展過(guò)程，它與應(yīng)力狀態(tài)、孔隙水壓力有關(guān)。馮樹(shù)榮等[20]針對(duì)向家壩左岸壩基破碎巖體開(kāi)展了原位滲透試驗(yàn)，結(jié)果表明巖體所處應(yīng)力越大臨界坡降越大。上述研究表明，土體所處應(yīng)力、水力條件均會(huì)對(duì)管涌發(fā)展過(guò)程產(chǎn)生重要影響。

綜上所述，砂礫石深厚覆蓋層內(nèi)部侵蝕問(wèn)題，特別是防滲墻端部潛蝕的危害已經(jīng)越來(lái)越多地被眾多學(xué)者關(guān)注，而深入研究發(fā)現(xiàn)在潛蝕的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中細(xì)顆粒始終在骨架孔隙中移動(dòng)，土體所處應(yīng)力狀態(tài)顯著影響骨架的孔隙特性和土體中粗細(xì)料的受力情況，進(jìn)而直接影響潛蝕發(fā)生的幾何和水力條件[10-12]。因此，本文以室內(nèi)潛蝕流固耦合試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)不同上覆壓力作用下深厚覆蓋層潛蝕的發(fā)生、發(fā)展直至破壞全過(guò)程進(jìn)行探討，分析誘導(dǎo)潛蝕發(fā)生的潛在因素。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)裝置及材料

1.1.1 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)采用河海大學(xué)自行研制的深厚覆蓋層地基潛蝕流固耦合試驗(yàn)裝置。該裝置包括流失細(xì)顆粒收集系統(tǒng)、軸向壓力系統(tǒng)、滲透壓力系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。

流失細(xì)顆粒收集系統(tǒng)可實(shí)時(shí)收集試驗(yàn)過(guò)程中細(xì)顆粒的流失量，其設(shè)置在下游出口，運(yùn)移出試樣的細(xì)顆?？赏ㄟ^(guò)多孔鋼板進(jìn)入漏斗形出水口，然后人工收集、烘干、稱(chēng)量等。上覆壓力系統(tǒng)模擬深厚覆蓋層地基的上覆荷載（如高土石壩的上覆壓力等），最大上覆壓力可達(dá)1000 kN（試樣承受的最大上覆壓力為3.0 MPa）。滲透壓力系統(tǒng)模擬深厚覆蓋層土體所承受的上下游滲透壓力差，有低壓和高壓兩種工作模式。低壓由移動(dòng)水箱提供，最大水頭3m，高壓由上游水庫(kù)容器輸出，最大滲透壓力可達(dá)0.5 MPa.能夠?qū)崿F(xiàn)高低水頭的快速切換。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)上覆壓力、沉降、滲流進(jìn)出口水壓力、模型內(nèi)部測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力、土壓力等。

1.1.2 選定顆粒級(jí)配

開(kāi)展?jié)撐g試驗(yàn)每次裝樣工作量大，耗時(shí)長(zhǎng)，為了提高工作效率，使大尺度內(nèi)管涌試驗(yàn)的滲透破壞現(xiàn)象最明顯，首先要采用常規(guī)滲流試驗(yàn)筒對(duì)5種不同顆粒級(jí)配（<5 mm顆粒含量分別為30%、25%、20%、18%、15%）的深厚覆蓋層土料進(jìn)行初篩。通過(guò)一系列滲流試驗(yàn)筒的管涌試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：小于5 mm的顆粒含量為30%的深厚覆蓋層土料破壞后在出口端存在大量細(xì)顆粒跳躍現(xiàn)象，滲透破壞現(xiàn)象十分明顯，且試驗(yàn)的延長(zhǎng)時(shí)間明顯較短。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和大尺度管涌試驗(yàn)的土料初選標(biāo)準(zhǔn)，選擇小于5 mm的顆粒含量為30%的深厚覆蓋層土料作為本次潛蝕試驗(yàn)的土料。潛蝕試驗(yàn)裝置的有效厚度為30 cm.根據(jù)土工試驗(yàn)的基本要求，試驗(yàn)裝置長(zhǎng)度最好大于模型土體的最大顆粒粒徑的5倍，本試驗(yàn)裝置允許的最大顆粒粒徑為6 cm。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（ SL237-1999），對(duì)于超粒徑顆粒采用等量替代法進(jìn)行處理，得到本次潛蝕試驗(yàn)所采用深厚覆蓋層土料的顆粒級(jí)配曲線(xiàn)。計(jì)算得到本次采用的深厚覆蓋層土的不均勻系數(shù)C=50。

1.1.3 判定土體內(nèi)部穩(wěn)定性

由于潛蝕只能發(fā)生在內(nèi)部不穩(wěn)定土體中，因此需要對(duì)試驗(yàn)所采用的深厚覆蓋層土料的土體內(nèi)部穩(wěn)定性進(jìn)行判別。文獻(xiàn)[3，21-23]給出了不同土體內(nèi)部穩(wěn)定性判別方法。由土的不均勻系數(shù)C可知，本試驗(yàn)所采用的深厚覆蓋層土料為寬級(jí)配的砂礫石土料，符合各判別方法中對(duì)土料的描述。由文獻(xiàn)[3，21-23]中4種判別方法的判斷結(jié)果可知，本試驗(yàn)采用的深厚覆蓋層土料為內(nèi)部不穩(wěn)定土，可以應(yīng)用于潛蝕試驗(yàn)研究。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

基于對(duì)深厚覆蓋層地基中潛蝕的基本認(rèn)識(shí)，開(kāi)展不同上覆壓力（工況- 0.2 MPa、工況二0.8 MPa、工況三1.6 MPa、工況四2.4 MPa）下防滲墻端部潛蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程如下。

首先，進(jìn)行試樣填筑，如圖2所示。試樣填筑步驟：①土料準(zhǔn)備，對(duì)不同粒徑的土料進(jìn)行烘干，利用篩分機(jī)按照顆粒級(jí)配曲線(xiàn)篩分，按照填筑干密度（2. 36g/cm3）及填筑體積（分層填筑高度為10 cm）計(jì)算所需土料質(zhì)量，加少量水將土料拌勻：②黏土層的分層擊實(shí)、深厚覆蓋層土料的分層填筑，將深厚覆蓋層土料分成幾份倒人模型槽，利用擊實(shí)裝置擊實(shí)土料至預(yù)定高度，以保證每層土料的密實(shí)度相同;③防滲墻的埋設(shè)，當(dāng)填筑土樣高度達(dá)到防滲墻端部高度時(shí)，開(kāi)始放置防滲墻;④傳感器的埋設(shè)，當(dāng)模型填筑至傳感器所在高度時(shí)，為消除邊界效應(yīng)影響，所有孔隙水壓力探頭和土壓力計(jì)均埋設(shè)在裝置中軸線(xiàn)上（見(jiàn)圖3），以便更精確描述管涌發(fā)展過(guò)程中滲透坡降、水流狀態(tài)、土壓力的變化情況。分別在上下游進(jìn)出口設(shè)置了相對(duì)不透水的黏土層邊界，以便在防滲墻端部形成明顯的滲流集聚效應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)防滲墻端部細(xì)顆粒運(yùn)移流失軌跡的可視化，方便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)管涌發(fā)展過(guò)程中的細(xì)顆粒運(yùn)動(dòng)，在內(nèi)管涌發(fā)生、發(fā)展的關(guān)鍵區(qū)域——防滲墻端部下游側(cè)設(shè)置了彩砂區(qū)。這里將原試驗(yàn)土料中粒徑小于1 mm的顆粒替換為彩色砂粒，而超過(guò)1 mm的顆粒仍然采用原土料。所選彩砂與原顆粒具有相同的比重和類(lèi)似的顆粒形狀，且顆粒分級(jí)和壓實(shí)狀況相似，以此期望最大限度地保持彩砂區(qū)物理力學(xué)性質(zhì)與其他區(qū)域一致。

其次，分級(jí)施加上覆壓力，記錄施加上覆壓力過(guò)程中壓力及位移傳感器的讀數(shù)，施加至指定上覆壓力后，保持后續(xù)試驗(yàn)中上覆壓力始終不變。

再次，模型土體飽和，并保證模型在較低滲透壓力差作用下緩慢飽和，避免模型在飽和過(guò)程中出現(xiàn)滲透破壞，模型飽和完畢后，記錄各測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力。

最后，分級(jí)緩慢施加滲透壓力，施加每一級(jí)滲透壓力后保持不變，每隔10 min測(cè)量一次滲流量，注意觀察出水的渾濁程度。同時(shí)，利用玻璃壁密切關(guān)注防滲墻端部及彩砂區(qū)的細(xì)顆粒移動(dòng)情況，做好記錄及現(xiàn)象描述。當(dāng)滲流量變化不大時(shí)，說(shuō)明模型已達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，可繼續(xù)增大滲透壓力，直至發(fā)生明顯破壞時(shí)停止施加滲透壓力，結(jié)束試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同上覆壓力下內(nèi)管涌發(fā)展破壞的全過(guò)程

表1給出了不同上覆壓力條件下模型土體在飽和、穩(wěn)定滲流、潛蝕發(fā)生、潛蝕發(fā)展破壞的全過(guò)程中滲流量與上下游水頭差的關(guān)系?？梢钥闯?，滲流量的變化過(guò)程能夠很清楚地體現(xiàn)潛蝕的發(fā)生、發(fā)展破壞過(guò)程。初始狀態(tài)為模型土體飽和狀態(tài)，土體飽和之后且未發(fā)生潛蝕之前為穩(wěn)定滲流階段，此時(shí)水頭差和滲流量都較?。寒?dāng)上下游水頭差增大到一定程度時(shí)，滲流量有所增大，且滲流水由初始的清水變?yōu)槲⒒鞚釥顟B(tài)，表明內(nèi)管涌剛開(kāi)始發(fā)生;當(dāng)上下游水頭差繼續(xù)增大時(shí)，滲流量會(huì)發(fā)生劇烈的上下波動(dòng)，且流出水呈現(xiàn)混濁狀態(tài)，表明此時(shí)已發(fā)生明顯的內(nèi)管涌破壞。

圖4為滲流量與上下游水頭差關(guān)系曲線(xiàn)?？梢钥闯觯撼跏茧A段的水頭差較小，該階段為試驗(yàn)的第一階段，即模型土體飽和階段，為保證模型完全飽和且不發(fā)生滲透破壞.該階段時(shí)間較長(zhǎng)。整個(gè)模型土體飽和過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)防滲墻端部上下游附近區(qū)域的細(xì)顆粒運(yùn)移現(xiàn)象（從玻璃壁面一側(cè)觀察），同時(shí)，下游出口的滲流水為清水，漏斗內(nèi)未發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒流出現(xiàn)象。試驗(yàn)的第二階段較第一階段水頭差略大，該階段為潛蝕發(fā)生前的穩(wěn)定階段。試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)防滲墻端部有細(xì)顆粒運(yùn)移現(xiàn)象，下游出口的滲流水為清水，漏斗內(nèi)也未發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒流出現(xiàn)象，說(shuō)明此階段潛蝕尚未發(fā)生。繼續(xù)增大上下游水頭差為試驗(yàn)的第三階段，該階段為潛蝕發(fā)生階段，與上一階段相比，該階段滲流量顯著提高，同時(shí)出口滲流水開(kāi)始呈微混濁狀態(tài)，說(shuō)明潛蝕開(kāi)始發(fā)生。到了試驗(yàn)的第四階段，即潛蝕發(fā)展破壞階段，水頭差逐漸達(dá)到最大值，且分級(jí)施加滲透壓力。在上下游水頭差逐漸增大的過(guò)程中，首先，防滲墻端部上游側(cè)有細(xì)顆粒向下游移動(dòng)，而防滲墻下游側(cè)彩砂區(qū)內(nèi)及彩砂向上層土體中也有明顯的細(xì)顆粒運(yùn)移現(xiàn)象，表明潛蝕已處于發(fā)展階段;其次，距離防滲墻端部較遠(yuǎn)的下游側(cè)的孔隙水壓力計(jì)的讀數(shù)始終不能穩(wěn)定，上下波動(dòng)，表明該區(qū)域的水流狀態(tài)已發(fā)生改變，防滲墻端部下游側(cè)較遠(yuǎn)區(qū)域也已經(jīng)發(fā)生明顯的細(xì)顆粒運(yùn)移;再次，繼續(xù)施加滲透壓力后，防滲墻端部的上游側(cè)形成滲漏通道，出現(xiàn)明顯的、時(shí)間較短的間歇性細(xì)顆粒跳動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)防滲墻端部下游側(cè)的彩砂區(qū)也出現(xiàn)明顯的、持續(xù)的細(xì)顆粒跳動(dòng)現(xiàn)象，滲出水依然呈微混濁狀態(tài)，表明潛蝕依然處于發(fā)展過(guò)程中：最后，持續(xù)增大上下游水頭差和滲透壓力后，防滲墻端部下游側(cè)彩砂區(qū)上方的砂粒跳動(dòng)更加明顯、劇烈，下游出口處形成明顯滲漏通道，下游出口處流出大量細(xì)砂，滲出水開(kāi)始由微混濁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛鞚釥顟B(tài)，此時(shí)的流量明顯大于潛蝕發(fā)生時(shí)的滲流量，說(shuō)明潛蝕已處于發(fā)展破壞階段。

對(duì)于工況一，潛蝕從發(fā)生到發(fā)展破壞階段的滲流量并不是單調(diào)遞增的，潛蝕發(fā)生后流量由10.7 mL/s突增到13.6 mUs.下游出口的滲流水也由清水變?yōu)槲⒒鞚釥顟B(tài)。繼續(xù)增大上下游水頭差后，滲流量下降至11.2 mL/s，滲流水也由混濁狀態(tài)變?yōu)榍逅?。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是細(xì)顆粒的大量運(yùn)移導(dǎo)致孔隙淤堵，暫時(shí)抑制潛蝕的發(fā)展。繼續(xù)施加滲透壓力后，下游出口處流出大量細(xì)砂，滲出水重新呈混濁狀態(tài)。與上一級(jí)水頭差相比，本級(jí)水頭差作用下，流量驟增，清水變渾水，可能是大部分淤堵孔隙被重新沖開(kāi)所致。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其他工況與工況一的潛蝕發(fā)展破壞階段的流量變化十分相似，說(shuō)明管涌的發(fā)展過(guò)程并不是一直持續(xù)的，而是存在細(xì)砂侵蝕運(yùn)移、淤堵于孔隙中、重新沖開(kāi)孔隙、重新運(yùn)移等眾多復(fù)雜現(xiàn)象[17]。隨著上下游水頭差的增大，下游出口處的細(xì)砂并不是一直增加的，而滲流水出現(xiàn)時(shí)清水時(shí)混濁的現(xiàn)象，原因是細(xì)顆粒在滲流通道的運(yùn)移過(guò)程中，當(dāng)遇到大于其直徑的滲流通道時(shí)，細(xì)顆?？梢猿掷m(xù)運(yùn)移，而當(dāng)細(xì)顆粒直徑大于滲流通道時(shí)，細(xì)顆粒將堵塞孔隙，導(dǎo)致后面的細(xì)顆粒一起停留在堵塞位置，直到繼續(xù)增大滲透壓力，使得細(xì)顆粒沖開(kāi)堵塞的孔隙時(shí)滲流水會(huì)帶出更多的細(xì)砂，但之后孔隙通道可能繼續(xù)堵塞。即管涌的發(fā)展破壞過(guò)程就是一個(gè)運(yùn)移一堵塞一堵塞沖開(kāi)一重新運(yùn)移的緩慢的、循環(huán)往復(fù)的過(guò)程[17]。

工況二下滲流量變化趨勢(shì)與其他工況的變化趨勢(shì)略有不同，其潛蝕破壞時(shí)的滲流量小于潛蝕發(fā)生時(shí)的滲流量，原因可能是可移動(dòng)細(xì)顆粒流向下游滲流出口段并堆積填實(shí)，改變了滲流量的變化趨勢(shì)，這是潛蝕與常規(guī)管涌的不同之處。同時(shí)，工況三潛蝕發(fā)生之前，下游出口處出現(xiàn)較明顯的滲漏通道，大量砂粒運(yùn)移流失，但是這并不表明此時(shí)已發(fā)生潛蝕，而只是下游出口附近發(fā)生常規(guī)管涌導(dǎo)致的，防滲墻端部并未出現(xiàn)潛蝕。這也進(jìn)一步證明潛蝕與常規(guī)管涌是有明顯區(qū)別的。

分析滲流量變化與潛蝕發(fā)生、破壞的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以看出，潛蝕的發(fā)展過(guò)程具有一致性，均包括潛蝕發(fā)生前的穩(wěn)定滲流階段、潛蝕發(fā)生階段、潛蝕發(fā)展和破壞階段。同時(shí)，潛蝕發(fā)生和破壞時(shí)有一定預(yù)兆和標(biāo)準(zhǔn)。

潛蝕發(fā)生判別標(biāo)準(zhǔn)：防滲墻端部附近孑L隙水壓力出現(xiàn)上下波動(dòng)，防滲墻端部出現(xiàn)細(xì)顆粒移動(dòng)現(xiàn)象，滲流量突然變化，滲出水變混濁等。潛蝕破壞判別標(biāo)準(zhǔn)：防滲墻端部發(fā)生非常劇烈的、大范圍的細(xì)顆粒移動(dòng)現(xiàn)象，滲流量再次突然變化，滲出水變混濁等。

整理不同工況下潛蝕發(fā)展全過(guò)程滲流量變化發(fā)現(xiàn)，上覆壓力與上下游水頭差呈現(xiàn)明顯的線(xiàn)性關(guān)系（見(jiàn)圖5）。按照線(xiàn)性關(guān)系擬合得到潛蝕發(fā)生和破壞時(shí)上覆壓力與上下游水頭差的關(guān)系分別為y= 702.2x -124.7（相關(guān)系數(shù)力0.79）、y=768.2x+439.6（相關(guān)系數(shù)為0.96）。

從擬合公式可以看出，上覆壓力越大，潛蝕發(fā)生、破壞時(shí)的上下游水頭差越大，深厚覆蓋層越不容易破壞。

2.2 細(xì)顆粒運(yùn)移軌跡分析

在前述潛蝕試驗(yàn)中觀測(cè)到，細(xì)顆粒運(yùn)移明顯集中的區(qū)域有防滲墻端部上游側(cè)、防滲墻端部下游側(cè)的彩砂區(qū)及與其相鄰的上層土體、下游出口附近區(qū)域。防滲墻端部上游側(cè)的細(xì)顆粒運(yùn)移主要有2種路徑：沿著滲流方向，斜向下繞過(guò)防滲墻端部進(jìn)入下游側(cè);沿著防滲墻端部上游側(cè)的薄弱部位向上移動(dòng)。

為了使深厚覆蓋層地基中不同區(qū)域內(nèi)細(xì)顆粒運(yùn)移情況更加清晰，針對(duì)4種不同應(yīng)力狀態(tài)的試驗(yàn)，選擇特定區(qū)域（防滲墻端部上游側(cè)、彩砂區(qū)、與彩砂區(qū)相鄰的上層土體、下游出口附近區(qū)域）進(jìn)行試驗(yàn)前后的顆粒級(jí)配分析，整理之后得到不同工況下顆粒級(jí)配曲線(xiàn)。為了更直觀地表現(xiàn)細(xì)顆粒運(yùn)移規(guī)律，將不同工況下有明顯差別的顆粒級(jí)配曲線(xiàn)段進(jìn)行放大，見(jiàn)圖6。

漏斗里收集的主要是粒徑在2 mm以下的顆粒，結(jié)合圖6發(fā)現(xiàn)，不同工況下流失細(xì)顆粒的特定區(qū)域有所不同。這說(shuō)明潛蝕發(fā)生時(shí)細(xì)顆粒的運(yùn)移規(guī)律具有統(tǒng)一性，滲出水帶出的主要是粒徑在2 mm以下的細(xì)顆粒，但潛蝕破壞時(shí)細(xì)顆粒運(yùn)移一堵塞一沖開(kāi)一再運(yùn)移的循環(huán)過(guò)程因上覆壓力的不同而略有差異。圖6（a）為0.2 MPa上覆壓力的試驗(yàn)前后顆粒級(jí)配曲線(xiàn)局部放大圖，可見(jiàn)防滲墻端部上游側(cè)、下游出口等區(qū)域的顆粒級(jí)配在試驗(yàn)后變化不大，彩砂區(qū)的顆粒級(jí)配變化相對(duì)比較明顯，且1.0 - 2.0 mm的細(xì)顆粒含量有所增大、0.5 - 1.0 mm的細(xì)顆粒含量有所減小。產(chǎn)生這種級(jí)配變化可能是來(lái)自防滲墻端部的粒徑為1.0 - 2.0 mm的細(xì)顆粒大量進(jìn)入了彩砂區(qū)，而彩砂區(qū)中粒徑為0.5 -1.0 mm的細(xì)顆粒大量運(yùn)移出彩砂區(qū)所致。從圖6（b）可以看出，工況二與工況一特定區(qū)域細(xì)顆粒移動(dòng)現(xiàn)象類(lèi)似。圖6（c）為1.6 MPa上覆壓力條件下試驗(yàn)前后細(xì)顆粒級(jí)配曲線(xiàn)局部放大圖，可見(jiàn)試驗(yàn)后變化明顯的區(qū)域是下游出口處，而防滲墻端部上游側(cè)和彩砂區(qū)試驗(yàn)后變化相對(duì)較小。對(duì)于下游出口區(qū)而言，試驗(yàn)結(jié)束后.2 mm粒徑以下顆粒的含量均有不同程度的減小，這與工況一和工況二的試驗(yàn)結(jié)果略有差異，造成這種現(xiàn)象的原因可能是隨著上覆壓力的增大，防滲墻端部發(fā)生潛蝕所需的滲透壓力增大，在較大滲透壓力作用下滲出水?dāng)y帶大量細(xì)顆粒向下游運(yùn)移的距離較遠(yuǎn)，細(xì)顆粒運(yùn)移一堵塞一沖開(kāi)再運(yùn)移的循環(huán)過(guò)程聚集的能量較大，致使細(xì)顆粒運(yùn)移變化明顯的區(qū)域由彩砂區(qū)變?yōu)橄掠纬隹谔帯D6（d）試驗(yàn)前后顆粒級(jí)配曲線(xiàn)局部放大圖與工況三的類(lèi)似，進(jìn)一步證明了上述結(jié)論。

3 結(jié)論

（1）潛蝕發(fā)生發(fā)展破壞的全過(guò)程一般包括潛蝕發(fā)生前的穩(wěn)定滲流階段、潛蝕發(fā)生階段、潛蝕發(fā)展階段及潛蝕破壞階段。①穩(wěn)定滲流階段中無(wú)細(xì)顆粒運(yùn)移現(xiàn)象，下游滲出水為清水。②潛蝕發(fā)生階段透過(guò)玻璃側(cè)板可以觀察到清晰的細(xì)顆粒運(yùn)移流失現(xiàn)象，滲流量驟變，下游滲出水微混濁等現(xiàn)象，說(shuō)明潛蝕發(fā)生階段深厚覆蓋層土體微觀結(jié)構(gòu)開(kāi)始改變。③潛蝕發(fā)展階段是潛蝕發(fā)生范圍逐漸向下游擴(kuò)展，帶動(dòng)更多、更大粒徑的顆粒運(yùn)移的階段，深厚覆蓋層土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，局部滲透通道經(jīng)歷堵塞的過(guò)程。④潛蝕破壞階段是局部區(qū)域滲漏通道被沖開(kāi)，防滲墻端部下游側(cè)透過(guò)玻璃板可以觀察到明顯的滲透通道，滲出水為渾水且流量變化明顯。

（2）在本試驗(yàn)條件下，運(yùn)移流失的細(xì)顆粒粒徑最大達(dá)到2 mm.主要在1 mm以下，同時(shí)彩砂區(qū)及下游出口區(qū)域細(xì)顆粒運(yùn)移流失相對(duì)比較明顯。

（3）在本試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，上覆壓力?duì)潛蝕的發(fā)生條件和發(fā)展破壞過(guò)程均有非常顯著的影響。隨著上覆壓力的增大，潛蝕發(fā)生、破壞時(shí)上下游水頭差等均呈線(xiàn)性增大趨勢(shì)?；谠囼?yàn)結(jié)果分別建立了潛蝕發(fā)生和破壞時(shí)上下游水頭差與上覆壓力的線(xiàn)性經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]王運(yùn)生，黃潤(rùn)秋，段海澎，等，中國(guó)西部末次冰期一次強(qiáng)烈的侵蝕事件[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（1）：73-76.

[2] International Commission on Large Dams（ ICOLD）. InternalErosion of Existing Dams， Levees and Dikes， and TheirFoundations-Volume l：Internal Erosion Processes and En-;ineering Assessment[M].London： Taylor & Francis，2013：164.

[3] WAN C F，F(xiàn)ELL R.Experiruental Investigation of IntemalInstability of Soils in Embankment Dams and Their Founda-tion.[ R]. Sydney： University of New South Wales， 2004：24- 26.

[4] 張文倬，對(duì)《砂礫石地基上閘壩滲流控制原理與方法》的討論[J].水電站設(shè)計(jì)，2000（4）：97.

[5]

Ul H I，HAQ I U.Tarbela Dam： Resolution of Seepage[J].Geotechnical Engineering， 1996， 119（1）：49-56.

[6]

RICE J D， DUNCAN J M. Findings of Case Histories on theLong-Term Performance of Seepage Barriers in Darus[ J].Joumal of Ceotechnical and Ceoenvironmental Engineenng，2010，136（1）：2-15.

[7] TARIQ M S.Control of Seepages Through Deep AlluviumFoundations of Tarbela Daru Project - Pakistan[J].Dam Ma-intenance and Rehabilitation， 2003： 899- 904.

[8] FANNIN R J，SLANCEN P.On the Distinct Phenomena ofSuffusion and Suffusion[J].Geotechnique Letters， 2014（4）：289-294.

[9]

SKEMPTON A W， BROCAN J M.Experiments on Piping in Sandy Cravels[J].Geotechnique，

1994， 44（3）：449-460.

[10]

MOFFAT R M， FANNIN J F J.AHydromechanical RelationGoveming Intemal Stability of Cohesionless Soil[J].CanadianCeotechnical Joumal， 2011 ，48（3）：413-424.

[11]

MOFFAT R M， FANNIN J F J，GARNER S J G J.Spatialand Temporal Progression of Intemal Erosion in CohesionLess Soil[J] .Canadian Geotechnical Joumal， 2011， 48（3）：399-412.

[12] 蔣中明，王為，馮樹(shù)榮，等，砂礫石土滲透變形特性的應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)性試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào)，2013， 44（ 12）：1498-1505.

[13] 蔣中明，王為，馮樹(shù)榮，等.應(yīng)力狀態(tài)下含黏粗粒土滲透變形特性試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36（1）：98-104.

[14] 謝定松，蔡紅，魏迎奇，等，覆蓋層不良級(jí)配砂礫石料滲透穩(wěn)定特性及影響因素探討[J].水利學(xué)報(bào)，2014（增刊2）：77-82.

[15] 謝定松，蔡紅，魏迎奇，等.粗粒土滲透試驗(yàn)縮尺原則與方法探討[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2015，37（2）：369-373.

[16]

LUO Y L，QIAO L，LIU X X， et al.Hydro-Mechanical Ex-periments on Suffusion Under Long-Term Large HydraulicHeads[J].Natural Hazards， 2013.65（3）：1361-1377.

[17] 羅玉龍，吳強(qiáng)，詹美禮，等，滲流一侵蝕一應(yīng)力耦合管涌試驗(yàn)裝置的研制及初步應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013， 32（ 10）： 2108-2114.

[18]

RICHARDS K S，REDDY K R.True Triaxial Piping Test Ap-paratus for Evaluation of Piping Potential in Earth Structures[J]. Geotechnical Testing Journal， 2010， 33（1）：83-95.

[19]

RICHARDS K S，REDDY K R.Experimental Investigationof Initiation of Backward Erosion Piping in Soils[ J].Geotechnique，

2012， 62（ 10）： 933 - 942.

[20] 馮樹(shù)榮，趙海斌，蔣中明，等，向家壩水電站左岸壩基破碎巖體滲透變形特性試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34（4）：600-605.

[21]KENNEY T C，LAU D.Internal Stability of CranularFilters[J].Canadian Ceotechnical Joumal， 1986， 23（3）：420-423.

[22] 11 M， FANNIN R J.A Theoretical Envelope for IntemalInstability of Cohesionless Soil[J].Geotechnique， 2012， 62（1）：77-80.

[23] CHANC D S，ASCE A M. ZHANC L M， et al.CriticalHydraulic Cradients of Intemal Erosion Under ComplexStress States[J].Journal of Ceotechnical and Ceoenviron-mental Engineering， 2012， 139（9）：1454- 1467.

（責(zé)任編輯張華巖】