論堤防管涌的危急性及其分類的意義

吳慶華 王金龍

(1.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；2.長江科學(xué)院 國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

中國幅員遼闊，江河眾多，氣候多樣且多變，年年都有防汛搶險(xiǎn)，管涌一詞頻繁見諸媒體，似已婦孺皆知。然而，管涌在滲流專業(yè)上只是滲透變形的4種型式(流土、管涌、接觸流土和接觸沖刷)之一[1]。在防汛搶險(xiǎn)實(shí)踐中，難以像在實(shí)驗(yàn)室中那樣通過各種手段去觀察和分析滲透變形的型式，管涌一詞幾乎被廣泛地用于指稱所有的滲透變形?？梢詫V義的堤防管涌簡單歸納為：在堤防兩側(cè)水頭差作用下，土體發(fā)生的渾水集中涌出現(xiàn)象。這樣理解的廣義管涌一詞，既反映了防汛搶險(xiǎn)的實(shí)際情況，包括防汛搶險(xiǎn)部門的險(xiǎn)情分類統(tǒng)計(jì)方式，也盡可能兼顧到了滲透變形的實(shí)質(zhì)。本文中的管涌是指廣義的管涌。

管涌是堤防工程常見險(xiǎn)情之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)[2]，1998年長江發(fā)生的流域性大洪水期間，中下游堤防發(fā)生險(xiǎn)情總數(shù)73 825處，管涌占35.2%；其中較大險(xiǎn)情1 702處，管涌占51.2%；長江干流堤防較大險(xiǎn)情698處，管涌占52.4%。通過1998年后加固的長江干堤，與三峽等樞紐控制工程和分蓄洪區(qū)一起組成的防洪體系，整體上已經(jīng)達(dá)到可以防御1954年型洪水的能力，但由于堤防自身的工程特點(diǎn)及其運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，不能完全排除干堤在高洪水位下出現(xiàn)險(xiǎn)情的可能。長江中下游支流堤防的建設(shè)水平還遠(yuǎn)不及干流堤防，這是2016年區(qū)域性洪水期間發(fā)生大量險(xiǎn)情和一些潰堤事件的重要原因。筆者2016年汛期參加長江防汛搶險(xiǎn)指揮部的險(xiǎn)情分析，汛后參加對長江干堤共50處一般險(xiǎn)情逐一核查，對核查結(jié)果進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析[3]表明，50處險(xiǎn)情中管涌險(xiǎn)情占60%。

正因?yàn)楣苡侩U(xiǎn)情常見，且對堤防安全危害性大，管涌的發(fā)生和擴(kuò)展規(guī)律一直是水工滲流及相關(guān)專業(yè)的重點(diǎn)研究對象，本文將對已有的研究工作進(jìn)行梳理。總體上講，規(guī)律性認(rèn)識(shí)是在不斷地深入。專業(yè)內(nèi)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到管涌險(xiǎn)情未必一定會(huì)導(dǎo)致潰堤，有些管涌為“無害管涌”，對管涌危害性的判別方法及搶險(xiǎn)范圍也已經(jīng)有一些討論[2，4-5]，但距離指導(dǎo)防汛搶險(xiǎn)實(shí)踐的要求還有一定差距。

目前的管涌搶險(xiǎn)，不區(qū)分輕重緩急，“把蒼蠅當(dāng)老虎打”成為常態(tài)，打錯(cuò)對象的實(shí)例也不斷發(fā)生；錯(cuò)誤診斷險(xiǎn)情，延誤有利處置時(shí)機(jī)，或者處置不當(dāng)，導(dǎo)致潰堤的實(shí)例也時(shí)有發(fā)生。這些都嚴(yán)重影響到管涌搶險(xiǎn)的效率。

結(jié)合防汛搶險(xiǎn)實(shí)踐和已有研究成果，本文提出管涌危急性和致潰型管涌的概念，從管涌險(xiǎn)情實(shí)例和一系列管涌擴(kuò)展規(guī)律研究成果得到啟示，對管涌的危急性影響因素和危急性分類，以及致潰型管涌的識(shí)別展開討論，力求為后續(xù)研究理清思路和明確方向。

1 荊江大堤管涌實(shí)例的啟示

荊江大堤是江漢平原的重要防洪屏障,不僅承擔(dān)著極為重要的防洪使命，同時(shí)也是長江最為突出的險(xiǎn)要堤段。新中國成立后就不斷整治加固荊江大堤。尤其是1980年代實(shí)施荊江大堤加固工程，使荊江大堤先于其他堤防工程達(dá)到規(guī)劃的防洪能力。本節(jié)介紹不同年份荊江大堤的管涌實(shí)例，以便開啟后續(xù)的分析討論。

1.1 1962年管涌實(shí)例

1962年湖北省水利廳，長江科學(xué)院會(huì)同荊州修防處派員對當(dāng)年發(fā)生的荊江大堤管涌險(xiǎn)情進(jìn)行了調(diào)查。調(diào)查報(bào)告[6]指出，由于堤外無灘，潰口形成的近堤淵塘，以及近堤取土坑對弱透水覆蓋層的破壞，高水位時(shí)堤內(nèi)腳常常出現(xiàn)管涌險(xiǎn)情。隨著堤身加高加固，汛期作用水頭提高，此問題日益突出。多年來在改善堤基條件方面做了不少填塘固基工程，同時(shí)在個(gè)別堤段試用了減壓井和導(dǎo)滲溝工程，使得幾年來在同一水位下險(xiǎn)情有所減少，但1962年汛期，在1954年以來較高洪水(沙市洪峰水位44.35 m)的考驗(yàn)下，此類險(xiǎn)情還有發(fā)生。其中觀音寺與廖子河堤段的險(xiǎn)情規(guī)模很大。

1.1.1 觀音寺堤段

觀音寺閘下游渠道中距離堤腳290 m處，在7月中旬洪峰后發(fā)現(xiàn)管涌5個(gè)，其中一個(gè)管涌直徑較大，約5 m，深10 m，其周圍有3個(gè)小管涌。觀音寺閘下游約30 m處的另一管涌直徑約1 m，用反濾材料填壓后沉降60～70 cm，繼續(xù)填壓，8月29日渠道水深約50 cm，涉水探知仍有細(xì)砂帶出。

渠道中發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情后，在觀音寺街后塘中距堤70～90 m處探得3個(gè)管涌。其中一個(gè)管涌口呈橢圓形，長軸5 m，短軸約3 m，深9 m。

據(jù)當(dāng)?shù)厝罕姺从常兰八翞楣艔埰盅?，昔日打漁即發(fā)現(xiàn)有“泉眼”，其位置常移動(dòng)。

1.1.2 廖子河堤段

沙市水位達(dá)40.0 m時(shí)，堤腳發(fā)現(xiàn)管涌，深約1.6 m。經(jīng)填壓后堤腳附近繼續(xù)發(fā)生管涌。7月10日沙市水位44.13 m時(shí)發(fā)現(xiàn)2個(gè)管涌(編號(hào)為12#及13#)，直徑1.8 m，深1.2 m。用石子填壓后， 11日3時(shí)從12#孔向堤內(nèi)腳移動(dòng)3 m處出現(xiàn)新管涌，直徑2 m，深約2 m；11日晚在13#孔附近又出現(xiàn)新管涌，至12日發(fā)展到直徑2 m，深約3 m后，進(jìn)行大面積填壓。13日井口填料下沉1～2 m，隨沉隨加料，歷時(shí)約一周后，沙市水位降至43 m以下，險(xiǎn)情開始趨于穩(wěn)定。

1.2 1964年管涌實(shí)例

1964年8月5—30日，長江科學(xué)院和湖北省水利廳聯(lián)合對荊江大堤幾個(gè)主要險(xiǎn)工段和已經(jīng)加固的堤段進(jìn)行了險(xiǎn)情調(diào)查[7]。其間沙市最高水位是42.92 m，低于前文提到的1962年沙市洪峰水位44.35 m。在1963年發(fā)生了管涌險(xiǎn)情的觀音寺堤段渠道和淵塘，經(jīng)1963年5月至1964年5月共計(jì)實(shí)施了32口減壓井后，調(diào)查期間沒有任何險(xiǎn)情。調(diào)查報(bào)告重點(diǎn)反映了蔣家腦堤段的險(xiǎn)情。

蔣家腦堤段600+950—602+000樁號(hào)范圍是歷史性的嚴(yán)重管涌險(xiǎn)段。1953年、1956年、1957年先后實(shí)施了填筑平臺(tái)、壓浸臺(tái)和堤身外幫等措施加固，1962年在江水位32 m時(shí)即出現(xiàn)41個(gè)管涌，最大者直徑20 cm。江水位33 m以上后險(xiǎn)情不斷擴(kuò)大。多年汛期總共發(fā)現(xiàn)102個(gè)管涌，其中嚴(yán)重的有20個(gè)。1963年歲修時(shí)，在樁號(hào)601+572—601+972的400 m范圍內(nèi)，采取導(dǎo)滲與壓滲相結(jié)合的措施，包括導(dǎo)滲溝、排滲豎管，以及將50 m寬壓浸臺(tái)加寬至80～90 m。

1964年6月29日，江水位33.4 m時(shí)，在樁號(hào)601+670、601+690、601+700、601+745多處發(fā)現(xiàn)管涌，其中一處在長10 m范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)管涌4個(gè)，6月30日增加至7個(gè)，7月1日鄰近4個(gè)小管涌并成1個(gè)。1個(gè)管涌砂丘直徑達(dá)80 cm，涌水高度2 cm。

6月30日，江水位33.54 m時(shí)，在601+660，601+730，601+775等樁號(hào)處發(fā)生管涌。樁號(hào)601+660處在處理過程中又陸續(xù)發(fā)生新管涌，管涌數(shù)由1個(gè)增至14個(gè)。

7月1日，江水位33.78 m時(shí)，在601+648，601+675，601+678，601+800，601+865等樁號(hào)處發(fā)生6個(gè)管涌。

7月2日，江水位34.18 m時(shí)，在601+615，601+625，601+732，601+735等樁號(hào)處發(fā)生管涌。

7月3日，江水位34.5 m時(shí)，在601+580，601+614等樁號(hào)處發(fā)生2個(gè)管涌。

7月4日，江水位34.58 m時(shí)，在601+580樁號(hào)處發(fā)生管涌。

這次洪峰期間，共發(fā)生20處69個(gè)管涌，一般發(fā)生在平臺(tái)腳下10 m左右，管涌直徑一般2～3 cm，最大的為20 cm，全部都帶黑砂。

1.3 20世紀(jì)80年代開展的險(xiǎn)情統(tǒng)計(jì)分析

李思慎等[8]分析長江中下游防汛總指揮部辦公室1982年6月匯編的解放以來荊江大堤險(xiǎn)情資料，發(fā)現(xiàn)40處出險(xiǎn)堤段中，堤基為34處，堤身為10處(其中4處堤身堤基都出險(xiǎn))，堤基險(xiǎn)情占絕大部分；并根據(jù)荊州地區(qū)長江修防處勘察設(shè)計(jì)室1984年的資料，列出了荊江大堤管涌險(xiǎn)情統(tǒng)計(jì)表(整理后見表1)，可見管涌個(gè)別可遠(yuǎn)至離堤1 km，但絕大部分均在距堤腳200 m范圍內(nèi)；距堤腳100 m內(nèi)，管涌險(xiǎn)情數(shù)量多，但規(guī)模不大，距堤腳越遠(yuǎn)，規(guī)模反而有變大的趨勢，其深度亦大，多系深層滲壓力作用的結(jié)果。

表1 荊江大堤管涌險(xiǎn)情統(tǒng)計(jì)(根據(jù)1984年資料)

1.4 2019年管涌實(shí)例

2019年7月3日荊江大堤江陵黃林垱段發(fā)現(xiàn)的管涌險(xiǎn)情位于湖北省荊州市江陵縣熊河鎮(zhèn)荊干村6組一處水塘內(nèi)，對應(yīng)堤防樁號(hào)716+650，距堤防背水坡堤腳約700 m。

當(dāng)時(shí)，江水位約37.5 m，荊州港觀音寺港區(qū)江陵石化碼頭及儲(chǔ)運(yùn)工程施工單位正在實(shí)施抽干水塘回填場地作業(yè)，已將塘內(nèi)水位降低約3 m，造成長江與水塘之間約8 m的水位差。管涌口直徑約20 cm，砂盤直徑約3 m，出水量約10 L/min，帶黑砂，手感水溫較低。

3日晚施工單位向江陵縣長江防汛指揮部報(bào)告險(xiǎn)情。4日下午在距此管涌50 m范圍內(nèi)又發(fā)現(xiàn)另外4個(gè)較小管涌。4日夜采取拋投石塊消殺水勢，鋪設(shè)三級反濾堆，5日5時(shí)引水入塘蓄水反壓。至5日10時(shí)，水塘內(nèi)水位已回升2 m。5日18時(shí)許，在大管涌50 m范圍內(nèi)再次發(fā)現(xiàn)4個(gè)小管涌。5日晚對新發(fā)現(xiàn)的小管涌進(jìn)行應(yīng)急處置，險(xiǎn)情基本得到控制。

1.5 啟 示

(1)1962年和1964年荊江大堤的險(xiǎn)情調(diào)查資料非常珍貴，很可惜這樣的險(xiǎn)情調(diào)查工作沒有在后續(xù)年代里得以繼續(xù)，或者沒能留下更多的文獻(xiàn)資料；也沒有報(bào)告介紹險(xiǎn)情幾何要素測量方法，管涌直徑容易測量，而深度的測量方法值得研究，并可與依據(jù)砂的性質(zhì)推測源自的地層及其埋深相互映證。故有必要繼承1960年代初的傳統(tǒng)，研究建立汛期堤防險(xiǎn)情調(diào)查、記錄的制度和統(tǒng)一技術(shù)要求，以便積累珍貴的技術(shù)資料。

(2)1962年荊江大堤管涌有的規(guī)模很大，直徑可達(dá)3～5 m，遠(yuǎn)超后來的文獻(xiàn)及防汛搶險(xiǎn)實(shí)踐中常見的險(xiǎn)情，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)堤防工程基礎(chǔ)條件差，滲流安全狀況惡劣，同時(shí)也是因?yàn)楹髞淼姆姥磽岆U(xiǎn)工作要求更高，管涌一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就采用倒濾堆等措施及時(shí)處置，難以再觀察描述管涌口的幾何形態(tài)。1962年荊江大堤管涌調(diào)查中描述的管涌尺寸規(guī)模，在一定程度上說明，不采取搶險(xiǎn)措施的話，管涌演變過程中的某個(gè)階段可能達(dá)到的規(guī)模，也對類似條件下管涌模型模擬研究時(shí)設(shè)定合理的模型規(guī)模有一定的啟示作用。

(3)當(dāng)?shù)袒l(fā)生管涌險(xiǎn)情后，地層土性發(fā)生了改變，形成了集中滲流帶或滲流通道。采用常規(guī)的導(dǎo)濾堆或蓋重措施處理后，在以后年份的高洪水位作用下，沿著往年形成的集中滲流帶或滲流通道的滲透水流，遇到的滲流阻力更小，使得老的管涌口復(fù)活，或者在蓋重區(qū)外找到新的薄弱部位作為突破口，形成新的管涌，這可以概括為管涌的復(fù)活特性和轉(zhuǎn)移特性。

(4)具體在何處首先發(fā)生管涌，有一定的偶然性，影響因素有:地層結(jié)構(gòu)和滲透性的空間變化，溝、渠、坑、塘對地層的切割及切割深度的變化，封堵不嚴(yán)的鉆孔，無合理濾層或?yàn)V層失效的水井，動(dòng)植物孔洞，古墓、古建筑造成的架空現(xiàn)象，雜填土，埋設(shè)的管線，近堤、穿堤建筑物與土體結(jié)合部，堤身堤基結(jié)合面，不同期填土結(jié)合面，前期或往年管涌險(xiǎn)情對于地層的擾動(dòng)，等等。上述管涌實(shí)例表明，在堤基條件薄弱的堤段有管涌險(xiǎn)情多發(fā)的特點(diǎn)，當(dāng)對發(fā)現(xiàn)的管涌采取倒濾堆等措施進(jìn)行處理時(shí)，很可能又會(huì)在鄰近的某個(gè)位置發(fā)生新的管涌。1964年蔣家腦堤段管涌險(xiǎn)情，隨著江水位上升而不斷增加；2019年黃陵垱管涌，由一個(gè)發(fā)展到多個(gè)，這都說明由于管涌險(xiǎn)情具有的轉(zhuǎn)移特性，如果僅僅針對已發(fā)現(xiàn)的管涌采用倒濾堆處理措施，出現(xiàn)新的管涌是必然的。

2 管涌模型模擬研究的啟示

2.1 無防滲墻堤基管涌擴(kuò)展的模擬研究

20世紀(jì)80年代中期荊江大堤加固過程設(shè)計(jì)過程中，長江科學(xué)院重點(diǎn)開展了管涌險(xiǎn)情的模擬試驗(yàn)和規(guī)律分析，成果見文獻(xiàn)[4]。研究團(tuán)隊(duì)注意到荊江大堤管涌險(xiǎn)情的復(fù)雜性，規(guī)模有大有小，與堤腳的距離有近有遠(yuǎn)。為了防止荊江大堤管涌破壞，堤防管理部門曾設(shè)定距堤腳100 m作為汛期巡查范圍。堤基整險(xiǎn)加固的范圍曾定為距堤腳400 m；1987年后又定為200 m。這樣劃定范圍是否合理可靠，取決于對管涌發(fā)生、發(fā)展機(jī)理的認(rèn)識(shí)程度。研究團(tuán)隊(duì)還了解到觀音寺堤段蔡老淵內(nèi)的管涌已存在70多年，而堤基并未破壞。為了弄清荊江大堤管涌擴(kuò)展的機(jī)理，采用砂槽模型開展了管涌模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)用水平滲透儀長71 cm，寬21 cm，高40 cm。表層用水泥砂漿和黏土模擬弱透水黏性土層，并造一孔模擬管涌口；下伏砂層開展不同厚度的對比模擬，底部為礫石層。試驗(yàn)對比的條件還有管涌口直徑、管涌口與上游邊界的距離?；谠囼?yàn)成果，文獻(xiàn)[4]分析得出的結(jié)論包括:堤基發(fā)生管涌并不一定導(dǎo)致大堤潰決；管涌發(fā)生的位置可遠(yuǎn)可近；堤基滲透破壞的最終形式是流土；按照防止管涌發(fā)生來進(jìn)行滲流控制設(shè)計(jì)或確定堤基保護(hù)范圍會(huì)造成很大浪費(fèi)；荊江大堤堤基保護(hù)范圍設(shè)為距堤腳100 m已足夠，其保證率或可靠度在98%以上。結(jié)合在長江流域多年防汛技術(shù)指導(dǎo)工作中直接觀察和調(diào)查的管涌發(fā)生、發(fā)展和堤壩潰決過程，提出了管涌模擬的隨機(jī)模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[9-10]。采用這一模型，通過對土體中管涌擴(kuò)展過程的模擬，得出管涌并不必然擴(kuò)展導(dǎo)致堤壩的潰決這一重要結(jié)論。

1998年大洪水后不久，Yin[11]采用飽和穩(wěn)定滲流模型研究了堤基中不同長度管涌區(qū)及其滲透系數(shù)的改變程度對滲流場的影響，分析由此引起的最大流速和總流量的變化，但并沒有真正模擬管涌的擴(kuò)展過程，而是把每一種長度管涌區(qū)對應(yīng)的狀態(tài)作為穩(wěn)定狀態(tài)處理，且不論管涌區(qū)的長短，其直徑都看作是不變的。

南京水利科學(xué)研究院毛昶熙等[12]針對“無害”管涌的問題，開展了砂槽模型試驗(yàn)。試驗(yàn)用玻璃槽有0.3 m寬的窄槽和2.5 m寬的寬槽，長均為8 m。模擬二元土層結(jié)構(gòu)的材料包括頂面的玻璃板和下面裝填的粉細(xì)砂。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，毛昶熙等[12]分析得出了距堤10～15倍作用水頭之外的管涌無害于大堤安全的結(jié)論，并認(rèn)為與其之前采用簡便方法估算的有害管涌最遠(yuǎn)距離為150 m的結(jié)論較接近。毛昶熙等[13]還探討了管涌向堤身方向發(fā)展距離的公式計(jì)算方法，通過對案例的計(jì)算，分析認(rèn)為計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)研究結(jié)果相近。

中國水利水電科學(xué)研究院丁留謙團(tuán)隊(duì)[14]在砂槽模擬試驗(yàn)基礎(chǔ)上開展了管涌搶險(xiǎn)范圍的討論。砂槽長2.8 m、寬0.8 m、高0.7 m，用粉細(xì)砂模擬單層堤基和雙層堤基中的強(qiáng)透水層，玻璃板模擬雙層和3層堤基的表層弱透水層，用粉細(xì)砂層與砂礫石層組合模擬3層堤基的強(qiáng)透水層。基于堤基管涌破壞的允許水平比降，推算得到不用搶險(xiǎn)的管涌位置的范圍；基于試驗(yàn)得到的最小臨界平均比降值，推算認(rèn)為可將管涌與堤腳距離小于10倍作用水頭作為必須搶險(xiǎn)的范圍。丁留謙等[15]還開展了雙層結(jié)構(gòu)堤基管涌發(fā)展的有限元模擬研究。通過對試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)值模擬，得到了相近的規(guī)律。文獻(xiàn)[15]特意強(qiáng)調(diào)模型概化時(shí)忽略了若干物理現(xiàn)象，模擬是近似的。劉昌軍等[16]進(jìn)一步完善該數(shù)值模擬方法，通過對試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪M，研究了模型尺寸效應(yīng)的規(guī)律，根據(jù)結(jié)果分析認(rèn)為試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐚苡康呐R界水頭和發(fā)展過程都有較大影響。

中國水利水電科學(xué)研究院劉杰長期致力于土體的滲透變形特性研究。劉杰等[17]2008年發(fā)表的試驗(yàn)研究成果中，砂槽模型總長5.8 m，寬、高分別為0.65 m和0.8 m。模型(含堤身)比尺為1∶40。選取3種不同細(xì)粒含量的砂礫石，以及中砂和黏土，組合為4種雙層堤基。黏土與砂礫石組成的雙層堤基模型中，黏土層預(yù)留了直徑10 cm、深達(dá)砂礫石層的孔洞，以模擬黏土層已經(jīng)發(fā)生穿孔破壞的條件。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出的結(jié)論包括：最薄弱的雙層結(jié)構(gòu)堤基是上部為薄的滲透性較弱土層，上下兩層土層滲透系數(shù)相差100倍以上的組合，滲流險(xiǎn)情演進(jìn)過程為表層流土破壞，砂礫石層連續(xù)管涌破壞，并造成表層土破壞區(qū)向堤身方向發(fā)展，最后使堤身失穩(wěn)；而100 m以外的表層流土破壞，不會(huì)造成下層砂礫石層的破壞，因而不會(huì)影響堤防的安全。劉杰等[18]2009年發(fā)表的成果中，模型槽尺寸仍為5.8 m(長)×0.65 m(寬)×0.8 m(高)。堤身用不透水的剛性蓋板模擬。模型上部土層為低液限黏土，下部土層為砂礫石層，離堤腳一定距離在黏土層中預(yù)留排水孔以模擬管涌口。上述2個(gè)試驗(yàn)中砂礫石的細(xì)粒含量分別為17%和23%，均為管涌型土。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為，管涌路徑上砂礫石的細(xì)顆粒流失后，變成礫石占比更高、甚至純礫石的強(qiáng)透水通道，雖不影響自身整體骨架的穩(wěn)定性，但流量劇增，加劇上覆黏土層的變形破壞。

河海大學(xué)陳建生教授的團(tuán)隊(duì)也投入很多精力研究堤防管涌的擴(kuò)展規(guī)律。他們針對雙層堤基管涌開展的2個(gè)階段模型模擬試驗(yàn)研究，成果分別發(fā)表于2011年和2013年。2011年發(fā)表的成果[19]中，模型槽長150 cm，寬、高均為70 cm。模型槽頂面為活動(dòng)蓋板，具有豎向移動(dòng)自由度和隔水作用。蓋板與其下面填設(shè)的7.5 cm厚黏土一起模擬雙層堤基的上部弱透水層。強(qiáng)透水層采用由細(xì)砂與礫石混合的非連續(xù)級配樣填筑而成。蓋板開有直徑為10 cm的出水口，模擬表層弱透水層的缺陷，在黏土層被頂穿后會(huì)成為管涌口。試驗(yàn)顯示了管涌發(fā)生的先后2個(gè)過程：上覆黏土層被頂破；下伏砂礫石層被水流帶出而形成管涌。管涌發(fā)生后水流劇增，但由于管涌出口規(guī)模的限制，使得水流不暢，出水口水頭上升，沿程測壓管水頭也一度上升。將上游水頭下降至出水口高程以結(jié)束第1次試驗(yàn)，然后再重復(fù)提升水頭，開始第2次試驗(yàn)，直至流量出現(xiàn)突變，意味著再次形成了管涌。如此反復(fù)再進(jìn)行了3次試驗(yàn)。重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果表明，管涌再次發(fā)生時(shí)的上游水頭明顯低于上次發(fā)生時(shí)的對應(yīng)值，說明已經(jīng)發(fā)生過管涌的堤基，再次經(jīng)歷洪水時(shí)更容易發(fā)生管涌。2013年發(fā)表的成果[20]中，模型槽長100 cm，寬、高均為30 cm，頂面為固定的剛性玻璃板。蓋板下面填設(shè)5 cm厚黏土模擬雙層堤基的上部弱透水層。強(qiáng)透水層填筑采用細(xì)砂與礫石混合的新的非連續(xù)級配樣。蓋板和黏土層預(yù)留直徑為5 cm的出水口，模擬黏土層被頂穿形成的缺口。試驗(yàn)中觀察到管涌通道加劇上覆黏土層的破壞，反過來又使得管涌涌砂量增大，加速地層被掏空的速度。

周紅星等[21]在研究北江大堤管涌過程中，開展了二元結(jié)構(gòu)堤基弱透水覆蓋層的試驗(yàn)?zāi)M方式對比研究。試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞顦涌臻g長60 cm，寬20 cm，裝填26 cm厚的細(xì)砂模擬強(qiáng)透水層，表層弱透水層的模擬對比采用了玻璃板、水泥砂漿和密封加壓水袋3種材料，并預(yù)留直徑3.5 cm的半圓形孔模擬管涌的出口。分析試驗(yàn)結(jié)果后認(rèn)為，表層弱透水層采用不同材料模擬的結(jié)果差異很大，采用剛性材料時(shí)，類似于閘底板沖刷試驗(yàn)；而密封水袋也與表層黏土層的作用差別很大。

賈愷等[22]探討了雙層結(jié)構(gòu)堤基管涌通道擴(kuò)展的模擬計(jì)算方法，引用河流動(dòng)力學(xué)的相關(guān)公式，考慮砂粒相對暴露度、脈動(dòng)流速、起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)和管涌通道水流特性等因素提出通道擴(kuò)展的判定條件，建立有限元計(jì)算迭代流程，對管涌通道橫截面進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，說明了方法的可行性，同時(shí)考慮順管涌通道方向擴(kuò)展的三維模擬還有待進(jìn)一步研究。

2.2 有防滲墻堤基管涌擴(kuò)展的模擬研究

長江科學(xué)院開展了懸掛式防滲墻條件下堤基管涌擴(kuò)展過程的模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究?？紤]到管涌模型比尺問題的復(fù)雜性，難以將模型還原到實(shí)際工程，采用內(nèi)空長70 cm、寬29.6 cm、高54 cm的砂槽模型進(jìn)行試驗(yàn)，開展擴(kuò)展過程及其受防滲墻制約的規(guī)律研究[23]。對試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_展數(shù)值模擬研究，數(shù)學(xué)模型先后考慮了非穩(wěn)定滲流與管涌擴(kuò)展過程的相互作用[24]和非穩(wěn)定滲流、管涌擴(kuò)展過程與上覆土體坍塌的相互作用[25-26]。模型中將管涌區(qū)作擴(kuò)大滲透系數(shù)處理。研究結(jié)果均表明管涌的擴(kuò)展在一定條件下可以休止，懸掛式防滲墻對防止管涌的發(fā)生作用不大，但是可以制約管涌的擴(kuò)展，防滲墻越深，制約作用越大。

清華大學(xué)也開展了管涌擴(kuò)展的模型試驗(yàn)[27]和數(shù)值模擬[28]研究。試驗(yàn)槽內(nèi)部裝樣尺寸120 cm(長)×25 cm(寬)×20 cm(高)。通過黏土泥漿自然沉積后風(fēng)干12 h形成固結(jié)黏土，以模擬堤基表層弱透水層；在水中分層撒中細(xì)砂，形成砂土層以模擬堤基的強(qiáng)透水層。通過對彩色示蹤砂粒的分布、出砂量的分析，認(rèn)為防滲墻對于管涌的發(fā)生與擴(kuò)展都有影響，防滲墻越深，對管涌擴(kuò)展的制約作用越大。數(shù)值模擬時(shí)，將管涌通道中水的流動(dòng)用管流理論進(jìn)行模擬，未發(fā)生滲透變形的區(qū)域用基于層流的滲流分析方法模擬，一系列模擬表明:管涌口離堤越遠(yuǎn)，管涌擴(kuò)展達(dá)到穩(wěn)定(即休止)時(shí)管涌通道發(fā)展長度越短；懸掛式防滲墻雖然難以阻止管涌的發(fā)生，但是可以抑制管涌的發(fā)展。

張超等[29]通過砂槽模擬試驗(yàn)，研究了有無懸掛式防滲墻以及不同土層結(jié)構(gòu)條件下的管涌發(fā)展過程。砂槽裝樣空間為85 cm(長)×30 cm(寬)×30 cm(高)。模型頂部為剛性有機(jī)玻璃板，下設(shè)5 cm厚的黏土以模擬堤基表層弱透水層，有機(jī)玻璃板和黏土層預(yù)留直徑4 cm的缺口，以模擬管涌口。黏土與砂礫石組成的雙層堤基對比開展了有無防滲墻的試驗(yàn)。三層結(jié)構(gòu)堤基中，黏土與砂礫石層之間有1 cm厚的細(xì)砂。懸掛式防滲墻用1 cm厚的有機(jī)玻璃板模擬，插入強(qiáng)透水層深度為6 cm。3個(gè)試驗(yàn)的對比分析結(jié)果表明，懸掛式防滲墻能夠提高管涌貫通的水力比降，且雙層、三層結(jié)構(gòu)堤基的管涌發(fā)展形式不同。

陳建生等[30]采用文獻(xiàn)[29]同尺寸的砂槽模型試驗(yàn)?zāi)M了懸掛式防滲墻條件下不同細(xì)粒含量的砂礫石層管涌擴(kuò)展過程。模型頂面為有機(jī)玻璃蓋板，槽內(nèi)裝填黏土和砂礫石土層模擬雙層結(jié)構(gòu)堤基。預(yù)留直徑4 cm,貫穿有機(jī)玻璃蓋板和上部黏土層的圓孔，模擬管涌出口。砂礫石層試樣對比使用了細(xì)粒含量分別為26%，23%，20%的3種級配樣?；谠囼?yàn)結(jié)果,本文分析認(rèn)為，砂礫石樣的細(xì)顆粒含量影響管涌發(fā)生時(shí)的水力比降和管涌擴(kuò)展過程及其危害程度:細(xì)粒含量大，臨界水力比降越大，繞過防滲墻前后的管涌擴(kuò)展路徑主要是沿著砂礫石層頂面，擴(kuò)展速度快，容易導(dǎo)致上覆黏土層的坍塌，并造成模型的整體破壞；細(xì)粒含量低的砂礫石樣，管涌發(fā)生時(shí)的水力比降較低，管涌擴(kuò)展路徑偏向于土層內(nèi)部，且對土樣骨架穩(wěn)定性影響較小。

2.3 啟 示

(1)管涌發(fā)生發(fā)展規(guī)律的模擬是研究熱點(diǎn)，已經(jīng)發(fā)表了很多成果，但是一些結(jié)論性成果與實(shí)際應(yīng)用的需要還有很大距離，例如，關(guān)于有害管涌和不必?fù)岆U(xiǎn)管涌分布范圍的建議，沒有得到防汛搶險(xiǎn)實(shí)踐的應(yīng)用和認(rèn)可，甚至沒有在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)取得一致意見。

(2)管涌擴(kuò)展的影響因素很多，作用規(guī)律復(fù)雜，已有的研究還只是針對少數(shù)簡單條件開展的，研究結(jié)論缺乏普遍性，甚至與實(shí)際工程條件還有一定的距離，這是成果應(yīng)用受到限制，甚至還沒能起步的重要原因之一。

(3)已有的模型試驗(yàn)研究，模型尺寸都偏小。所考慮的模型比尺，沒能反映土樣顆粒的縮尺、管涌附近復(fù)雜的三維滲流流態(tài)、管涌口規(guī)模、土樣細(xì)顆?？偭繉苡繀^(qū)域供砂能力的影響等。文獻(xiàn)[6]調(diào)查到的管涌口直徑達(dá)5 m，堤防仍然沒有潰決，可以想見現(xiàn)有室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?guī)模對于管涌擴(kuò)展過程可能的制約作用。這種制約作用會(huì)迫使管涌加速向上游擴(kuò)展，使實(shí)際可能休止的管涌夸大為導(dǎo)致模型破壞和堤防潰決的管涌。

(4)大多數(shù)模型試驗(yàn)都預(yù)設(shè)了管涌口，其規(guī)模在試驗(yàn)進(jìn)程中不會(huì)變化，試驗(yàn)成果只能在一定程度上說明規(guī)律性，有的研究觀測到初期管涌口水頭上升。實(shí)際上，管涌口與管涌通道一樣，應(yīng)該不受模型制約而自由擴(kuò)展。管涌口的擴(kuò)大，會(huì)起到消減水頭的作用，類似于一個(gè)沒有設(shè)置濾層的減壓井，管涌周圍一定范圍內(nèi)的水力比降有可能會(huì)降低。隨著管涌規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，只要沒有殃及到堤身附近的土體，有可能演變?yōu)橐粋€(gè)減壓池，管涌演變逐漸趨于休止。所以試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯苡靠谝?guī)模的人為約束，也會(huì)夸大管涌的擴(kuò)展，不當(dāng)?shù)卮龠M(jìn)模型整體的破壞和堤防潰決。

(5)現(xiàn)有管涌擴(kuò)展過程的數(shù)值模擬方法，或者在很大程度上簡化了物理過程，使得模擬結(jié)果失真，或者盡可能多地考慮了真實(shí)的物理現(xiàn)象，但使得模型模擬的規(guī)模受限，未能應(yīng)用于實(shí)際工程的模擬。

綜上所述，可以認(rèn)為管涌演變規(guī)律的研究，要通過大模型、甚至原型試驗(yàn)才能取得突破性進(jìn)展；數(shù)值模擬研究需要發(fā)揮計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力，模擬管涌伴隨的各種物理過程及其相互作用，并在過程中不斷進(jìn)行管涌區(qū)是否擴(kuò)大、管涌區(qū)土體自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、管涌區(qū)上覆土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等多種判斷，通過試驗(yàn)驗(yàn)證后，應(yīng)用于實(shí)際復(fù)雜條件下的規(guī)律性研究。

3 管涌危急性及其影響因素

3.1 基本概念的討論

為了正確理解管涌的演變規(guī)律及其對堤防安全的威脅，需要厘清有關(guān)基本概念。

管涌和管涌破壞，實(shí)際上分別是室內(nèi)滲透變形試驗(yàn)中對應(yīng)于滲透變形和滲透破壞的形式之一。室內(nèi)滲透變形試驗(yàn)，為一維水流條件，取試樣進(jìn)出口截面之間的距離為滲徑長度L，在不斷提升的供水水頭下，分別形成穩(wěn)定滲流條件，測得整個(gè)滲徑上的總水頭損失ΔH，除以滲徑長度得到的水力比降I，實(shí)質(zhì)上是平均比降,即I=ΔH/L。

在試樣發(fā)生滲透變形之前，實(shí)際上是材料試驗(yàn)，忽略材料的非均勻性，得到材料滲透性這一宏觀特征。當(dāng)試樣發(fā)生滲透變形時(shí)，或者試樣在出口斷面上出現(xiàn)流土，或者試樣內(nèi)部細(xì)土顆粒發(fā)生遷移和流失，宏觀上表現(xiàn)為流量增大，水變渾，計(jì)算得到的滲透系數(shù)增大；微細(xì)觀上，土樣的有效滲徑長度，或者土樣顆粒組成和孔隙特性發(fā)生了變化，水流由一維流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S流態(tài)。當(dāng)滲透變形發(fā)展使得整個(gè)試樣的滲流阻力突然顯著下降或者消失時(shí)，意味著試樣整體發(fā)生了破壞，稱為滲透破壞，此時(shí)試樣滲透性的測試已經(jīng)沒有意義,試驗(yàn)結(jié)束。

有一些細(xì)粒含量較低的管涌型土，雖然在試驗(yàn)過程中發(fā)生了滲透變形，但是在實(shí)驗(yàn)室供水條件所允許的最大試驗(yàn)比降范圍內(nèi)，即使整個(gè)滲徑上的細(xì)土顆粒都已流失，但是土樣內(nèi)部的粗顆粒骨架仍然維持穩(wěn)定，試樣仍然可以承擔(dān)相應(yīng)的水頭損失，滲透性也沒有顯著增加，水流變?yōu)榍逅?，這時(shí)會(huì)得出在最大試驗(yàn)比降下試樣沒有發(fā)生滲透破壞的結(jié)論。

由上述過程可見，試樣發(fā)生滲透變形之后，試驗(yàn)已經(jīng)不再是簡單的材料試驗(yàn)，而是實(shí)質(zhì)上的三維滲流結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)。滲透破壞實(shí)則是模型的整體破壞。

回到前文所述的管涌模型模擬試驗(yàn)和實(shí)際堤防工程中，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，其所稱的管涌與滲透變形試驗(yàn)中的滲透變形(含管涌)概念相對應(yīng)，管涌逐步演化，可能最終導(dǎo)致模型破壞和堤防潰決。也就是說，實(shí)際堤防工程中，管涌的發(fā)生及其演變都是管涌現(xiàn)象，不宜用管涌破壞的概念，管涌演變的結(jié)果是休止或者潰堤。

3.2 管涌危急性的概念

無論是本文第1節(jié)回顧的實(shí)例調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析，還是第2節(jié)回顧的已有模型模擬研究，都有一個(gè)理想目標(biāo)：提出無害管涌或不必?fù)岆U(xiǎn)管涌的判別方法。然而，管涌擴(kuò)展的影響因素有很多，其影響的方式很復(fù)雜，多因素綜合作用更加復(fù)雜。這就使得提出的判別方法或標(biāo)準(zhǔn)的可靠性都只能是相對的。同時(shí)，堤防工程的安全事關(guān)保護(hù)區(qū)生命財(cái)產(chǎn)安全，防汛搶險(xiǎn)的決策任務(wù)由行政首長承擔(dān)，其承受的壓力很大，也很復(fù)雜，不僅限于技術(shù)層面。類似無害管涌這樣簡單明確的概念，雖易于理解，卻難以在實(shí)踐中被接受和應(yīng)用。

建立管涌危急性或管涌危急程度(criticality of piping)這一概念，旨在定量地評估管涌的特性和趨勢，避免無害管涌等類似簡單定性概念可能造成的偏差。管涌危急性定義為：在堤防可能經(jīng)受的洪水荷載作用下，為避免管涌不斷演化而危及堤防安全，需要采取搶險(xiǎn)處置措施遏止其進(jìn)一步演化，或者啟動(dòng)決堤預(yù)案的緊迫程度。根據(jù)管涌危急性，可以對管涌進(jìn)行分類施策。

3.3 管涌危急性的影響因素

張家發(fā)等[31]通過典型堤基滲流場的計(jì)算分析，比較全面地研究了堤身堤基滲流場影響因素的作用規(guī)律，包括作用水頭、堤身滲透性、堤基地層結(jié)構(gòu)和地層滲透性及其厚度、外灘和深泓切割條件，并指出實(shí)際情況下的地形、地質(zhì)和工程條件很復(fù)雜，應(yīng)針對具體條件進(jìn)行分析研究。滲流場的分布是管涌發(fā)生和演變的重要基礎(chǔ)，影響滲流場的因素也會(huì)是影響管涌危急性的因素。這里暫不開展定量的規(guī)律性研究，也不打算展開各項(xiàng)因素的分析討論，而只是對幾項(xiàng)特殊因素的作用方式進(jìn)行討論。由于作用水頭的復(fù)雜性，因而將決定作用水頭的洪水特征和堤內(nèi)水位分開來討論。同時(shí)，對于險(xiǎn)情的演變規(guī)律來說，管涌的位置成為非常敏感的因素，必須納入討論范圍。很多堤防在加固工程建設(shè)中實(shí)施了垂直防滲墻或者減壓井等滲流控制措施，使得一些影響因素對滲流場的分布和動(dòng)態(tài)、管涌發(fā)生和演變的作用規(guī)律更加復(fù)雜，有必要納入討論。

3.3.1 洪水過程

堤防工程實(shí)際經(jīng)歷的洪水荷載是復(fù)雜的洪水過程，而不僅僅是一個(gè)洪水水位值。堤防工程經(jīng)歷高洪水水位的長時(shí)間浸泡或歷時(shí)較短的洪水，其表現(xiàn)及險(xiǎn)情的發(fā)生與演變是不同的。已達(dá)標(biāo)工程的超標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用[32]和未達(dá)標(biāo)工程的超負(fù)荷運(yùn)行，尤其需要考慮實(shí)際經(jīng)歷的或預(yù)測將要經(jīng)歷的洪水過程。

管涌發(fā)生后，在某一個(gè)洪水過程中可能不斷地?cái)U(kuò)展和演變，也可能休止；在下一個(gè)洪水過程中，原來的管涌又可能啟動(dòng)擴(kuò)展過程，或者在另一個(gè)年度的洪水過程中管涌又可能復(fù)活。具體到某個(gè)管涌，既需要根據(jù)當(dāng)前洪水過程分析研判危急性的狀態(tài)，也需要根據(jù)將要經(jīng)歷的洪水過程預(yù)測危急性的趨勢。

可以根據(jù)洪水過程中管涌演變的特點(diǎn)，從洪水過程提取一些關(guān)鍵特征值，以方便歸納概化洪水條件，開展洪水特征對管涌演變作用的定量研究。

3.3.2 堤內(nèi)水位

堤內(nèi)水位往往是指堤防保護(hù)區(qū)內(nèi)對堤基滲流場起控制作用的最低水位。減壓井、減壓溝是主動(dòng)設(shè)置的堤內(nèi)水位條件。堤內(nèi)的湖、塘、溝、渠、井，往往是堤基滲流場的定水頭邊界條件，也往往是堤基滲流安全的薄弱部位，對于滲流場和滲流險(xiǎn)情的發(fā)生發(fā)展起著控制作用。2016年長江干堤的50處險(xiǎn)情，有不少是與塘、渠有關(guān)，也有的是與減壓井失效而未能有效地控制滲流場有關(guān)。

第1.4節(jié)的荊江大堤黃林垱段管涌，是在長江水位還沒有達(dá)到設(shè)防水位的情況下，施工企業(yè)抽水，使塘內(nèi)水位下降3 m后，相當(dāng)于作用水頭上升了3 m，塘內(nèi)發(fā)現(xiàn)管涌。搶險(xiǎn)人員首先想到的搶險(xiǎn)方式是設(shè)導(dǎo)濾堆。在做導(dǎo)濾堆后，以及在后來抽水入塘進(jìn)行反壓的過程中，又先后發(fā)生了8個(gè)小管涌，就充分說明了導(dǎo)濾堆只能起到對已發(fā)生險(xiǎn)情的針對性處置效果，要解決整體性的問題，需要首先調(diào)整下游水位條件，或者針對整個(gè)塘內(nèi)表層弱透水層厚度薄的問題，滿鋪一定厚度的排水反濾層。具體決策需要在比較人力、物料、設(shè)備、時(shí)間等因素及實(shí)施的難易程度后確定。

3.3.3 管涌位置

管涌位置往往是指管涌口所在位置，可以是管涌在堤身上出現(xiàn)的具體部位，也可以是在堤內(nèi)出現(xiàn)的管涌口與堤內(nèi)腳的距離。

2019年8月，筆者參加了對湘贛兩省7月份出現(xiàn)的9處決堤和潰壩險(xiǎn)情的現(xiàn)場調(diào)查分析。水利部要求調(diào)查的總共7處堤防險(xiǎn)情都發(fā)生在鄉(xiāng)村地區(qū)的長江支流堤防，有1處是無等級的堤防險(xiǎn)情，其余都是5級堤防的險(xiǎn)情；2處為堤身堤基險(xiǎn)情，5處為堤身險(xiǎn)情。這些低等級、甚至無等級的堤防，不僅先天不足，而且加固工程建設(shè)延后，甚至還沒有立項(xiàng)。在7月份的連續(xù)大雨后升級為暴雨、大暴雨的過程中，河道出現(xiàn)了超標(biāo)準(zhǔn)洪水，甚至超歷史記錄的洪水，堤防嚴(yán)重超負(fù)荷運(yùn)行，甚至洪水漫頂，造成了嚴(yán)重的險(xiǎn)情，實(shí)際上有5處發(fā)生堤防決口。另有一處，搶筑的子堤起到了擋水作用，雖然子堤漏水造成堤內(nèi)滑坡，但是通過搶險(xiǎn)止住了滑坡，防止了堤防決口，算是一個(gè)搶險(xiǎn)成功的案例。還有一處是在超標(biāo)準(zhǔn)洪水作用下穿堤鋼管周圍土體發(fā)生接觸沖刷，形成涌水通道，類似一個(gè)大管涌，雖未造成決口，但是在堤身迎水面搶拋塊石和袋裝砂土逐步消殺水勢后，挖開堤頂，形成便于施工的缺口，再填筑黏土，實(shí)現(xiàn)閉氣。這種在高洪水位下破堤搶險(xiǎn)的方式極具風(fēng)險(xiǎn)，所幸管涌位置較高，搶險(xiǎn)獲得了成功。

經(jīng)歷2019年參加對長江支流堤防險(xiǎn)情的調(diào)查分析，與近些年對長江干堤險(xiǎn)情分析，尤其是研究背景中提到的2016年汛后對險(xiǎn)情的核查，認(rèn)識(shí)到堤防險(xiǎn)情發(fā)生的一個(gè)顯著規(guī)律：在已經(jīng)完成達(dá)標(biāo)建設(shè)的堤防工程，主要是堤基險(xiǎn)情；在未達(dá)標(biāo)堤防，或者低等級，甚至無等級的堤防，主要是堤身險(xiǎn)情，或者堤身堤基結(jié)合部的險(xiǎn)情，后者危急程度甚高。

2017年湖南省益陽市赫山區(qū)人民垸的管涌險(xiǎn)情距堤內(nèi)腳約60 m，初現(xiàn)時(shí)，管涌口直徑約15 cm，水渾，險(xiǎn)情迅速擴(kuò)展，搶險(xiǎn)反濾圍井被沖毀。這說明對險(xiǎn)情危急性和可能擴(kuò)展的規(guī)模認(rèn)識(shí)不足，反濾圍井過小。管涌快速擴(kuò)展，導(dǎo)致地面塌陷，及至堤身沉陷，所幸沒有決堤。該險(xiǎn)情充分顯示了近堤堤基管涌的危急性。

管涌逆水流方向擴(kuò)展所達(dá)到的位置，對于管涌危急性的判斷很有意義，可是因?yàn)殡[伏于地下，這一位置一般難以掌握，除非管涌造成了地面塌陷，甚至形成了新的管涌出口，否則只有寄望于能夠用地球物理方法進(jìn)行準(zhǔn)確的探測。

3.3.4 地層結(jié)構(gòu)條件和土體性質(zhì)

對于堤身管涌來說，結(jié)構(gòu)條件是指堤身斷面的結(jié)構(gòu)形式和幾何特征，土體性質(zhì)是指堤身的土性。對于堤基管涌來說，結(jié)構(gòu)條件和土性是指管涌及其擴(kuò)展途徑上的地層結(jié)構(gòu)和土體性質(zhì)。

無論是堤身險(xiǎn)情還是堤基險(xiǎn)情，都要注意是否與建筑物有關(guān)。土體與穿堤建筑物或者近堤建筑物的接觸部位容易出現(xiàn)填土不實(shí)或者接觸縫等隱患，剛性建筑物的支撐作用使得土體發(fā)生隱蔽的接觸沖刷后不容易造成地表變形而被察覺，一旦發(fā)現(xiàn)，險(xiǎn)情可能已經(jīng)擴(kuò)展了很長一段時(shí)間，危急程度很高，容易造成決堤。

1998年江西省九江市的長江大堤決口就與鄰近的碼頭工程有關(guān)[33]。2016年湖南省岳陽市華容縣新華垸紅旗閘潰口也是一個(gè)典型。剛剛完成加固的堤防就經(jīng)歷超標(biāo)準(zhǔn)洪水的考驗(yàn)，險(xiǎn)情發(fā)現(xiàn)后，發(fā)展很快，堤防決口后，紅旗閘依然聳立在洪水中。本文引言中提到的2016年長江干堤50處險(xiǎn)情，與穿堤建筑物相關(guān)的有6處[3]。

地層結(jié)構(gòu)和土體性質(zhì)在已有研究中被考慮得最多，本文第2節(jié)已經(jīng)指出，由于模型規(guī)模的限制，模擬研究中概化的地層和土性條件與實(shí)際工程相差較大，對研究結(jié)論的普遍意義和可靠性有一定影響，這里不再討論。

3.3.5 滲流控制措施

堤防工程各種滲流控制措施都是為了防止或減少堤身堤基滲流險(xiǎn)情的發(fā)生。對于已經(jīng)發(fā)生的管涌來說，已經(jīng)大規(guī)模實(shí)施的垂直防滲墻和在部分堤防中實(shí)施的減壓井，可以在很大程度上影響險(xiǎn)情的擴(kuò)展過程和險(xiǎn)情的危急性。

首先需要指出的是，對于天然堤基滲流場起重要作用的作用水頭，在實(shí)施垂直防滲墻或減壓井后，會(huì)有不同的作用規(guī)律。即使經(jīng)歷同樣的洪水過程，建設(shè)防滲墻之后，與建設(shè)防滲墻之前，或者與沒有實(shí)施防滲墻的堤段相比，作用水頭應(yīng)該更高，堤防更安全，否則就有可能是防滲墻深度不夠，或者質(zhì)量存在缺陷，未能達(dá)到預(yù)期的滲流控制效果。同樣的洪水條件下，建設(shè)減壓井之后，與建設(shè)減壓井之前，或者與沒有建設(shè)減壓井的堤段相比，下游水位取決于井口高程，一般會(huì)低于堤內(nèi)最薄弱處的高程或水位，使得作用水頭更高；否則，就可能是減壓井未達(dá)到理想的滲流控制效果。尤其是隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，相同或相近洪水條件下作用水頭的上升，意味著減壓井可能發(fā)生了淤堵，甚至失效。

封閉式和半封閉式防滲墻與防滲依托層形成可靠的防滲體系，可以起到顯著的滲流控制作用[34]，防止防滲險(xiǎn)情的發(fā)生，也會(huì)制約險(xiǎn)情的擴(kuò)展。懸掛式防滲墻，一般難以對滲流場起到明顯的滲流控制作用，對于滲流險(xiǎn)情的發(fā)生影響不大，但是本文第2.2節(jié)提到的研究成果都說明，懸掛式防滲墻可以改變險(xiǎn)情的擴(kuò)展途徑，降低險(xiǎn)情的危急程度。

正常運(yùn)行的減壓井，有一個(gè)有效的控制范圍；合理間距的減壓井列，可以使其控制范圍不受管涌擴(kuò)展的波及。十三五國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“堤防險(xiǎn)情演化機(jī)制與隱患快速探測及應(yīng)急搶險(xiǎn)技術(shù)裝備”正在研究將減壓井措施用于防汛搶險(xiǎn)的可能性，力圖達(dá)到防汛搶險(xiǎn)與汛后除險(xiǎn)加固工程相結(jié)合。

4 管涌危急性分類的意義

管涌發(fā)生后，根據(jù)危急程度進(jìn)行的合理分類是分類施策的重要基礎(chǔ)，也是提高管涌險(xiǎn)情處置針對性和科學(xué)性的重要途徑。危急程度低者，只需要作為巡查的重點(diǎn)予以觀察；隨著危急程度的增高，需要更急迫地采取針對性的措施進(jìn)行處置。為此，需要開展基于危急性的管涌分類方法和標(biāo)準(zhǔn)研究。這里還沒法提出具體的分類方法和標(biāo)準(zhǔn)，先就危急性最高的一類，即致潰型管涌展開討論，從中也可以更加理解管涌危急性分類的意義。

致潰型管涌(piping tending to breach)是指管涌的危急狀態(tài)或危急趨勢會(huì)危及堤身安全，預(yù)判到引起堤防決口的可能性，需要立即采取搶險(xiǎn)處置措施遏止其進(jìn)一步演化，或者立即啟動(dòng)決堤預(yù)案的管涌。

根據(jù)危急狀態(tài)識(shí)別的致潰型管涌，已使堤防處于可能發(fā)生決口的關(guān)鍵時(shí)刻，人員轉(zhuǎn)移是第一要?jiǎng)?wù)。

根據(jù)危急趨勢識(shí)別致潰型管涌，主要看管涌是否勻速，甚至加速向堤身方向發(fā)展，以及堤防可能決口所需的時(shí)間。一般情況下，堤身管涌，以及管涌擴(kuò)展過程沒有收斂跡象、短期內(nèi)可能擴(kuò)展至堤身附近的堤基管涌，可以劃為致潰型管涌。

5 結(jié) 論

本文回顧了荊江大堤的管涌實(shí)例，以及圍繞管涌開展的模型模擬研究工作，啟示了管涌危急性和致潰型管涌概念的建立，并分別展開討論，主要結(jié)論如下：

(1)管涌具有復(fù)活特性和轉(zhuǎn)移特性。

(2)管涌發(fā)生發(fā)展規(guī)律模擬的一些結(jié)論性成果與實(shí)際應(yīng)用的需要還有很大距離，需要通過大模型、甚至原型試驗(yàn)才能取得突破性進(jìn)展；數(shù)值模擬研究需要發(fā)揮計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力，模擬管涌伴隨的各種物理過程及其相互作用。

(3)對管涌危急性具有特殊影響的因素包括洪水過程、堤內(nèi)水位、管涌位置、管涌附近及其擴(kuò)展路徑上的地層結(jié)構(gòu)條件和土體性質(zhì)、滲流控制措施等。

(4)根據(jù)危急性對管涌進(jìn)行分類，是管涌分類施策的重要基礎(chǔ)，也是提高管涌險(xiǎn)情處置針對性與科學(xué)性的重要前提。

(5)一般情況下，堤身管涌，以及管涌擴(kuò)展過程沒有收斂跡象、短期內(nèi)可能擴(kuò)展至堤身附近的堤基管涌，可以劃歸為致潰型管涌，需要立即采取搶險(xiǎn)處置措施遏止其進(jìn)一步演化，或者立即啟動(dòng)應(yīng)對決堤的預(yù)案。

致謝本文受益于多年來參加的長江流域堤防搶險(xiǎn)、險(xiǎn)情分析與核查、決堤險(xiǎn)情調(diào)查分析專家組工作。