覆蓋層及其與砂層接觸面特性對堤基管涌影響試驗研究

劉洪辰，吳慶華，蘇懷智，王金龍

(1.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室， 湖北 武漢 430010；2.河海大學 水利水電學院， 江蘇 南京 210098；3.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室， 江蘇 南京 210098)

洪澇災害是我國面臨的突出問題，建設可靠的防洪減災體系關系到人民群眾生命財產安全、社會穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。堤防工程是組成防洪減災體系的重要部分，但多數工程所處的地質環(huán)境較為復雜，且受人類活動頻繁影響，服役過程中常產生隱患和險情，易引發(fā)管涌等破壞，致災風險大[1]。管涌是在滲流水的作用下，土體骨架孔隙中的細顆粒被帶走并形成滲流通道的地質現象，若不及時采取措施，隨著水的沖刷，堤基下層的泥沙不斷涌出，管涌通道的直徑將越來越大，致使堤基發(fā)生不均勻沉降，嚴重威脅江河大堤的安全[2]。

國內外學者對管涌破壞開展了大量研究，Foster等[3-4]分析了歷史上由管涌造成堤壩破壞的事故，提出了一種估算管涌導致堤壩破壞的可能性的方法。Lanzafame等[5]采用可靠度分析方法研究了覆蓋層的滲透系數、厚度和抗剪強度對堤防安全的影響，認為相比于覆蓋層的滲透系數，其厚度和抗剪強度的影響更大。Van Beek等[6]利用層流初始運動數據建立了管涌擴展模型，并開展了管涌侵蝕實驗進行驗證，說明基于層流初始運動數據來確定管涌水力梯度的方法是有效的。吳良驥[7]在分析作用于單個顆粒和單位土體滲透力的基礎上提出了計算無黏性土管涌臨界比降的關系式，該公式是一種簡便有效的管涌臨界比降計算方法。毛昶熙等[8-10]以北江大堤、長江大堤為例，通過一系列模型試驗，研究了接觸面性質相異、砂層粗細不均、水槽尺寸不同等因素對管涌發(fā)展的影響，并在滲流理論基礎上，推導出了有無懸掛式防滲墻時管涌孔口附近涌砂的沖蝕范圍及發(fā)展距離的計算公式，可用來判斷管涌的危害程度。丁留謙等[11-13]、姚秋玲等[14]通過試驗對雙層堤基、三層堤基管涌的擴展過程進行了研究，根據試驗結果討論了蓋重最大、最小寬度和汛期管涌搶險的合理范圍，為堤防設計和搶險工作提供了參考。張家發(fā)等[15-16]采用數值模擬和模型試驗的方法對堤身堤基滲流場規(guī)律進行了分析，研究了堤基滲透變形擴展過程及懸掛式防滲墻控制作用，研究得出了懸掛式防滲墻滲流控制效果并不顯著的結論。李廣信等[17]對堤基管涌的發(fā)展過程進行了試驗模擬，指出堤基管涌實際上是弱透水層中發(fā)生的自下游向上游潛蝕沖刷的流土。陳建生等[18-20]對堤防管涌產生集中滲漏通道的機理展開研究，分析了管涌帶出的土粒在地層中的分布范圍以及管涌的逐步發(fā)展過程。倪曉東等[21]利用顆粒流數值模擬的方法來揭示管涌發(fā)展的細觀機理，刻畫了土體內部細顆粒運移引起管涌破壞的動態(tài)過程。周曉杰等[22]采用無網格伽遼金法對滲流場進行計算，該方法可以適應計算過程中內部邊界條件不斷變化的特點，能夠模擬管涌通道繞過防滲墻等復雜的發(fā)展過程。王霜等[23-25]詳細探討了土層結構、細砂層厚度、水流流態(tài)及顆粒組成等因素對管涌發(fā)展過程的影響，分析了細砂層位于土層中不同位置時管涌通道發(fā)展的機理，提出了細砂層埋深的計算公式，并研究了非均勻流條件下砂土顆粒大小對管涌的影響。萬利臺等[26]利用三維滲流有限元方法計算分析了堤防內設置防滲體對于垸內區(qū)域滲流場的影響?？讘c宇等[27]為了檢驗深層攪拌樁對長江大堤堤身加固后的滲流穩(wěn)定性,采用三維飽和-非飽和滲流有限元法建立了大堤的有限元滲流分析模型，分析了歷史最高水位條件下加固后大堤的滲流性態(tài)。

堤內覆蓋層在不同地質條件下沉積而成，其物理性質有著較大的差異，并且在沉積過程中覆蓋層與砂層的接觸面會形成不同的巖性。目前國內外對管涌的研究大多從滲透破壞的角度出發(fā)探究管涌的擴展機理，研究重點集中在對臨界破壞條件的判別和通道發(fā)展的方式上，對不同物理性質的覆蓋層以及覆蓋層與砂層接觸面特性等對管涌的影響研究較少。本文在自行設計的砂槽模型試驗裝置中對不同物理性質覆蓋層以及覆蓋層與砂層接觸面特性對管涌發(fā)生及發(fā)展過程進行模擬試驗，通過觀察3種不同密實度、3種不同厚度以及2種不同接觸面特性情況下的流量、測壓管水位、管涌口涌出懸濁液的濁度等參數，對比分析不同條件下管涌發(fā)生發(fā)展的特性及破壞后的結果，以期揭示覆蓋層密實度、厚度以及接觸面特性等對管涌發(fā)生發(fā)展的影響。

1 試驗模型與試驗方案

1.1 試驗模型設計與制作

試驗在有機玻璃材質砂槽模型(長60 cm，寬、高各30 cm)中開展，其基本構造如圖1所示。模型左右兩側為進水室和出水室，進、出水室與砂槽之間均用透水板隔開，在透水板上粘貼紗網，使水流均勻流入試樣內。模型槽頂面為剛性有機玻璃蓋板，為了達到模型止水的目的，試驗過程中用螺栓將其與砂槽固定，并在蓋板與土層接觸處采用柔性橡膠墊密封，橡膠墊下設置一定厚度的黏土模擬二元堤基中的覆蓋層。在玻璃蓋板上，前后兩側設有排氣閥，在試樣飽和時用于排出氣體。蓋板上距離進水室40 cm處設有直徑為3 cm的出水口，試樣裝填時在出水口位置將管件預埋至黏土覆蓋層中，埋深與覆蓋層的厚度一致，管件的底部即為覆蓋層與砂層的接觸面，黏土覆蓋層裝填完畢后將預埋管件緩慢取出。滲流水壓力測量裝置采用15 cm長的銅管制成，銅管表面均勻開小孔，之后采用紗網將銅管表面進行纏繞制作成反濾透水管，透水管內部深入砂槽模型中，外部與測壓管接口連接，可以在試驗中測量到試驗內部的水頭分布情況且不會導致砂土顆粒流出，對試驗過程中管涌的演化干擾較小。防止測壓管對管涌的發(fā)展產生干擾，測壓管從模型側面深入試樣15 cm，深入位置距上部玻璃蓋板15 cm。試驗時水位控制系統(tǒng)控制上游水位的升降，濁度測量裝置和濁度數據記錄儀實時記錄試驗過程中涌出懸濁液的濁度變化，測壓板讀數記錄試驗過程中試樣內部滲透壓力的變化情況，流量采用秒表和量筒測量。

圖1 砂槽模型構造圖(單位：cm)

1.2 試驗材料

為了模擬實際堤基的地質條件，本次試驗采用取自漢江流域的細砂，其顆粒級配組成如圖2所示。試驗砂樣物理力學指標見表1，材料本身的破壞比降由室內垂直滲透試驗得到，反映材料發(fā)生破壞的難易程度。試驗土樣采用取自湖底的淤泥質黏土，破碎篩分后取細顆粒，用于模擬黏土覆蓋層。

表1 試驗用砂的物理力學性質

圖2 試驗用料級配曲線

1.3 試驗方案

選取黏土覆蓋層不同的密實度、厚度以及覆蓋層與砂層接觸面的不同特性設置6組試驗，試驗方案見表2。需要說明的是，覆蓋層與砂層接觸面設置無過渡層和含過渡層兩種處理，過渡層處理用來反映長江階地地層巖性特征，實驗中在淤泥質黏土覆蓋層與砂層接觸面處增加2.5 cm厚的過渡層，層內采用黏土與粉細砂按照1∶1的比例進行混合。

表2 試驗方案及結果

1.4 試驗過程

(1) 浸潤飽和。按照試驗處理進行裝樣，分層裝填，在砂樣上部填裝黏土覆蓋層，裝樣時在模型邊壁處涂抹玻璃膠，防止水流沿邊壁滲透，裝填完成后蓋上橡膠墊和蓋板，四周用螺栓密封，向模型槽進水室中每次升高水位5 cm，待水滲過試樣到達出水室且與進水室水位基本保持齊平時繼續(xù)升高水頭，最終加水直至水位與試樣頂面齊平，浸潤飽和24 h以上。

(2) 飽和完畢后緩慢逐級升高水頭至水從管涌口流出，測量其初始流量，滲流量和測壓管水位基本穩(wěn)定后記錄第一組數據，此時管涌口水流清澈且沒有泥沙帶出，管涌發(fā)展尚未產生，水頭每級升高5 cm。

(3) 試驗開始后上升水頭至管涌發(fā)展穩(wěn)定時測量流量，并記錄發(fā)展過程中的現象，在滲流出口處淹沒水深為2 cm，濁度儀放置于管涌口涌砂處測量涌出懸濁液的濁度，整個試驗過程中在管涌口處安裝實時濁度測量儀，測量管涌口處涌出懸濁液的濁度變化。

(4) 試驗進行至管涌口發(fā)生大量涌砂，管涌通道與進水室貫通時即視為試樣發(fā)生整體破壞，此時結束試驗并準備下一組試驗。

2 試驗結果分析

由于測壓管布置數量有限，其測值不足以用來分析滲透變形的擴展規(guī)律，主要供試驗過程中判斷滲流場是否達到穩(wěn)定狀態(tài)，因此主要依據管涌開始發(fā)展至破壞的臨界比降、破壞比降、流量和濁度變化來分析不同試驗條件對管涌發(fā)展的影響。

2.1 覆蓋層密實度對管涌的影響分析

圖3給出了不同覆蓋層密實度時流量隨比降變化曲線，圖4給出了試驗過程中的現象變化，由圖3和圖4可分析管涌的發(fā)展歷程，試驗初期未發(fā)現管涌現象時流量隨水力梯度的增大而增大，基本呈線性增長關系，當比降超過各組試驗的臨界比降時，由圖3可以看出曲線變陡，其流量突然增大，此時由圖4中現象可以看出管涌口開始有渾水產生，說明滲透變形開始發(fā)生，管涌通道形成，隨著比降的繼續(xù)增大，流量繼續(xù)加大，圖4中現象表面此時產生大量渾水，該階段為管涌通道不斷擴展的過程，在此過程中不斷伴有黏土和細砂顆粒被帶出，直至管涌通道貫通出現大量涌砂。從圖3中還可得知在比降相同時，覆蓋層密實度越大，其流量越小，透水性較差。

圖3 不同覆蓋層密實度時流量隨比降變化曲線

圖4 試驗過程中現象

表2給出了不同試驗條件的臨界比降和破壞比降，由表2可以看出覆蓋層密實度按照1.40 g/cm3、1.45 g/cm3、1.50 g/cm3的值逐級增大時，其臨界比降為0.26、0.35、0.39，破壞比降為0.55、0.64、0.89，均呈現逐級增大的趨勢，該結果說明覆蓋層的密實度增大，其管涌發(fā)生時的臨界比降和試樣最終貫通的破壞比降增大，說明密實度較大時覆蓋層與砂層的接觸緊密，管涌通道不易擴展。圖5為試驗結束后覆蓋層的破壞情況，從中可以看出試驗1(密實度1.40 g/cm3)覆蓋層破壞程度較試驗2(密實度1.45 g/cm3)和試驗3(密實度1.50 g/cm3)更嚴重，土層完全塌陷，該結果說明密實度較小時覆蓋層較容易被管涌侵蝕破壞。

圖5 試驗結束后覆蓋層破壞情況

2.2 覆蓋層厚度對管涌的影響分析

不同厚度的覆蓋層管涌試驗歷程與不同密實度覆蓋層的試驗相類似，因此試驗歷程不作過多描述。由表2可知覆蓋層厚度為2.5 cm時，其臨界比降和破壞比降為0.13和0.20，較厚度為5 cm和10 cm的情況均較小，試驗過程中管涌在短時間內便發(fā)展貫通，圖6可以看出覆蓋層厚度較小時試樣被管涌侵蝕嚴重，破壞后管涌通道上部全部塌陷破壞；厚度增加到10 cm時，其臨界比降和破壞比降為0.19、0.63，較5 cm厚度的情況無明顯差異，圖5中試驗6圖片為覆蓋層為10 cm情況下管涌發(fā)展貫通后其表面的情況，與其他試驗條件相比其表面結果完整，沒有出現明顯的塌陷和裂縫。說明黏土覆蓋層的厚度較小時，管涌發(fā)生后可以在較短時間內貫通，但覆蓋層厚度增加至一定程度后，管涌發(fā)展的臨界比降和破壞的比降并沒有明顯提高。圖6給出了不同覆蓋層厚度時流量隨比降的變化曲線，從圖6中可以看出，相同水力梯度條件下，覆蓋層厚度越大，流量越小，分析是因為覆蓋層厚度超過一定程度后致使透水性變差，其滲流條件不利于堤基的安全穩(wěn)定，且覆蓋層較厚時汛期搶險對其采取措施所需的投資較大。

圖6 不同覆蓋層厚度時流量隨比降變化曲線

2.3 接觸面特性對管涌的影響分析

圖7對比了覆蓋層與砂層接觸面含過渡層與不含過渡層時流量隨比降的變化曲線，從圖7可以看出接觸面不含過渡層時其曲線變化平順，接觸面含過渡層時其曲線變化存在多處拐點，比降在0.17～0.35區(qū)間時流量增大，此時增長曲線較陡，在0.35～0.56時流量繼續(xù)增大，但曲線變緩，增長速率明顯降低，在0.56～0.65和0.65～0.81兩個區(qū)間內呈現相同的規(guī)律。

圖7 不同接觸面性質時流量隨比降變化曲線

根據試驗過程中管涌口涌砂含泥量較高且時斷時續(xù)的現象分析其原因是接觸面含過渡層時，過渡層中的黏土顆粒會對管涌的通道產生一定程度的於堵，導致通道過水斷面面積發(fā)生改變，進而使流量的增長速率改變。從表2中可以看出，含過渡層的臨界比降和破壞比降比不含過渡層的情況均有增大，因此含過渡層的條件較無過渡層的條件管涌的發(fā)展較困難。

2.4 各組試驗過程中濁度變化分析

圖8給出了濁度隨上游水位變化曲線，由圖8可以看出，在上游水位未超過臨界作用水頭時，其濁度的變化規(guī)律較一致，管涌出口處懸濁液中懸浮物濁度變化平穩(wěn)，其值穩(wěn)定在0～1 mg/L之間，在超過臨界比降對應的水頭后，管涌出口處懸濁液中懸浮物濁度急劇上升，除試驗6(覆蓋層密實度1.45 g/cm3、厚度10 cm、無過渡層)破壞時的濁度值為7.8，其余各組試驗破壞時的濁度值均超過20，分析其原因為，隨著管涌向上游方向發(fā)展底部形成通道，黏土覆蓋層較厚時，不會因為下部掏空而形成嚴重塌陷，土層結構保持較好，管涌出口處的懸濁液中大部分為涌出的底部清砂，含泥量較少，因此濁度較低。

圖8 濁度隨上游水位變化曲線

3 結 論

(1) 覆蓋層密實度較大時其顆粒不易被水流帶走，且與砂層接觸緊密，抵抗管涌侵蝕的能力較強，在大密實度覆蓋層下管涌發(fā)展貫通較困難。

(2) 覆蓋層厚度較薄時容易被侵蝕破壞，管涌發(fā)展貫通迅速；厚度增加至一定程度后，管涌發(fā)展的臨界比降和破壞比降沒有明顯提升，試驗結束后土層結構完整，沒有明顯塌陷和裂縫，但覆蓋層較厚時會給汛期搶險施工帶來不利影響。

(3) 當覆蓋層與砂層的接觸面存在砂土混合的過渡變化時，管涌發(fā)展的臨界比降和破壞比較均有提高，在此類地質條件下發(fā)生的管涌擴展較困難，對堤基的安全有利。