堤壩涵管接觸沖刷破壞模式分析

孫東亞 ，姚秋玲 ，趙雪瑩

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100038）

1 研究背景

輸水涵管是堤防和土石壩工程中常用的結(jié)構(gòu)型式，用于引水、泄洪、沖沙、放空水庫(kù)及施工導(dǎo)流等，根據(jù)涵管內(nèi)水流形態(tài)，可分為無(wú)壓涵管和有壓涵管。無(wú)壓涵管多為圓拱直墻式，一般采用混凝土、漿砌石等圬工材料建造；有壓涵管多采用圓形鋼筋混凝土管或鋼管等；有些涵管還設(shè)有截滲環(huán)。涵管斷面形狀一般為圓形、箱型（方形、矩形）、拱形、馬蹄形、蛋形等［1］。堤防和土石壩工程中因涵管裂縫（滲漏）、與土體結(jié)合面滲透變形破壞、底板脫空等導(dǎo)致的安全問(wèn)題相對(duì)比較突出，由此引發(fā)的堤壩潰決事故時(shí)有發(fā)生。1981年水利部編制了《全國(guó)水庫(kù)垮壩登記冊(cè)》［2］，李雷等［3］和解家畢等［4］在此基礎(chǔ)上先后統(tǒng)計(jì)了1954年起到1980年、2000年和2006年的潰壩事故，其中由于穿壩涵管滲漏和涵管質(zhì)量問(wèn)題潰壩的工程占潰壩總數(shù)的4.5%、4.9%和5.6%，其比例在歷次統(tǒng)計(jì)中有所增長(zhǎng)，可見(jiàn)穿壩涵管問(wèn)題對(duì)大壩安全的影響不容忽視。李祚謨等［5］在1980年代調(diào)查了山東東阿黃河修防段小生莊穿堤涵洞、惠民修防段王集虹吸等工程，發(fā)現(xiàn)因穿堤涵管接口裂縫產(chǎn)生漏水并在堤身形成貫通通道，就提出要重視穿堤涵管的防洪安全問(wèn)題。據(jù)美國(guó)墾務(wù)局工程案例統(tǒng)計(jì)分析和研究成果，涵管接觸沖刷破壞的概率約為4×10-4～1×10-3之間［6］。深入分析總結(jié)此類工程險(xiǎn)情發(fā)生的機(jī)理和模式，對(duì)于改進(jìn)工程設(shè)計(jì)方案和施工工藝，提高安全管理水平十分重要。本文重點(diǎn)分析總結(jié)涵管與堤壩土體結(jié)合面區(qū)域土的滲透變形破壞問(wèn)題，探討其機(jī)理和發(fā)生發(fā)展過(guò)程等。

2 接觸沖刷破壞影響因素

堤壩涵管接觸沖刷破壞的發(fā)生發(fā)展受到多種因素的影響，可歸納為如下幾個(gè)方面，一些影響因素可能同時(shí)存在，共同導(dǎo)致接觸沖刷問(wèn)題。

（1）涵管材料。如涵管為鋼管，則易受到環(huán)境影響發(fā)生銹蝕，耐久性差。而混凝土管或圬工材料管則易受變形影響發(fā)生裂縫。

（2）涵管裂縫或孔洞。在沉降、地震等動(dòng)荷載作用下，涵管底板、管壁出現(xiàn)裂縫，接縫止水破壞等，即使裂縫或孔洞很小，如果缺乏反濾保護(hù)措施，將導(dǎo)致接觸沖刷。涵管附近的排水管裂縫、坡腳排水管接縫等也將導(dǎo)致類似問(wèn)題。

（4）土體裂縫與水源的連通。此情況下，裂縫表面土顆粒將在集中滲流水作用下發(fā)生嚴(yán)重侵蝕，土顆粒通過(guò)裂縫或孔洞等進(jìn)入涵管或沿管壁流失，可能直接導(dǎo)致堤壩潰決。

（5）水頭作用。水頭越高，土的滲透穩(wěn)定問(wèn)題越嚴(yán)重。但即使水頭不太高，如果涵管周圍土體裂縫持續(xù)存在集中滲流，也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重沖刷侵蝕。

（6）涵管水流類型。存在缺陷的有壓涵管比無(wú)壓涵管更容易發(fā)生接觸沖刷問(wèn)題，而且后果也將更為嚴(yán)重。

（7）回填土架空能力。涵管周圍土體侵蝕后果因回填土架空能力而不同，如果能形成架空通道，將導(dǎo)致管涌侵蝕；否則，可能會(huì)形成塌坑或其它破壞形式。

（8）地質(zhì)條件?；鶐r缺陷，例如張開(kāi)裂隙、裂縫或巖溶；涵管基礎(chǔ)存在連續(xù)侵蝕性土層，例如均勻中細(xì)砂、粉砂、砂質(zhì)粉土、粉土。這些缺陷如未得到處理可導(dǎo)致較高滲水壓力和接觸沖刷。

（9）設(shè)計(jì)施工因素。涵管區(qū)回填土因設(shè)計(jì)和施工方案影響產(chǎn)生不均勻沉降，垂向和水平向主應(yīng)力降低出現(xiàn)裂縫等問(wèn)題，易發(fā)生水力劈裂和集中滲流。還包括涵管截滲環(huán)周圍土體壓實(shí)度低或不均勻，基礎(chǔ)開(kāi)挖斷面型式及基礎(chǔ)材料特征引起的不均勻沉降，薄弱環(huán)節(jié)未設(shè)置反濾排水和止水等。

3 接觸沖刷破壞模式

針對(duì)上述不同影響因素或多種影響因素的共同作用，接觸沖刷破壞可以歸納為4類模式或其組合。

（1）土顆粒流失進(jìn)入無(wú)壓涵管導(dǎo)致土體發(fā)生內(nèi)部侵蝕。涵管某段存在孔洞、裂縫或接縫張開(kāi)，土體滲流壓力大于涵管內(nèi)水壓力，而且周圍土體抵抗內(nèi)部侵蝕的能力弱，在滲流水作用下土顆粒流入涵管，隨著時(shí)間推移，土顆粒侵蝕量和范圍逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)致堤壩出現(xiàn)塌坑，險(xiǎn)情逐漸加重，可能導(dǎo)致堤壩潰決。某些情況下土體內(nèi)本身也存在水力劈裂和向涵管薄弱環(huán)節(jié)匯集的集中滲流通道，多種土均會(huì)在集中滲流作用下發(fā)生侵蝕破壞，例如非塑性粉土、寬級(jí)配粉質(zhì)粗粒土、分散性黏土等，都可能發(fā)生快速侵蝕。張冬梅等對(duì)土質(zhì)路面地下無(wú)壓管線破損引起周圍土體的滲流侵蝕開(kāi)展了模型試驗(yàn)研究［7］，這與堤壩內(nèi)部涵管破損引起滲流侵蝕還有所不同。土顆粒流失進(jìn)入無(wú)壓堤壩涵管導(dǎo)致土體發(fā)生內(nèi)部侵蝕的發(fā)生發(fā)展過(guò)程如圖1示意說(shuō)明。

圖1 土顆粒流失進(jìn)入無(wú)壓涵管發(fā)生內(nèi)部侵蝕示意［8］

如果涵管周圍土體抵抗?jié)B流侵蝕的能力強(qiáng)，滲流侵蝕的發(fā)生發(fā)展將是一個(gè)很長(zhǎng)過(guò)程。但如果水頭比較高，而且涵管孔洞或裂縫較大，滲流侵蝕發(fā)展將會(huì)非?？欤瑔?wèn)題也將更加嚴(yán)重。

蕭飛羽回到安和莊。滌塵居廳堂落座，武成龍告訴蕭飛羽安和莊所屬平復(fù)了初戰(zhàn)告捷的躁動(dòng)，情緒也逐步穩(wěn)定后道：“本莊所為如同頑石入死水，一層不變的江湖很可能波瀾驟起。如果屬下推測(cè)無(wú)誤黑旗會(huì)很快會(huì)從震驚中清醒，并調(diào)集精銳徹查本鎮(zhèn)蛛絲馬跡，本莊又是漢口鎮(zhèn)的大莊，鬼算盤又知曉謀奪本莊太極虎曾轉(zhuǎn)呈黑旗會(huì)不為人知的中樞，所以黑旗會(huì)首先要做的應(yīng)該是詳查本莊。故而本莊所屬如果不想移師別處就該將黑旗會(huì)在本鎮(zhèn)勢(shì)力憑空蒸發(fā)的事情張揚(yáng)，以此引誘江湖人云集本鎮(zhèn)，那時(shí)本莊設(shè)法制造混亂混淆視聽(tīng)，在黑旗會(huì)精英來(lái)此還沒(méi)有將觸角伸向本莊就以迅雷不及掩耳之勢(shì)將其分別蠶食再次制造懸案并引劫于外?！?/p>

此類破壞模式還存在另外一種情況，即涵管內(nèi)壁不光滑或接縫錯(cuò)位，涵管泄流時(shí)這些區(qū)域可能產(chǎn)生負(fù)壓，涵管外壁土顆粒在負(fù)壓作用下會(huì)被吸進(jìn)涵管，形成空腔，如這種情況持續(xù)發(fā)展，土體流失量和空腔不斷擴(kuò)大，堤壩將發(fā)生塌陷，如塌坑與上游水體連通，將最終導(dǎo)致堤壩潰決。

（2）壓力涵管內(nèi)水外溢導(dǎo)致的內(nèi)部侵蝕。在涵管內(nèi)水壓力大于外圍滲水壓力且涵管存在孔洞或裂縫等缺陷情況下，涵管內(nèi)水將穿過(guò)孔洞或裂縫流入土體并作為荷載作用于土體上。如管道斷裂或接縫張開(kāi)，這種作用更加嚴(yán)重。對(duì)于無(wú)壓涵管，如在運(yùn)用中發(fā)生堵塞問(wèn)題，同樣會(huì)出現(xiàn)上述問(wèn)題。在這種水荷載作用下，滲水將在下游坡面出逸，如出逸點(diǎn)無(wú)反濾保護(hù)措施，可能引起土顆粒流失，形成后向侵蝕管涌，沿管壁逐漸向上游延伸到涵管缺陷位置。如果土體抗侵蝕能力比較強(qiáng)、涵管缺陷不嚴(yán)重或水頭比較小，可能不會(huì)很快出現(xiàn)這一后向侵蝕管涌問(wèn)題。但如果涵管周圍土體內(nèi)有裂縫或集中滲流、涵管內(nèi)水壓力比較大，則可能引起內(nèi)部侵蝕，并形成侵蝕通道。上述侵蝕問(wèn)題如果一直存在并不斷發(fā)展，涵管周邊土體逐漸流失，涵管因無(wú)基礎(chǔ)支撐而折斷，庫(kù)水通過(guò)涵管無(wú)控制泄流，堤壩下游坡坍塌失穩(wěn)，將最終導(dǎo)致堤壩潰決。圖2為壓力涵管內(nèi)水外溢導(dǎo)致內(nèi)部侵蝕過(guò)程的示意圖。

圖2 壓力涵管內(nèi)水外溢導(dǎo)致后向侵蝕管涌或內(nèi)部侵蝕示意［8］

（3）沿涵管周圍土體產(chǎn)生后向侵蝕管涌或內(nèi)部侵蝕。在涵管與土體結(jié)合面滲流荷載作用下，如土體抗侵蝕性弱，可能產(chǎn)生侵蝕。即使土體抗侵蝕性比較強(qiáng)，但如果壓實(shí)不良等，也可能引發(fā)集中滲流和水力劈裂，發(fā)生內(nèi)部侵蝕［9］，例如涵管外壁因模板施工原因凹凸不平，結(jié)合部土體很難壓實(shí)，從而成為防滲薄弱環(huán)節(jié)或安全隱患。有截滲環(huán)的涵管與土體結(jié)合部、圓形涵管底部?jī)蓚?cè)區(qū)域，一般很難壓實(shí)，沿管壁發(fā)生內(nèi)部侵蝕的可能性非常大，如圖3所示。

圖3 圓形涵管壓實(shí)不良區(qū)示意［8］

（4）涵管附近土體裂縫導(dǎo)致的內(nèi)部侵蝕。受多種因素影響涵管附近區(qū)域土體發(fā)生非均勻沉降，產(chǎn)生裂縫和水力劈裂，通過(guò)這些裂縫可能發(fā)生集中滲流和邊壁侵蝕［10］。此類破壞模式與模式（3）基本相似，但發(fā)生內(nèi)部侵蝕的位置不在涵管與土體的結(jié)合面，距離結(jié)合面要遠(yuǎn)一些。此類破壞模式一旦發(fā)生，發(fā)展會(huì)很快，形成上下游貫通通道，導(dǎo)致堤壩潰決。新疆八一水庫(kù)由于新建泄洪涵洞與原土壩之間新填土體在壩頂處產(chǎn)生橫向裂縫，引起滲透沖刷侵蝕，于2004年1月潰決［11］。

4 接觸沖刷破壞過(guò)程連續(xù)統(tǒng)

借鑒美國(guó)學(xué)者Fell等［12］及美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)大壩破壞模式連續(xù)統(tǒng)概念模型［13］，可以應(yīng)用接觸沖刷破壞過(guò)程連續(xù)統(tǒng)概念模型，揭示涵管接觸沖刷破壞的機(jī)理及發(fā)生發(fā)展過(guò)程（圖4）。涵管接觸沖刷自發(fā)生至堤壩潰決這一極限狀態(tài)，是一個(gè)不斷加重的連續(xù)發(fā)展過(guò)程，將涵管及周圍土體內(nèi)的內(nèi)部侵蝕過(guò)程劃分為四個(gè)連續(xù)階段，即啟動(dòng)（Initiation）、持續(xù)（Continuation）、漸進(jìn)（Progression）和潰決（Breach）階段。各類接觸沖刷破壞模式在不同發(fā)展階段，其影響因素及程度、發(fā)展過(guò)程及趨勢(shì)、險(xiǎn)情表現(xiàn)形式等均有一定的差異。針對(duì)不同破壞模式，可采用事件樹(shù)或故障樹(shù)等方法半定性半定量分析堤壩涵管接觸沖刷破壞風(fēng)險(xiǎn)，用于指導(dǎo)采取過(guò)程干預(yù)措施，加強(qiáng)堤壩安全的全過(guò)程管理，提出在某一階段宜采取的防御措施，從而提高堤壩安全水平，降低失事風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 堤壩涵管接觸沖刷連續(xù)統(tǒng)圖譜

A：下游涵管段周圍設(shè)反濾排水；設(shè)置截滲環(huán)；涵管周圍土體灌漿；涵管出口設(shè)反濾排水壓蓋或減壓井

B：調(diào)整運(yùn)行模式；降低涵管進(jìn)口水頭；限制水位運(yùn)行；涵管周圍土體灌漿；涵管出口區(qū)設(shè)反濾排水壓蓋或減壓井

C：應(yīng)急降低涵管進(jìn)口水頭；堤壩下游人員轉(zhuǎn)移避險(xiǎn)；涵管出口區(qū)設(shè)反濾排水；涵管出口蓄水反壓；封堵裂縫或接縫；灌漿封堵滲漏通道。

D：堤壩運(yùn)行正常，日常檢查中未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。堤壩安全評(píng)估建議關(guān)注長(zhǎng)期滲流問(wèn)題。

E：在一定水頭作用下涵管與堤壩或基礎(chǔ)土體接觸面區(qū)域發(fā)生集中滲漏管涌等內(nèi)部侵蝕破壞。

F：防滲措施未發(fā)揮作用，接觸沖刷現(xiàn)象持續(xù)存在，并隨著水力坡降和滲漏量增加，內(nèi)部侵蝕加速向上游發(fā)展。

G：接觸沖刷范圍不斷擴(kuò)大，土體形成架空通道，滲漏量持續(xù)增加，快速向上游發(fā)展。

H：集中滲漏未因架空通道塌陷而停止，內(nèi)部侵蝕繼續(xù)擴(kuò)展，堤壩出現(xiàn)塌坑、頂部沉降、邊坡失穩(wěn)，下游坡流失，堤壩潰決。

5 結(jié)論與建議

涵管是堤壩工程的薄弱環(huán)節(jié)，其接觸沖刷問(wèn)題涉及多方面的影響因素，多數(shù)情況下不同破壞模式并存，為提高堤壩工程安全水平，需要在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行管理等各階段，針對(duì)可能破壞模式采取相應(yīng)防御措施。接觸沖刷破壞過(guò)程連續(xù)統(tǒng)概念模型提供了一個(gè)很好的決策框架，但在具體應(yīng)用中需根據(jù)工程實(shí)際予以細(xì)化。本文關(guān)于涵管接觸沖刷破壞模式的分析也有助于深化對(duì)水閘等穿堤建筑物接觸沖刷破壞模式的認(rèn)識(shí)。

涵管工程設(shè)計(jì)除滿足一般技術(shù)要求外，應(yīng)從接觸沖刷破壞模式分析入手，高度重視在適宜部位設(shè)置反濾排水；應(yīng)嚴(yán)格控制涵管基礎(chǔ)和接縫處理、周圍土體壓實(shí)質(zhì)量，避免后期出現(xiàn)不均勻沉降、裂縫或滲流通道。需加強(qiáng)日常巡視檢查和應(yīng)急管理，一旦發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，及時(shí)采取導(dǎo)滲、反濾壓蓋、灌漿截滲等措施，控制險(xiǎn)情進(jìn)一步發(fā)展。