管涌破坏的计算模型及工程抢护措施

崔佳佳

管涌破坏的计算模型及工程抢护措施

崔佳佳

叙述了管涌的定义及产生原因,给出了管涌的计算模型并作了简要分析,最后从四方面入手提出了工程上对管涌现象的防治措施,以确保水利工程安全运行。

管涌,渗透破坏,临界水力坡降

0 引言

外国的水库大坝,江河大堤绝大部分为土坝、土堤,这些工程多数是建国后各个历史时期兴建的,有些工程除了防洪标准低以外,主要问题是土坝的变形和渗透稳定不能保证,这是影响水利工程安全运行的主要因素。据土坝失事资料分析,由于防洪标准低,出现超标洪水溃坝占 51.5%;由于设计不合理、施工质量差,溃坝的占 38.5%,其表现为坝体裂缝,出现坝基渗透管涌、渗透破坏、坝体滑坡等。从近年来我国 241座大型水库曾发生的 1 000次工程事故分析,渗透管涌占 31.7%。所以,管涌的发展机理及其防治措施是工程界一直关注的问题。

1 管涌的定义及产生的原因

管涌,严格定义为由于土体结构或地基内部的不连续性导致在水流渗透作用下,土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中流动,以致流失;随着土的孔隙不断扩大,渗流速度不断增加,较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走,最终导致土体内形成贯通的渗流管道,造成土体塌陷,这种现象被称为管涌。管涌破坏被认为是地面下的腐蚀引起的一种破坏。

管涌多发生在砂性土中,其特征是颗粒大小差别较大,往往缺少某种粒径孔隙直径大且相互通联。无粘性土产生管涌必须具备两个条件：管涌主要发生在级配不连续的土中;管涌发生点的水力坡降大于临界水力坡降。

2 管涌计算模型概述

目前,造成土粒在渗流作用下开始沿渗漏路径运动的原因是渗流力大于土体抵抗渗透破坏的能力。将土体抵抗渗透破坏的能力称为抗渗比降,即单位土体可承受的极限渗透力,此时水力梯度所能达到的临界值为临界水力梯度。自然界中土的颗粒组成范围很广,渗透破坏形式也较复杂,因而在抗渗比降的研究上至今尚无法用某一多因素的函数式统一表达,而只能将土先按渗透破坏形式分类,分别给出计算公式。首先要区分黏性土还是无黏性土,对无黏性土,通常又将土体抗渗比降分为 3类。

2.1 管涌型抗渗比降

其中,d为允许的可移动土颗粒粒径;d0为土体孔隙的平均直径。

2)康德拉且夫模型。

常用的模型有 3种：1)依斯托美娜模型。

其中,k为土体的渗透系数。

2.2 过渡性抗渗比降

介于流土型和管涌型土渗透破坏之间的抗渗强度称为过渡型抗渗比降。常用模型为中国水利水电科学研究院研制的模型。对连续级配型土有：

其中,dc为非均匀土的等效粒径;db为土颗粒面积形状和渗流长度修正系数,对不连续级配型土η=2.2(1-Φ)。

综合各种不同类型的无黏性土体抗渗比降的模型,并结合不均匀系数 C可以将各类无黏性土抗渗比降的变化范围和工程许用值归纳为表 1。

表 1 各类无黏性土抗渗比降的变化范围和允许值

对黏性土而言,影响其渗透破坏的因素很复杂,其中最基本的因素有土的性质(如渗透系数、孔隙率、内摩擦角、内聚力、土的饱和度、密度等)。大卫登柯夫根据渗透力、土体自重、土体强度等的极限平衡原理,从理论上给出了黏性土的抗渗强度的本构方程：

其中,σt为土的抗拉强度,可用土的常规强度指标表示为：

其中,c为土的内聚力;φ为土的内摩擦角;d0为反映渗流出口土表面无保护临空面大小的参数,它与平均孔隙直径等效;r＊为土体的饱和体积质量;ru为水的体积质量;α为土体表面与水平面的夹角,正号为向上渗流,负号为向下渗流。

3 目前的防治措施

3.1 反滤围井

在管涌口处用编织袋或麻袋装土抢筑围井,井内同步铺填反滤料,从而防止涌水带沙,以防险情进一步扩大,当管涌口很小时,也可用无底水桶或汽油桶做围井。

3.1.1 沙石反滤围井

沙石反滤围井是抢护管涌险情的最常见形式。在围井抢筑时,首先应清理围井范围内的杂物,并用编织袋或麻袋装土填筑围井,然后根据管涌程度的不同,采用不同的方式铺填反滤料。

3.1.2 土工织物反滤围井

首先对管涌口附近进行清理平整,清除尖锐杂物。管涌口用粗料充填,以消杀涌水压力。铺土工织物前,先铺一层粗沙,粗沙层厚 30 cm～50 cm,然后选择合适的土工织物铺上。

3.1.3 梢料反滤围井

梢料反滤围井用梢料代替沙石反滤料做围井,适用于沙石料缺少的地方。下层选用麦秸、稻草,铺设厚度20 cm～30 cm;上层铺粗梢料,如柳枝、芦苇等,铺设厚度 30 cm～40 cm。梢料填好后,为防止梢料上浮,梢料上面压块石等透水材料。

3.2 反滤层压盖

在堤内出现大面积管涌或管涌群时,如果料源充足,可采用反滤层压盖的方法,以降低涌水流速,制止地基泥沙流失,稳定险情。反滤层压盖必须用透水性好的材料,切忌使用不透水材料。

3.2.1 沙石反滤压盖

在抢筑前,先清理铺设范围内的杂物和软泥,同时对其中涌水涌沙较严重的出口用块石或砖块抛填,消杀水势,然后在已清理好的管涌范围内,铺粗沙一层,厚约 20 cm,再铺小石子和大石子各一层,厚度均为20 cm,最后压盖块石一层,予以保护。

3.2.2 梢料反滤压盖

当缺乏沙石料时,可用梢料做反滤压盖。其清基和消杀水势措施与沙石反滤压盖相同。在铺筑时,先铺细梢料,如麦秸、稻草等,厚 10 cm～15 cm,再铺粗梢料,如柳枝、秫秸和芦苇等,厚约15 cm～20 cm,粗细梢料共厚约 30 cm,然后再铺席片、草垫或苇席等,组成一层。

3.3 蓄水反压

通过抬高管涌区内的水位来减小堤内外的水头差,从而降低渗透压力,减小出逸水力坡降,达到制止管涌破坏和稳定管涌险情的目的。

3.3.1 渠道蓄水反压

一些穿堤建筑物后的渠道内,由于覆盖层减薄,常产生一些管涌险情,且沿渠道一定长度内发生。对这种情况,可以在发生管涌的渠道下游做隔堤,隔堤高度与两侧地面平齐,蓄水平压后,可有效控制管涌的发展。

3.3.2 塘内蓄水反压

有些管涌发生在塘中,在缺少沙石料或交通不便的情况下,可沿塘四周做围堤,抬高塘中水位以控制管涌。但应注意不要将水面抬得过高,以免周围地面出现新的管涌。

3.3.3 围井反压

对于大面积的管涌区和老的险工段,由于覆盖层很薄,为确保汛期安全度汛,可抢筑大的围井,并蓄水反压,控制管涌险情。

3.4 水下管涌险情抢护和“牛皮包”的处理

在坑、塘、水沟和水渠处经常发生水下管涌,给抢险工作带来困难。可结合具体情况,采用以下处理办法。

3.4.1 反滤围井

当水深较浅时,可采用这种方法。

3.4.2 水下反滤层

当水深较深,做反滤围井困难时,可采用水下抛填反滤层的办法。如管涌严重,可先填块石以消杀水势,然后从水上向管涌口处分层倾倒沙石料,使管涌处形成反滤堆,使沙粒不再带出,从而达到控制管涌险情的目的,但这种方法使用沙石料较多。

3.4.3 蓄水反压

当水下出现管涌群且面积较大时,可采用蓄水反压的办法控制险情,可直接向坑塘内蓄水,如果有必要,也可以在坑塘四周筑围堤蓄水。

3.4.4 “牛皮包”的处理

当地表土层在草根或其他胶结体作用下凝结成一片时,渗透水压把表土层顶起而形成的鼓包,俗称为“牛皮包”。一般可在隆起的部位,铺麦秸或稻草一层(厚10 cm～20 cm),其上再铺柳枝、秫秸或芦苇一层(厚20 cm～30 cm)。如厚度超过30 cm时,可分横竖两层铺放,然后再压土袋或块石。

4 结语

本文主要介绍了管涌的定义、目前国内外对于管涌的研究现状以及管涌的计算模型,但是由于发生管涌影响因素的复杂性,并不能全面的概括管涌发生的机制。最后提出了工程上的防治措施。

[1] Ojha,C.S.P.Singh,V.P.et al.Determination of Critical Head in Soil Piping[J].Jourhal of Hydraulic Engineering,2003,129 (7)：511-518.

[2] Lane,E.W.Security from underseepage：Masonrydams on earth foundationsr[M].Trans.Am.Soc.Civ.Eng,1935(1919)：1235-1272.

[3] Terzaghi,K.Der Grundbmch an Stauwerken and seine Verhuetung[J].DieWasserkraft,1922(17)：445-449.

[4] 吴良骥.无粘性土管涌临界坡降的计算[J].水利水运科学研究,2010(8)：9-10.

[5] 沙金煊.多孔介质中的管涌研究[J].水利水运科学研究,2010 (11)：4-7.

[6] 刘 杰.土的渗透稳定与渗流控制[M].北京：水力电力出版社,1992.

On calculation m odel of piping dam age and its engineering protection measures

CUI Jia-jia

The paper indicates the definitions for piping and its occurrence reasons,p rovides the calculation model of piping,undertakes the brief analysis,and points out the preventionmeasures for piping in p rojects from four aspects,so as to ensure the safeoperation for the water resource engineering.

piping,seepage damage,critical hydraulic gradient

TV641.1

A

1009-6825(2011)09-0220-03

2010-12-04

崔佳佳(1985-),女,河北工程大学硕士研究生,河北邯郸 056000