细砂层埋深对堤基管涌影响的试验研究

陈建生，袁克龙，王 霜，张 华，何文政

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点试验室，江苏 南京 210098；2.河海大学岩土工程研究所，江苏 南京 210098)

1 引言

管涌是危害堤防工程安全的主要原因之一，前人对此进行了大量的研究，取得了一系列的成果。李广信[1]利用模型槽试验，研究了二元堤基及不同防渗墙深度条件下堤基管涌发生发展的过程；毛昶熙[2]指出，管涌的发生与堤基内砂层的厚度、出口水头损失以及砂基的结构性质等因素有关；刘杰等[3]通过双层堤基试验，论证了双层堤基中的渗透破坏会在砂砾石层上部形成一条由纯砾石构成的管涌通道，从而导致堤基的流量剧增，加剧上部黏土层的破坏；姚秋玲等[4]对典型的单层和双层堤基的管涌破坏机制进行了试验研究；倪小东等[5]利用砂槽模型试验和颗粒流数值模拟，分析了管涌发展过程中试样的细观变化规律；梁越等[6]研究了双层堤基上覆层变形能力对管涌的影响；罗玉龙等[7]利用其自行研制的剪切渗透仪进行试验，探究了不同应力状态对堤基渗透破坏的影响；陈建生等[8]根据井流理论，研究了管涌的发生范围及发展过程；殷建华[9]将有限元方法引入管涌的研究；周健等[10]利用PFC 颗粒流程序对管涌通道内的颗粒做了细观数值模拟。

纵观国内外关于管涌的研究，多集中于双层堤基的情况，对于3 层及3 层以上堤基的管涌发生发展过程研究甚少。丁留谦等[11]曾对由弱透水层、细砂层、强透水砂砾石层组成的3 层堤基的管涌发展过程进行了研究，指出3 层堤基的管涌破坏区域和涌砂量要明显大于双层堤基；王霜等[12]研究了不同土层结构对堤基管涌发生发展过程的影响，通过对细砂层位于砂砾石层内部和表面的不同试验结果的对比指出，与双层堤基相比，3 层堤基中砂砾石层内夹有细砂层时，将会提高堤基的临界水力梯度，但破坏一旦发生，则侵蚀速率和涌砂量都有所提高，对工程的危害较大。上述研究主要集中在细砂层埋深对管涌破坏的影响与双层堤基管涌破坏的对比上，而对细砂层在砂砾石层内部的深度变化对管涌的影响未予关注。

实际工程中的地质条件千差万别，经常会出现细砂层位于砂砾石层内部的情况，对于该种工况的研究就显得相当重要。本文将实际工程中的一些因素进行简化，在自制的砂槽内研究当细砂层位于砂砾石层内部不同深度时堤基管涌的发生及发展情况，通过对测压管水位、流量及涌砂量变化的分析，定性地找出其中的规律，确定含夹砂层堤基中细砂层埋深对堤基管涌发展的影响机制，并为工程实际提供指导。

2 试验装置及步骤

2.1 试验装置

试验在自制的有机玻璃槽中进行，槽长为120 cm，宽为30 cm，高为30 cm，如图1 所示。槽的左侧为进水室，以透水板与砂槽隔开，使水流均匀地流入砂槽。在砂槽内铺设黏土层以模拟天然上覆土层，并加刚性玻璃盖板进行密封。距进水室85 cm 处预设有直径为4 cm 的出水口，以模拟堤基渗透破坏后的管涌口。在砂槽内布设9 根测压管，用来测量试验过程中试样内部的孔隙水压力，各测压管之间距离为10 cm，横向深入试样内2 cm，具体布设位置如图1 所示。

图1 试验装置图(单位:cm)Fig.1 Experiment apparatus(unit:cm)

2.2 试验材料

本次共设计了4 组试验，分别改变弱透水层在下伏层中的位置，以研究其对管涌的发生及发展的影响。天然上覆土层一般渗透系数很小，因此，在试验中采用黏土进行模拟。下伏层则采用级配间断的砂砾石，这种砂砾石属于管涌型土。弱透水层由白色细砂组成，该细砂颗粒均匀，渗透系数小，因此，可以用于模拟弱透水层，而且还能区别普通砂，便于试验现象的观察。普通砂和白细砂的级配曲线如图2 所示，物理参数见表1。

图2 试验材料级配曲线Fig.2 Gradation curves of materials

表1 试验所用材料的物理力学指标Table1 Physico-mechanical properties of materials

2.3 试验步骤

本次试验的试验步骤如下：

（1）装样饱和。拌合试样，采用水下分层填筑的方法进行填筑；每层填筑5 cm，压实至预定高度以后填筑另一层；填筑结束后盖上盖板，注水饱和24 h 以上。

（2）逐级提升上游水位进行试验，每级水位下待渗流稳定时记录各测压管水位，测量流量，如有涌砂则收集涌砂。

（3）管涌通道形成以后，结束本次试验，准备下一组试验。

3 试验过程

3.1 试验1：白色细砂层在砂砾石层内1 cm 处

逐级提升上游水位，每级水位施加以后维持20 min 左右，直到渗流达到稳定以后再施加下一级水位。根据流量变化曲线（见图3）和测压管水位变化曲线（见图4）可以分析出试验主要经历了以下阶段：

试验初期，测压管水位和流量都随着上游水位的增加而增加，大致呈线性关系（见图3、4）。管涌口处水流清澈而稳定，无砂沸现象。

当上游水位提升到25.8 cm 时，管涌口出现砂沸，随即出现第1 次涌砂。涌出的砂为普通砂和白色砂的混合物，其中以白色砂居多。待测压管稳定后继续提升上游水位，流量和测压管水位都有所增加，且增加速率比上一级水位作用下的要大。涌出的砂中白色颗粒的含量逐步减少，但总的出砂量则比前一阶段大。

继续提升上游水位至36.2 cm 时，管涌口再次发生涌砂，涌出的砂中白色砂粒的含量不多，主要为普通砂颗粒，颗粒粒径比之前涌出的砂大。提升上游水位，流量随着上游水位的增加而增加，且增加的速率比前一阶段要大（见图3）；距离管涌口较近的测压管水位则随着上游水位的增加而减小（见图4）。

待渗流稳定以后，逐级提升上游水位直到管涌通道贯通。这一阶段流量逐渐增大，测压管水位则有所降低（见图3、4）。

图3 试验1 流量随上游水位变化曲线Fig.3 Flux variation with upstream water level of experiment 1

试验结束后静置一段时间，揭开有机玻璃盖板，观察试样渗流通道的发展情况，发现砂砾石层顶部的细颗粒已经大量流失并形成管涌通道。管涌口附近的白色细砂大量流失，形成较大的破坏区域，如图5 所示。

图5 试验1 结束后的管涌通道Fig.5 Piping channel after experiment 1

3.2 试验2：白色细砂层在砂砾石层内2 cm 处

试验2 的试验现象在试验初期与试验1 基本相同。随着试验的进行，当上游水位提升到28 cm 时，管涌口突然大量涌砂，涌出的为普通砂和白色细砂混合物。此时流量和各测压管水位也发生急剧变化，流量突然增大（见图6），各测压管水头则有不同程度的降低（见图7）。待渗流稳定以后继续提升上游水位，流量随之而增加。测压管1和测压管2 随上游水位的增加而出现先增加后减小的趋势，其他的测压管则出现时升时降的变化。

图6 试验2 流量随上游水位变化曲线Fig.6 Flux variation with upstream water level of experiment 2

图7 试验2 测压管水位随上游水位变化曲线Fig.7 Hydraulic head variation with upstream water level of experiment 2

试验结束后，揭开有机玻璃盖板观察管涌通道的发展情况。如图8 所示，砂砾石层中细颗粒大量流失，形成渗漏通道。渗漏通道下部的白色细砂颗粒几乎全部流失，在管涌口附近形成的破坏区域比试验1 要小。

3.3 试验3：细粒白砂在砂砾石层内3 cm 处

试验3 的现象与试验1、2 不同。整个试验过程中，流量和各测压管水位随着上游水位的增加而增加，且基本保持线性关系（见图9、10）。

图9 试验3 流量随上游水位变化曲线Fig.9 Flux variation with upstream water level of experiment 3

图10 试验3 测压管水位随上游水位变化曲线Fig.10 Hydraulic head variation with upstream water level of experiment 3

当上游水位达到95.3 cm 时开始涌砂，涌出的砂均为普通砂颗粒，涌砂质量远小于试验1和试验2。试验结束后，揭开有机玻璃盖板，发现只有管涌口下方的一小块区域砂砾石层发生破坏，破坏区域开展深度为1.9 cm，如图11 所示。

图11 试验3 结束后的管涌通道Fig.11 Piping channel after experiment 3

3.4 试验4：细粒白砂在砂砾石层内5 cm 处

试验4 试验过程中流量和各测压管水位随上游水位的变化曲线如图12、13 所示。与试验3 的试验现象相类似，试验4 在整个试验过程中，流量和各测压管水位也随着上游水头的增加而增加，并基本保持线性关系。

图12 试验4 流量随上游水位变化曲线Fig.12 Flux variation with upstream water level of experiment 4

图13 试验4 测压管水位随上游水位变化曲线Fig.13 Hydraulic head variation with upstream water level of experiment 4

当上游水头达到96.4 cm 时，管涌口处开始涌砂，所涌出的砂均为天然砂颗粒，涌砂量远小于试验1、2。试验结束后，揭开有机玻璃盖板观察管涌通道的发展状况，如图14 所示，破坏区域只出现在管涌口下方的小块区域内，开展深度为2.1 cm。

图14 试验4 结束后的管涌通道Fig.14 Piping channel after experiment 4

4 试验结果分析

4.1 管涌发展过程分析

从上述试验现象可以看出：随着细砂层埋深的变化，各组试验的临界水位分别为25.8、28、95.3、96.4 cm，这说明细砂层埋深是影响含夹砂层堤基管涌发生和发展的重要因素。当白色细砂层埋深很浅时，由于其颗粒粒径较小，级配均匀，渗透系数小，能有效地阻隔水量向上传递[12]，因此，水量主要集中在白色细砂层下部的砂砾石层中，即白色细砂层底部将承受较大的水压力。在所受水压力随上游水位的增加而不断增加的情况下，由于白色细砂层上部所覆盖的砂砾石层很薄，所受的压力较小，当上游水位达到临界水头时，白色细砂层和砂砾石层发生流土破坏，砂砾石层中的细颗粒和白色砂一起涌出。随着上游水位提升，白色细砂颗粒由于临界水力梯度较小且被带出管涌口的渗径较短，因此，易于流失。白色细砂大量流失后，在管涌口附近形成一个较大的破坏区域（见图5）。此时，下部砂砾石层中的巨大的水压力将主要由白砂层上部的砂砾石层来承受，达到临界水力梯度的普通砂颗粒不断涌出，且颗粒越来越大，而白砂颗粒则基本不再涌出。不断提升上游水头，渗漏通道逐渐向上游发展，最终达到贯通。试验1 的管涌发生发展即属于此种情形。

增大细砂层的埋深，堤基的管涌发展状况将有所不同。开始阶段，试验发展过程与试验1 类似，即由于白色细砂层的渗透系数较小，其底部会承受较大的水压力。但此时的上覆砂砾石层厚度大于试验1，细砂层不易发生破坏。相比于试验1 白色细砂层所受的水压力消散较小，白色细砂层下部和上部之间的压力差远小于试验1，从而导致临界水位大于试验1，且当上游水位达到临界水头时，试样会发生突然涌砂和流量及测压管水头急剧变化的现象。随着上游水位不断提高，白色细砂层下部和砂砾石层接触处的白砂颗粒会在砂砾石层中较大水压力的作用下被冲出，发生所谓的“深层破坏”[11]。当上游水位提升到一定程度时，白色细砂层及其上部砂砾石层共同发生破坏（见图8）。试验2 的管涌发展过程即是如此。

当细砂层埋深增大到一定程度时，堤基管涌发展过程和上述所讨论的两种情况都不同。由于白色细砂层上部所覆砂砾石层较厚，即白色砂层所受上覆压力较大，所以能够承受下部砂砾石层中传递来的较大的水压力。同时由于上部砂砾石层本身较厚，会集中一定的水量，所以当上游水位提升到一定程度时，上部砂砾石层首先发生水平向渗透破坏，其管涌破坏形式与双层堤基破坏类似。试验3和试验4 的堤基管涌发展状况属于此种情况。

4.2 细砂层临界埋深的确定

由上述分析可以看出，细砂层埋深对于堤基管涌的发生发展机制具有重大影响。埋深较浅时，堤基发生竖直方向上的流土破坏，临界水位较低；埋深较深时，堤基的破坏形式与普通双层堤基类似，发生的是水平方向上的管涌型渗透破坏。当堤基同时发生水平向和竖直向的管涌破坏时，此时的细砂层埋深即为临界埋深。

对于细砂层埋深大于临界埋深的情况，堤基发生的是水平方向上的管涌破坏，其破坏的临界水力条件为[13]

式中：Gs为砂砾石的相对密度；n1为砂砾石的孔隙率；d5为小于该粒径的土粒含量为5%；d20为小于该粒径的土粒含量为20%；L为进水室与管涌口中心之间的距离；H为堤基临界水位；icr为堤基临界水力梯度。

可见当细砂层埋深处于临界埋深以下时，细砂层埋深对堤基发生管涌破坏的临界水基本无影响。

当细砂层的埋深小于临界埋深时，堤基发生竖直方向上渗透破坏的临界水位为[12]

综上所述，含夹砂层堤基的临界水位随着细砂层埋深的增加而增加，但当细砂层埋深大于临界埋深时，临界水位的大小基本不受埋深的影响。

由式（2）可以计算出当细砂层埋深大于临界埋深时，堤基临界水位的理论值为98.2 cm。试验中，试验3、4 的堤基分别在上游水位达到95.3 cm和96.4 cm 时破坏，与98.2 cm 接近。可见理论值与试验结果基本相吻合。

通过上述理论公式推导发现，临界水位随着细砂层埋深增加而增加，但当细砂层埋深超过临界埋深时，埋深基本不对临界水位的大小产生影响。因此，在工程实际中可以用此方法作为提高堤基破坏时临界水位的一种手段，只需要将细砂层埋置在临界埋深处即可最大限度地提高堤基破坏的临界水位。

4.3 涌砂量分析

各组试验的累计出砂量随上游水位的变化曲线如图15 所示。试验1 在较低水位下即发生涌砂，累计涌砂量随上游水位的增加而增加，且增加速率较大；试验2 的破坏水位也较低，累计涌砂量变化曲线与试验1 类似，但出砂量远大于试验1，这主要是由试验1、2 管涌机制不同造成的。首先试验2管涌发展的过程是流土破坏和深层管涌破坏共同发展的过程，天然砂和白砂颗粒一起涌出，出砂量较大；试验1 初期白色颗粒和天然砂颗粒会一起涌出，后期由于水压力主要由白砂层上部的砂砾石层承受，所以白砂颗粒基本不再涌出，破坏主要集中于白砂层上部的砂砾石层，出砂量远小于试验2。试验3、4 的管涌发生发展机制基本相同，其管涌破坏都发生于砂砾石层内，与双层堤基的破坏相类似，细砂颗粒仅在砂砾石层表面起动被带出，因此，管涌通道开展深度及出砂量基本相同，涌砂量比试验1、2 要小很多。

图15 各试验累计涌砂量随上游水位的变化曲线Fig.15 Cumulative sand production variation with upstream water level

5 结论

（1）细砂层的埋深不同，堤基临界水力梯度不同。细砂层埋深小于临界埋深时，临界水力梯度较低，且随埋深增加而提高；细砂层埋深大于等于临界埋深时，堤基临界水位较高，且基本不受细砂层埋深的影响。

（2）细砂层的埋深不同，对堤基渗透破坏机制有很大影响。细砂层埋深小于临界埋深时，由于所受的上覆压力较小，下部承受砂砾石层传递来的较大的水压力，导致细砂层易被冲破，发生竖直向的渗透破坏；细砂层埋深大于临界埋深时，由于上覆压力较大，细砂层不会被直接冲破，堤基将在细砂层上部的砂砾石层内发生水平向的渗透破坏。

（3）细砂层的埋深不同，涌砂速率不同。细砂层埋深大于临界埋深时，涌砂速率小，涌砂量少；细砂层埋深小于临界埋深时，涌砂量大，堤基侵蚀较快。

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