管涌封堵装置在管涌封堵中的应用

□王 彬（洛阳市水务局防汛通讯站）

管涌封堵装置在管涌封堵中的应用

□王 彬（洛阳市水务局防汛通讯站）

水利设施是保障沿河居民生产安全的重要工程，在水库上建设的堤坝，河道两侧的护坡大多为土质结构，一旦遭遇大水，长期受到水侵的堤坝便会出现管涌现象。管涌发生时，如不及时处理，空洞会在很短的时间内扩大，其势不可挡，从而导致堤坝坍塌。文章对管涌机理进行了深入分析探讨，研究了管涌封填装置的机理，并对比了几种不同封填装置的应用，对管涌现象的快速补救有着重要的意义。

水库护坡；堤坝；管涌；管涌封堵

0 引言

所谓管涌，就是在渗透水流作用下，填充在骨架空隙中的细颗粒在粗颗粒所形成的孔隙通道中移动、流失，土的孔隙不断扩大，渗流量也随之加大，最终导致土体内形成贯通的渗流通道，土体发生破坏。管涌初始阶段一般征兆不明显，不易预防，一旦发作，发展非常迅速，在慌乱情况下做出的仓促决策不但徒劳无功，还有可能随着时间的流逝，局面更加难以控制，进而造成更大的灾害。所以在抢修河堤或水库护坡的管涌问题时，应正确分析原因，制定应急预案，并做到切实执行实施到位，才能将危害降至最低。

在我国建成的约10万座水库中，其中40%的小型水库、25%的大中型水库属于病险水库；全国已建成堤防工程约28万km，大多数由于年久失修或工程质量问题也导致堤防存在多种病害。因此研究管涌的封填装置对于水库堤防工程有着极其重要的现实意义和经济意义。

1 管涌的形成及危害

1.1 管涌发生的原因

实践经验证明，当土的颗粒组成中，粘粒含量＜10%，粉粒（颗粒为0.005～0.05 mm）含量＞75%；颗粒级配中土的不均匀系数＜5；土的天然孔隙比＞0.75；土的天然含水量＞30%，在一定的动水压力作用下，土就有可能发生流砂现象，因此流砂现象经常发生在细砂、粉砂及亚砂土中。当大堤堤身含有细颗粒，且颗粒为均匀松散的非粘性土层时，在长期高水位浸泡下，其土层变成饱和土时，极容易产生管涌冒砂现象。随着堤外洪水的上涨，压力水头加大，当水的渗透作用对堤内不透水地表土层的顶托力大于地表土的重量时，将产生管涌或管涌群冒出大量泥沙。

堤坝、水闸地基土壤级配缺少某些中间粒径的非粘性土壤，在上游水位升高，出逸点渗透坡降大于土壤允许值时，地基土体中较细土粒被渗流推动带走形成管涌；基础土层中含有强透水层，上面覆盖的土层压重不够；工程防渗或排水(渗)设施效能低或损坏失效等也是管涌发生的原因。

1.2 管涌的危害

管涌发生后，水力梯度最大的地层中大量的细颗粒被带出，被带走流土地层的渗透系数逐渐增大，形成主渗漏带，渗透系数的增加又引起管涌水量的增加，造成管涌口水头的上升，但主渗漏带地层中的不均匀系数增大，主渗漏带上的临界水力梯度减小。分析靠近管涌临界面的渗流情况，管涌开始时，紧靠临界面附近地层中细颗粒的移动速度很低，当管涌发生后，管涌口水头逐渐上升，临界面地层中的水力梯度开始下降，从而造成临界面附近的水力梯度已经达不到产生管涌所必须的临界水力梯度，颗粒移动的临界面开始向里收缩。该过程一直持续到某一平衡状态为止，管涌临界面呈现收缩趋势，最终收缩到中间一条渗透系数很大的带状区域。当主渗漏通道上的细颗粒基本被带走后，在较强的水流冲刷作用下，主通道两侧的细颗粒进入主通道，使主通道逐渐变宽，管涌持续的时间越长，通道的宽度越宽。在透水层中不均匀系数逐渐增大，地层中的细颗粒被掏空而近似形成一个拱，它的承载力将大大降低。

管涌发生时，水面出现翻花,随着上游水位升高，持续时间延长，险情不断恶化，大量涌水翻沙，使堤防、水闸地基土壤骨架受到破坏，孔道扩大，基土被淘空，引起建筑物塌陷，造成决堤、垮坝、倒闸等事故。

管涌发生后的地层中留下了被管涌水流掏空的集中渗漏通道，给堤防留下了隐患，在洪水期曾经发生过管涌的地层更容易发生管涌，这是因为这些透水层的管涌临界水力梯度比通道以外的要小很多，产生管涌的河水位越来越低，管涌发展的速度比前一次更快，它的危害也更大。

1.3 管涌易发点

分析可知，大堤管涌主要可能发生在以下地点：

1.3.1 堤边水井处

水井一般打入透水层，随着堤外水位的上涨，渗流加快，动水压力加大，当大于土的浸水容重时，土颗粒处于悬浮状态，土的抗剪强度等于零，土颗粒随渗流的水一起流动，产生流砂管涌。

1.3.2 堤边水塘、水沟等低洼处

因这些地方其底部标高低于岸边较多，地表土（非透水层）较薄，自重小，是薄弱环节，当堤外水位上涨时，由于水的渗透对地表土顶托力加大，极易产生管涌。

1.3.3 堤脚附近（堤脚为砂土）

砂土为透水层，大堤长期处于高水位浸泡，堤脚砂土变成饱和土，堤内脚出水，当堤外水位上涨时，砂土中的动水压力加大，当渗透压力大于土的浸水容重时，产生内脱坡，形成流砂、管涌。

1.3.4 离堤脚100～200 m范围处（堤脚为砂土）

当堤脚砂土位于堤内地面一定深度时，若大堤长期高水位浸泡，砂土变成饱和土，且水位不断升高时，由于渗流作用，砂土中水的顶托力也加大，当大于其上薄弱处覆盖土的重量时，便会产生管涌或管涌群。

1.3.5 大堤中修建的涵洞、排水道等处

如果在修建时，回填土不夯实，也会在江水作用下形成管涌通道。

2 管涌封堵装置的原理

堤防发生管涌，主要是由于渗透坡降过大造成的。因此，管涌防治一方面在临河侧设置水平与垂直的防渗设施，延长渗径，尽量降低渗透坡降或拦截水流；另一方面在背河侧设置盖重或减压设备，增加土体上的重量，降低渗透压力，增强渗流出口处土体抵抗渗透变形的能力。文章主要研究管涌封堵装置的原理及应用。

管涌封堵的主要目的是为了及时发现管涌口并及时通知工作人员，对管涌口进行快速抢修。目前，我国在水库建设的堤坝及河道两侧的护坡上没有相应的检测设备，因此无法发现管涌口，这样也就无法对管涌口进行及时的处理。

为了克服水库建设的堤坝及河道两侧的护坡上无法及时发现管涌口，现将管涌封堵装置介绍如下：

管涌封堵装置，由T形杆、十字形杆、L形杆、挂绳、拉绳、塑料袋、细孔网袋、高聚物和伞状板构成，在T形杆下部的中部设有立杆，所述立杆的下端连接十字形杆的中心，在十字形杆的四个端部分别设有防止挂住的端部向上折弯，所述形杆一端的横杆形成手柄，L形杆穿在T形杆上部间隔设置的大套管的孔中，所述L形杆和T形杆为相同长度，在靠近T形杆的另一端设有下折弯，多个伞状板扣在所述下折弯的下凸起面上，在所述多个伞状板的最下面一个下部设有实心球，在多个伞状板最下部一个两侧的分别设置的挂绳套在L形杆上，拉绳的一端连接所述多个伞状板，塑料袋两端的热熔粘合端分别连接拉绳的靠近一端断开的两个端部，塑料袋的中部设有拉断机构，塑料袋的拉断机构也就是在塑料袋的中部设有“Z”形回折，由多个热压扣将回折处热压粘合形成拉断机构，在塑料袋内设有装入高聚物的细孔网袋，拉绳的另一端设置在T形杆的手柄处。

L形杆和T形杆为相同长度，塑料袋的拉断机构也就是在塑料袋的中部设有“Z”形回折，由多个热压扣将回折处热压粘合形成拉断机构，多个伞状板的最下面一个下部设有实心球，多个伞状板的每一个下部的伞状板外缘设有至少3根连接绳，所述3根连接绳的上端连接上部的伞状板下尖处，在T形杆上部间隔设置的大套管由中部至另一端替换为套管，L形杆穿在包括大套管和套管的孔中，所述大套管的上端设有凹槽，拉绳的中部至另一端卡在所述大套管的凹槽中。具体结构如图1-3所示。

图1 管涌封堵装置总图

图2 伞状板结构示意图

图3 管涌封堵装置十字形杆图

在图中：1、大套管；2、下折弯；3、挂绳；4、L形杆；5、套管；6、塑料袋；7、立杆；8、十字形杆；9、端部向上折弯；10、T形杆；11、端部折弯；12、手柄；13、拉绳；14、实心球；15、伞状板。

3 管涌封堵装置的应用

河道或水库护坡的管涌封堵装置在实际使用时，将T形杆放入护坡的水中，由手柄控制使十字形杆在护坡上滑动，当实心球“塑料球中放入铁器配重”滑入管涌时，伞状板受到水流的拉力并使工作人员感知，由于多个伞状板的上部内凹陷腔套在上一个伞状板的下部面上，叠加时拉力相对较小，当工作人员通过控制拉动L形杆的端部折弯，使多个伞状板下部连接的两挂绳脱离L形杆后，这时多个伞状板分散并进入管涌并形成较大拉力，同步的塑料袋也进入管涌内，这时工作人员用力拉动拉绳，塑料袋的“Z”形回折受到热压扣的作用形成多个裂口，水接触细孔网袋内的高聚物，由专用树脂和硬化剂形成的高聚物体积迅速膨胀成泡沫状固体使管涌封堵严密。

4 结语

管涌的发生是一个随机过程，它受到土层的不均匀系数、颗粒的空间分布等因素的影响。管涌一旦发生，由于大量的细砂涌出地面，地层中渗透系数不均匀变化，最终将产生危害很大的集中渗漏通道。管涌作为水库护坡或者堤坝的一个重大隐患，如果不及时发现并处理将给国家带来巨大的损失，因此，其对水库及河道的保护占据重要的地位。为了及时发现河道或水库护坡上的管涌口并在第一时间内快速处理是所有工作人员的责任，应将其列入到日常巡视的工作中，并有序地开展工作。

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（责任编辑：左英勇）

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