覆盖层及其与砂层接触面特性对堤基管涌影响试验研究

刘洪辰，吴庆华，苏怀智，王金龙

(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室， 湖北 武汉 430010；2.河海大学 水利水电学院， 江苏 南京 210098；3.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 江苏 南京 210098)

洪涝灾害是我国面临的突出问题，建设可靠的防洪减灾体系关系到人民群众生命财产安全、社会稳定和可持续发展。堤防工程是组成防洪减灾体系的重要部分，但多数工程所处的地质环境较为复杂，且受人类活动频繁影响，服役过程中常产生隐患和险情，易引发管涌等破坏，致灾风险大[1]。管涌是在渗流水的作用下，土体骨架孔隙中的细颗粒被带走并形成渗流通道的地质现象，若不及时采取措施，随着水的冲刷，堤基下层的泥沙不断涌出，管涌通道的直径将越来越大，致使堤基发生不均匀沉降，严重威胁江河大堤的安全[2]。

国内外学者对管涌破坏开展了大量研究，Foster等[3-4]分析了历史上由管涌造成堤坝破坏的事故，提出了一种估算管涌导致堤坝破坏的可能性的方法。Lanzafame等[5]采用可靠度分析方法研究了覆盖层的渗透系数、厚度和抗剪强度对堤防安全的影响，认为相比于覆盖层的渗透系数，其厚度和抗剪强度的影响更大。Van Beek等[6]利用层流初始运动数据建立了管涌扩展模型，并开展了管涌侵蚀实验进行验证，说明基于层流初始运动数据来确定管涌水力梯度的方法是有效的。吴良骥[7]在分析作用于单个颗粒和单位土体渗透力的基础上提出了计算无黏性土管涌临界比降的关系式，该公式是一种简便有效的管涌临界比降计算方法。毛昶熙等[8-10]以北江大堤、长江大堤为例，通过一系列模型试验，研究了接触面性质相异、砂层粗细不均、水槽尺寸不同等因素对管涌发展的影响，并在渗流理论基础上，推导出了有无悬挂式防渗墙时管涌孔口附近涌砂的冲蚀范围及发展距离的计算公式，可用来判断管涌的危害程度。丁留谦等[11-13]、姚秋玲等[14]通过试验对双层堤基、三层堤基管涌的扩展过程进行了研究，根据试验结果讨论了盖重最大、最小宽度和汛期管涌抢险的合理范围，为堤防设计和抢险工作提供了参考。张家发等[15-16]采用数值模拟和模型试验的方法对堤身堤基渗流场规律进行了分析，研究了堤基渗透变形扩展过程及悬挂式防渗墙控制作用，研究得出了悬挂式防渗墙渗流控制效果并不显著的结论。李广信等[17]对堤基管涌的发展过程进行了试验模拟，指出堤基管涌实际上是弱透水层中发生的自下游向上游潜蚀冲刷的流土。陈建生等[18-20]对堤防管涌产生集中渗漏通道的机理展开研究，分析了管涌带出的土粒在地层中的分布范围以及管涌的逐步发展过程。倪晓东等[21]利用颗粒流数值模拟的方法来揭示管涌发展的细观机理，刻画了土体内部细颗粒运移引起管涌破坏的动态过程。周晓杰等[22]采用无网格伽辽金法对渗流场进行计算，该方法可以适应计算过程中内部边界条件不断变化的特点，能够模拟管涌通道绕过防渗墙等复杂的发展过程。王霜等[23-25]详细探讨了土层结构、细砂层厚度、水流流态及颗粒组成等因素对管涌发展过程的影响，分析了细砂层位于土层中不同位置时管涌通道发展的机理，提出了细砂层埋深的计算公式，并研究了非均匀流条件下砂土颗粒大小对管涌的影响。万利台等[26]利用三维渗流有限元方法计算分析了堤防内设置防渗体对于垸内区域渗流场的影响。孔庆宇等[27]为了检验深层搅拌桩对长江大堤堤身加固后的渗流稳定性,采用三维饱和-非饱和渗流有限元法建立了大堤的有限元渗流分析模型，分析了历史最高水位条件下加固后大堤的渗流性态。

堤内覆盖层在不同地质条件下沉积而成，其物理性质有着较大的差异，并且在沉积过程中覆盖层与砂层的接触面会形成不同的岩性。目前国内外对管涌的研究大多从渗透破坏的角度出发探究管涌的扩展机理，研究重点集中在对临界破坏条件的判别和通道发展的方式上，对不同物理性质的覆盖层以及覆盖层与砂层接触面特性等对管涌的影响研究较少。本文在自行设计的砂槽模型试验装置中对不同物理性质覆盖层以及覆盖层与砂层接触面特性对管涌发生及发展过程进行模拟试验，通过观察3种不同密实度、3种不同厚度以及2种不同接触面特性情况下的流量、测压管水位、管涌口涌出悬浊液的浊度等参数，对比分析不同条件下管涌发生发展的特性及破坏后的结果，以期揭示覆盖层密实度、厚度以及接触面特性等对管涌发生发展的影响。

1 试验模型与试验方案

1.1 试验模型设计与制作

试验在有机玻璃材质砂槽模型(长60 cm，宽、高各30 cm)中开展，其基本构造如图1所示。模型左右两侧为进水室和出水室，进、出水室与砂槽之间均用透水板隔开，在透水板上粘贴纱网，使水流均匀流入试样内。模型槽顶面为刚性有机玻璃盖板，为了达到模型止水的目的，试验过程中用螺栓将其与砂槽固定，并在盖板与土层接触处采用柔性橡胶垫密封，橡胶垫下设置一定厚度的黏土模拟二元堤基中的覆盖层。在玻璃盖板上，前后两侧设有排气阀，在试样饱和时用于排出气体。盖板上距离进水室40 cm处设有直径为3 cm的出水口，试样装填时在出水口位置将管件预埋至黏土覆盖层中，埋深与覆盖层的厚度一致，管件的底部即为覆盖层与砂层的接触面，黏土覆盖层装填完毕后将预埋管件缓慢取出。渗流水压力测量装置采用15 cm长的铜管制成，铜管表面均匀开小孔，之后采用纱网将铜管表面进行缠绕制作成反滤透水管，透水管内部深入砂槽模型中，外部与测压管接口连接，可以在试验中测量到试验内部的水头分布情况且不会导致砂土颗粒流出，对试验过程中管涌的演化干扰较小。防止测压管对管涌的发展产生干扰，测压管从模型侧面深入试样15 cm，深入位置距上部玻璃盖板15 cm。试验时水位控制系统控制上游水位的升降，浊度测量装置和浊度数据记录仪实时记录试验过程中涌出悬浊液的浊度变化，测压板读数记录试验过程中试样内部渗透压力的变化情况，流量采用秒表和量筒测量。

图1 砂槽模型构造图(单位：cm)

1.2 试验材料

为了模拟实际堤基的地质条件，本次试验采用取自汉江流域的细砂，其颗粒级配组成如图2所示。试验砂样物理力学指标见表1，材料本身的破坏比降由室内垂直渗透试验得到，反映材料发生破坏的难易程度。试验土样采用取自湖底的淤泥质黏土，破碎筛分后取细颗粒，用于模拟黏土覆盖层。

表1 试验用砂的物理力学性质

图2 试验用料级配曲线

1.3 试验方案

选取黏土覆盖层不同的密实度、厚度以及覆盖层与砂层接触面的不同特性设置6组试验，试验方案见表2。需要说明的是，覆盖层与砂层接触面设置无过渡层和含过渡层两种处理，过渡层处理用来反映长江阶地地层岩性特征，实验中在淤泥质黏土覆盖层与砂层接触面处增加2.5 cm厚的过渡层，层内采用黏土与粉细砂按照1∶1的比例进行混合。

表2 试验方案及结果

1.4 试验过程

(1) 浸润饱和。按照试验处理进行装样，分层装填，在砂样上部填装黏土覆盖层，装样时在模型边壁处涂抹玻璃胶，防止水流沿边壁渗透，装填完成后盖上橡胶垫和盖板，四周用螺栓密封，向模型槽进水室中每次升高水位5 cm，待水渗过试样到达出水室且与进水室水位基本保持齐平时继续升高水头，最终加水直至水位与试样顶面齐平，浸润饱和24 h以上。

(2) 饱和完毕后缓慢逐级升高水头至水从管涌口流出，测量其初始流量，渗流量和测压管水位基本稳定后记录第一组数据，此时管涌口水流清澈且没有泥沙带出，管涌发展尚未产生，水头每级升高5 cm。

(3) 试验开始后上升水头至管涌发展稳定时测量流量，并记录发展过程中的现象，在渗流出口处淹没水深为2 cm，浊度仪放置于管涌口涌砂处测量涌出悬浊液的浊度，整个试验过程中在管涌口处安装实时浊度测量仪，测量管涌口处涌出悬浊液的浊度变化。

(4) 试验进行至管涌口发生大量涌砂，管涌通道与进水室贯通时即视为试样发生整体破坏，此时结束试验并准备下一组试验。

2 试验结果分析

由于测压管布置数量有限，其测值不足以用来分析渗透变形的扩展规律，主要供试验过程中判断渗流场是否达到稳定状态，因此主要依据管涌开始发展至破坏的临界比降、破坏比降、流量和浊度变化来分析不同试验条件对管涌发展的影响。

2.1 覆盖层密实度对管涌的影响分析

图3给出了不同覆盖层密实度时流量随比降变化曲线，图4给出了试验过程中的现象变化，由图3和图4可分析管涌的发展历程，试验初期未发现管涌现象时流量随水力梯度的增大而增大，基本呈线性增长关系，当比降超过各组试验的临界比降时，由图3可以看出曲线变陡，其流量突然增大，此时由图4中现象可以看出管涌口开始有浑水产生，说明渗透变形开始发生，管涌通道形成，随着比降的继续增大，流量继续加大，图4中现象表面此时产生大量浑水，该阶段为管涌通道不断扩展的过程，在此过程中不断伴有黏土和细砂颗粒被带出，直至管涌通道贯通出现大量涌砂。从图3中还可得知在比降相同时，覆盖层密实度越大，其流量越小，透水性较差。

图3 不同覆盖层密实度时流量随比降变化曲线

图4 试验过程中现象

表2给出了不同试验条件的临界比降和破坏比降，由表2可以看出覆盖层密实度按照1.40 g/cm3、1.45 g/cm3、1.50 g/cm3的值逐级增大时，其临界比降为0.26、0.35、0.39，破坏比降为0.55、0.64、0.89，均呈现逐级增大的趋势，该结果说明覆盖层的密实度增大，其管涌发生时的临界比降和试样最终贯通的破坏比降增大，说明密实度较大时覆盖层与砂层的接触紧密，管涌通道不易扩展。图5为试验结束后覆盖层的破坏情况，从中可以看出试验1(密实度1.40 g/cm3)覆盖层破坏程度较试验2(密实度1.45 g/cm3)和试验3(密实度1.50 g/cm3)更严重，土层完全塌陷，该结果说明密实度较小时覆盖层较容易被管涌侵蚀破坏。

图5 试验结束后覆盖层破坏情况

2.2 覆盖层厚度对管涌的影响分析

不同厚度的覆盖层管涌试验历程与不同密实度覆盖层的试验相类似，因此试验历程不作过多描述。由表2可知覆盖层厚度为2.5 cm时，其临界比降和破坏比降为0.13和0.20，较厚度为5 cm和10 cm的情况均较小，试验过程中管涌在短时间内便发展贯通，图6可以看出覆盖层厚度较小时试样被管涌侵蚀严重，破坏后管涌通道上部全部塌陷破坏；厚度增加到10 cm时，其临界比降和破坏比降为0.19、0.63，较5 cm厚度的情况无明显差异，图5中试验6图片为覆盖层为10 cm情况下管涌发展贯通后其表面的情况，与其他试验条件相比其表面结果完整，没有出现明显的塌陷和裂缝。说明黏土覆盖层的厚度较小时，管涌发生后可以在较短时间内贯通，但覆盖层厚度增加至一定程度后，管涌发展的临界比降和破坏的比降并没有明显提高。图6给出了不同覆盖层厚度时流量随比降的变化曲线，从图6中可以看出，相同水力梯度条件下，覆盖层厚度越大，流量越小，分析是因为覆盖层厚度超过一定程度后致使透水性变差，其渗流条件不利于堤基的安全稳定，且覆盖层较厚时汛期抢险对其采取措施所需的投资较大。

图6 不同覆盖层厚度时流量随比降变化曲线

2.3 接触面特性对管涌的影响分析

图7对比了覆盖层与砂层接触面含过渡层与不含过渡层时流量随比降的变化曲线，从图7可以看出接触面不含过渡层时其曲线变化平顺，接触面含过渡层时其曲线变化存在多处拐点，比降在0.17～0.35区间时流量增大，此时增长曲线较陡，在0.35～0.56时流量继续增大，但曲线变缓，增长速率明显降低，在0.56～0.65和0.65～0.81两个区间内呈现相同的规律。

图7 不同接触面性质时流量随比降变化曲线

根据试验过程中管涌口涌砂含泥量较高且时断时续的现象分析其原因是接触面含过渡层时，过渡层中的黏土颗粒会对管涌的通道产生一定程度的於堵，导致通道过水断面面积发生改变，进而使流量的增长速率改变。从表2中可以看出，含过渡层的临界比降和破坏比降比不含过渡层的情况均有增大，因此含过渡层的条件较无过渡层的条件管涌的发展较困难。

2.4 各组试验过程中浊度变化分析

图8给出了浊度随上游水位变化曲线，由图8可以看出，在上游水位未超过临界作用水头时，其浊度的变化规律较一致，管涌出口处悬浊液中悬浮物浊度变化平稳，其值稳定在0～1 mg/L之间，在超过临界比降对应的水头后，管涌出口处悬浊液中悬浮物浊度急剧上升，除试验6(覆盖层密实度1.45 g/cm3、厚度10 cm、无过渡层)破坏时的浊度值为7.8，其余各组试验破坏时的浊度值均超过20，分析其原因为，随着管涌向上游方向发展底部形成通道，黏土覆盖层较厚时，不会因为下部掏空而形成严重塌陷，土层结构保持较好，管涌出口处的悬浊液中大部分为涌出的底部清砂，含泥量较少，因此浊度较低。

图8 浊度随上游水位变化曲线

3 结 论

(1) 覆盖层密实度较大时其颗粒不易被水流带走，且与砂层接触紧密，抵抗管涌侵蚀的能力较强，在大密实度覆盖层下管涌发展贯通较困难。

(2) 覆盖层厚度较薄时容易被侵蚀破坏，管涌发展贯通迅速；厚度增加至一定程度后，管涌发展的临界比降和破坏比降没有明显提升，试验结束后土层结构完整，没有明显塌陷和裂缝，但覆盖层较厚时会给汛期抢险施工带来不利影响。

(3) 当覆盖层与砂层的接触面存在砂土混合的过渡变化时，管涌发展的临界比降和破坏比较均有提高，在此类地质条件下发生的管涌扩展较困难，对堤基的安全有利。