堤坝涵管接触冲刷破坏模式分析

孙东亚 ，姚秋玲 ，赵雪莹

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京 100038）

1 研究背景

输水涵管是堤防和土石坝工程中常用的结构型式，用于引水、泄洪、冲沙、放空水库及施工导流等，根据涵管内水流形态，可分为无压涵管和有压涵管。无压涵管多为圆拱直墙式，一般采用混凝土、浆砌石等圬工材料建造；有压涵管多采用圆形钢筋混凝土管或钢管等；有些涵管还设有截渗环。涵管断面形状一般为圆形、箱型（方形、矩形）、拱形、马蹄形、蛋形等［1］。堤防和土石坝工程中因涵管裂缝（渗漏）、与土体结合面渗透变形破坏、底板脱空等导致的安全问题相对比较突出，由此引发的堤坝溃决事故时有发生。1981年水利部编制了《全国水库垮坝登记册》［2］，李雷等［3］和解家毕等［4］在此基础上先后统计了1954年起到1980年、2000年和2006年的溃坝事故，其中由于穿坝涵管渗漏和涵管质量问题溃坝的工程占溃坝总数的4.5%、4.9%和5.6%，其比例在历次统计中有所增长，可见穿坝涵管问题对大坝安全的影响不容忽视。李祚谟等［5］在1980年代调查了山东东阿黄河修防段小生庄穿堤涵洞、惠民修防段王集虹吸等工程，发现因穿堤涵管接口裂缝产生漏水并在堤身形成贯通通道，就提出要重视穿堤涵管的防洪安全问题。据美国垦务局工程案例统计分析和研究成果，涵管接触冲刷破坏的概率约为4×10-4～1×10-3之间［6］。深入分析总结此类工程险情发生的机理和模式，对于改进工程设计方案和施工工艺，提高安全管理水平十分重要。本文重点分析总结涵管与堤坝土体结合面区域土的渗透变形破坏问题，探讨其机理和发生发展过程等。

2 接触冲刷破坏影响因素

堤坝涵管接触冲刷破坏的发生发展受到多种因素的影响，可归纳为如下几个方面，一些影响因素可能同时存在，共同导致接触冲刷问题。

（1）涵管材料。如涵管为钢管，则易受到环境影响发生锈蚀，耐久性差。而混凝土管或圬工材料管则易受变形影响发生裂缝。

（2）涵管裂缝或孔洞。在沉降、地震等动荷载作用下，涵管底板、管壁出现裂缝，接缝止水破坏等，即使裂缝或孔洞很小，如果缺乏反滤保护措施，将导致接触冲刷。涵管附近的排水管裂缝、坡脚排水管接缝等也将导致类似问题。

（4）土体裂缝与水源的连通。此情况下，裂缝表面土颗粒将在集中渗流水作用下发生严重侵蚀，土颗粒通过裂缝或孔洞等进入涵管或沿管壁流失，可能直接导致堤坝溃决。

（5）水头作用。水头越高，土的渗透稳定问题越严重。但即使水头不太高，如果涵管周围土体裂缝持续存在集中渗流，也会导致严重冲刷侵蚀。

（6）涵管水流类型。存在缺陷的有压涵管比无压涵管更容易发生接触冲刷问题，而且后果也将更为严重。

（7）回填土架空能力。涵管周围土体侵蚀后果因回填土架空能力而不同，如果能形成架空通道，将导致管涌侵蚀；否则，可能会形成塌坑或其它破坏形式。

（8）地质条件。基岩缺陷，例如张开裂隙、裂缝或岩溶；涵管基础存在连续侵蚀性土层，例如均匀中细砂、粉砂、砂质粉土、粉土。这些缺陷如未得到处理可导致较高渗水压力和接触冲刷。

（9）设计施工因素。涵管区回填土因设计和施工方案影响产生不均匀沉降，垂向和水平向主应力降低出现裂缝等问题，易发生水力劈裂和集中渗流。还包括涵管截渗环周围土体压实度低或不均匀，基础开挖断面型式及基础材料特征引起的不均匀沉降，薄弱环节未设置反滤排水和止水等。

3 接触冲刷破坏模式

针对上述不同影响因素或多种影响因素的共同作用，接触冲刷破坏可以归纳为4类模式或其组合。

（1）土颗粒流失进入无压涵管导致土体发生内部侵蚀。涵管某段存在孔洞、裂缝或接缝张开，土体渗流压力大于涵管内水压力，而且周围土体抵抗内部侵蚀的能力弱，在渗流水作用下土颗粒流入涵管，随着时间推移，土颗粒侵蚀量和范围逐渐扩大，导致堤坝出现塌坑，险情逐渐加重，可能导致堤坝溃决。某些情况下土体内本身也存在水力劈裂和向涵管薄弱环节汇集的集中渗流通道，多种土均会在集中渗流作用下发生侵蚀破坏，例如非塑性粉土、宽级配粉质粗粒土、分散性黏土等，都可能发生快速侵蚀。张冬梅等对土质路面地下无压管线破损引起周围土体的渗流侵蚀开展了模型试验研究［7］，这与堤坝内部涵管破损引起渗流侵蚀还有所不同。土颗粒流失进入无压堤坝涵管导致土体发生内部侵蚀的发生发展过程如图1示意说明。

图1 土颗粒流失进入无压涵管发生内部侵蚀示意［8］

如果涵管周围土体抵抗渗流侵蚀的能力强，渗流侵蚀的发生发展将是一个很长过程。但如果水头比较高，而且涵管孔洞或裂缝较大，渗流侵蚀发展将会非常快，问题也将更加严重。

萧飞羽回到安和庄。涤尘居厅堂落座，武成龙告诉萧飞羽安和庄所属平复了初战告捷的躁动，情绪也逐步稳定后道：“本庄所为如同顽石入死水，一层不变的江湖很可能波澜骤起。如果属下推测无误黑旗会很快会从震惊中清醒，并调集精锐彻查本镇蛛丝马迹，本庄又是汉口镇的大庄，鬼算盘又知晓谋夺本庄太极虎曾转呈黑旗会不为人知的中枢，所以黑旗会首先要做的应该是详查本庄。故而本庄所属如果不想移师别处就该将黑旗会在本镇势力凭空蒸发的事情张扬，以此引诱江湖人云集本镇，那时本庄设法制造混乱混淆视听，在黑旗会精英来此还没有将触角伸向本庄就以迅雷不及掩耳之势将其分别蚕食再次制造悬案并引劫于外。”

此类破坏模式还存在另外一种情况，即涵管内壁不光滑或接缝错位，涵管泄流时这些区域可能产生负压，涵管外壁土颗粒在负压作用下会被吸进涵管，形成空腔，如这种情况持续发展，土体流失量和空腔不断扩大，堤坝将发生塌陷，如塌坑与上游水体连通，将最终导致堤坝溃决。

（2）压力涵管内水外溢导致的内部侵蚀。在涵管内水压力大于外围渗水压力且涵管存在孔洞或裂缝等缺陷情况下，涵管内水将穿过孔洞或裂缝流入土体并作为荷载作用于土体上。如管道断裂或接缝张开，这种作用更加严重。对于无压涵管，如在运用中发生堵塞问题，同样会出现上述问题。在这种水荷载作用下，渗水将在下游坡面出逸，如出逸点无反滤保护措施，可能引起土颗粒流失，形成后向侵蚀管涌，沿管壁逐渐向上游延伸到涵管缺陷位置。如果土体抗侵蚀能力比较强、涵管缺陷不严重或水头比较小，可能不会很快出现这一后向侵蚀管涌问题。但如果涵管周围土体内有裂缝或集中渗流、涵管内水压力比较大，则可能引起内部侵蚀，并形成侵蚀通道。上述侵蚀问题如果一直存在并不断发展，涵管周边土体逐渐流失，涵管因无基础支撑而折断，库水通过涵管无控制泄流，堤坝下游坡坍塌失稳，将最终导致堤坝溃决。图2为压力涵管内水外溢导致内部侵蚀过程的示意图。

图2 压力涵管内水外溢导致后向侵蚀管涌或内部侵蚀示意［8］

（3）沿涵管周围土体产生后向侵蚀管涌或内部侵蚀。在涵管与土体结合面渗流荷载作用下，如土体抗侵蚀性弱，可能产生侵蚀。即使土体抗侵蚀性比较强，但如果压实不良等，也可能引发集中渗流和水力劈裂，发生内部侵蚀［9］，例如涵管外壁因模板施工原因凹凸不平，结合部土体很难压实，从而成为防渗薄弱环节或安全隐患。有截渗环的涵管与土体结合部、圆形涵管底部两侧区域，一般很难压实，沿管壁发生内部侵蚀的可能性非常大，如图3所示。

图3 圆形涵管压实不良区示意［8］

（4）涵管附近土体裂缝导致的内部侵蚀。受多种因素影响涵管附近区域土体发生非均匀沉降，产生裂缝和水力劈裂，通过这些裂缝可能发生集中渗流和边壁侵蚀［10］。此类破坏模式与模式（3）基本相似，但发生内部侵蚀的位置不在涵管与土体的结合面，距离结合面要远一些。此类破坏模式一旦发生，发展会很快，形成上下游贯通通道，导致堤坝溃决。新疆八一水库由于新建泄洪涵洞与原土坝之间新填土体在坝顶处产生横向裂缝，引起渗透冲刷侵蚀，于2004年1月溃决［11］。

4 接触冲刷破坏过程连续统

借鉴美国学者Fell等［12］及美国陆军工程师兵团大坝破坏模式连续统概念模型［13］，可以应用接触冲刷破坏过程连续统概念模型，揭示涵管接触冲刷破坏的机理及发生发展过程（图4）。涵管接触冲刷自发生至堤坝溃决这一极限状态，是一个不断加重的连续发展过程，将涵管及周围土体内的内部侵蚀过程划分为四个连续阶段，即启动（Initiation）、持续（Continuation）、渐进（Progression）和溃决（Breach）阶段。各类接触冲刷破坏模式在不同发展阶段，其影响因素及程度、发展过程及趋势、险情表现形式等均有一定的差异。针对不同破坏模式，可采用事件树或故障树等方法半定性半定量分析堤坝涵管接触冲刷破坏风险，用于指导采取过程干预措施，加强堤坝安全的全过程管理，提出在某一阶段宜采取的防御措施，从而提高堤坝安全水平，降低失事风险。

图4 堤坝涵管接触冲刷连续统图谱

A：下游涵管段周围设反滤排水；设置截渗环；涵管周围土体灌浆；涵管出口设反滤排水压盖或减压井

B：调整运行模式；降低涵管进口水头；限制水位运行；涵管周围土体灌浆；涵管出口区设反滤排水压盖或减压井

C：应急降低涵管进口水头；堤坝下游人员转移避险；涵管出口区设反滤排水；涵管出口蓄水反压；封堵裂缝或接缝；灌浆封堵渗漏通道。

D：堤坝运行正常，日常检查中未发现问题。堤坝安全评估建议关注长期渗流问题。

E：在一定水头作用下涵管与堤坝或基础土体接触面区域发生集中渗漏管涌等内部侵蚀破坏。

F：防渗措施未发挥作用，接触冲刷现象持续存在，并随着水力坡降和渗漏量增加，内部侵蚀加速向上游发展。

G：接触冲刷范围不断扩大，土体形成架空通道，渗漏量持续增加，快速向上游发展。

H：集中渗漏未因架空通道塌陷而停止，内部侵蚀继续扩展，堤坝出现塌坑、顶部沉降、边坡失稳，下游坡流失，堤坝溃决。

5 结论与建议

涵管是堤坝工程的薄弱环节，其接触冲刷问题涉及多方面的影响因素，多数情况下不同破坏模式并存，为提高堤坝工程安全水平，需要在规划、设计、施工及运行管理等各阶段，针对可能破坏模式采取相应防御措施。接触冲刷破坏过程连续统概念模型提供了一个很好的决策框架，但在具体应用中需根据工程实际予以细化。本文关于涵管接触冲刷破坏模式的分析也有助于深化对水闸等穿堤建筑物接触冲刷破坏模式的认识。

涵管工程设计除满足一般技术要求外，应从接触冲刷破坏模式分析入手，高度重视在适宜部位设置反滤排水；应严格控制涵管基础和接缝处理、周围土体压实质量，避免后期出现不均匀沉降、裂缝或渗流通道。需加强日常巡视检查和应急管理，一旦发现异常现象，及时采取导渗、反滤压盖、灌浆截渗等措施，控制险情进一步发展。