姚秋玲，丁留謙，劉昌軍，楊曉東

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100038）

堤基管涌破壞特性研究進(jìn)展

姚秋玲1，2，丁留謙1，2，劉昌軍1，2，楊曉東1

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100038）

堤基管涌是汛期堤防工程中常見的一種滲透變形現(xiàn)象，嚴(yán)重影響堤防工程和堤防保護(hù)區(qū)內(nèi)生命財(cái)產(chǎn)安全。堤基管涌因其隱蔽性、危害性、復(fù)雜性和難以預(yù)測性，其發(fā)展機(jī)理和破壞特性的研究一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。通過對國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，從經(jīng)驗(yàn)方法、數(shù)學(xué)模型、物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬這四類主要研究方法分別評述了現(xiàn)有的研究成果。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)管涌研究水平的現(xiàn)狀和管涌防治工作的需求，提出未來研究的幾個(gè)方向。

堤基管涌；模型試驗(yàn)；數(shù)學(xué)模型；數(shù)值模擬；研究進(jìn)展

1 研究背景

堤基管涌指汛期堤防內(nèi)外水頭差作用下，由滲透水流引起的在砂性透水堤基內(nèi)部形成管狀滲流通道的現(xiàn)象，其過程涵蓋隆起、管涌、流土等多種滲透變形。堤防搶險(xiǎn)中通常也稱作泡泉、泉涌、翻砂鼓水等。通常管涌由下游滲流出口處開始出現(xiàn)砂沸、攜砂出流現(xiàn)象，逐漸沿堤基砂層與堤身底部或堤基表土覆蓋層接觸面向上游回溯發(fā)展，逐漸形成形似管狀的滲流通道，并由通道向下游滲流出口處輸砂。當(dāng)達(dá)到一定水頭時(shí)，管涌通道持續(xù)向上游發(fā)展，最終與上游水體連通導(dǎo)致堤防潰決。

根據(jù)1998年中國長江、嫩江、松花江特大洪水期間險(xiǎn)情統(tǒng)計(jì)資料分析，長江中下游干堤堤基管涌占較大險(xiǎn)情總數(shù)的52.4％，居各類險(xiǎn)情之首，且7處潰堤有5處由管涌導(dǎo)致［1］，嫩江、松花江也多處出現(xiàn)管涌險(xiǎn)情并導(dǎo)致潰堤。筆者2010年汛后赴江西撫河唱?jiǎng)P堤調(diào)研發(fā)現(xiàn)，唱?jiǎng)P堤潰口附近堤防多處出現(xiàn)砂沸、管涌險(xiǎn)情。2013年黑龍江流域大洪水期間，黑龍江沿岸干堤出現(xiàn)大量的堤基管涌險(xiǎn)情。國外，荷蘭歷史上多次潰堤因管涌導(dǎo)致，1993至1995年洪水期間，沿萊茵河等主要河流有180多處管涌險(xiǎn)情［2］。美國密西西比河在1993年洪水期間，約5％的堤防發(fā)生了管涌險(xiǎn)情［3］。卡特里娜颶風(fēng)導(dǎo)致的新奧爾良堤防潰決在很大程度上也因管涌引起［4］。這些管涌險(xiǎn)情大部分因?yàn)閾岆U(xiǎn)及時(shí)或者洪水位消退沒有造成失事，但由于汛期堤基管涌頻發(fā)，管涌查險(xiǎn)、搶險(xiǎn)需耗費(fèi)巨大的人力、物力和財(cái)力。由于堤基管涌通道在堤基內(nèi)部，其發(fā)展趨勢很難用肉眼觀察，在汛期危急時(shí)刻很難快速判定其危害程度大小。堤防搶險(xiǎn)和除險(xiǎn)加固的實(shí)踐表明，堤基管涌是堤防工程中最普遍且難以治愈的心腹之患［5］，是多國堤防工程中最普遍也最嚴(yán)重的問題之一，嚴(yán)重威脅堤防本身及堤防保護(hù)區(qū)內(nèi)人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

由于堤基管涌具有頻發(fā)性、普遍性、復(fù)雜性、難以預(yù)測性和高危害性，多年來堤基管涌發(fā)展機(jī)理一直是相關(guān)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。研究方法主要集中在經(jīng)驗(yàn)方法、數(shù)學(xué)模型、物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等四大類。

2 堤基管涌破壞特性研究進(jìn)展

2.1 經(jīng)驗(yàn)方法對于堤基管涌的研究，最初主要是采用管涌事件調(diào)研統(tǒng)計(jì)的方法，來確定堤基管涌破壞的臨界水頭。

Bligh［6］對發(fā)生在印度的一些由于管涌造成潰決破壞的閘壩工程進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)研，在此基礎(chǔ)上提出了經(jīng)驗(yàn)公式，可用于計(jì)算管涌破壞臨界水力比降，并針對不同類型的堤基土體給出了經(jīng)驗(yàn)值，其中滲徑長度為水平與垂直滲徑長度之和。Lane［7］調(diào)查了美國的278座閘壩工程，其中有150座閘壩受管涌影響而導(dǎo)致破壞，通過分析考慮垂直方向的水流運(yùn)動(dòng)和孔隙介質(zhì)的各向異性，對Bligh經(jīng)驗(yàn)公式考慮的滲徑提出了不同意見，發(fā)展了Bligh計(jì)算模型，提出加權(quán)滲徑系數(shù)的概念，為確定滲徑系數(shù)，提出了經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)值。Chugaev［8］在調(diào)查前蘇聯(lián)174座閘壩的基礎(chǔ)上，又對萊因法進(jìn)行了修正，提出了透水地基上臨界總水頭的經(jīng)驗(yàn)值。

上述經(jīng)驗(yàn)方法（滲徑系數(shù)方法）基于統(tǒng)計(jì)調(diào)查分析得出，由于樣本數(shù)量有限，無法考慮各種土體、各類建筑物的所有特性，帶有很強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性，應(yīng)用這些方法確定總臨界水頭可能導(dǎo)致結(jié)果相差很大。而且由于這幾種方法在分析地基土層性質(zhì)時(shí)，僅考慮了地基表層土的特性，因此僅適用于單層均質(zhì)地基，對雙層、三層、多層以及其他復(fù)雜透水堤基的管涌破壞情況，已經(jīng)超出了它們的傳統(tǒng)適用范圍。

2.2 數(shù)學(xué)模型隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些學(xué)者開始試圖建立管涌發(fā)展數(shù)學(xué)模型，以此作為Bligh和 Lane經(jīng)驗(yàn)公式的理論基礎(chǔ)。

Terzaghi［9］基于土體中垂直向受力平衡分析，提出了發(fā)生隆起破壞（即本文研究的堤基管涌開始發(fā)生時(shí)的破壞現(xiàn)象）的臨界水力比降計(jì)算公式。但該公式只能用來判斷管涌剛開始發(fā)生時(shí)隆起破壞的臨界水力比降，不能用于管涌發(fā)展過程分析以及管涌破壞臨界水力比降的分析。Terzaghi和Peck［10］討論了由隆起導(dǎo)致的管涌。

Sellmeijer等［11-15］分析了地下水達(dá)西滲流場方程、管涌侵蝕溝槽的層流方程以及溝槽中砂粒所受的水流牽引力與砂粒間滾動(dòng)摩擦力之間的平衡方程，結(jié)合二維有限元數(shù)值分析，給出了單層均質(zhì)砂性透水地基上臨界水頭的理論公式，并指出當(dāng)管涌通道邊緣的顆粒處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，管涌侵蝕不再發(fā)展而保持穩(wěn)定。通過大量的模型試驗(yàn)結(jié)果對其進(jìn)行驗(yàn)證分析發(fā)現(xiàn)，僅有部分試驗(yàn)結(jié)果與該理論公式相吻合。

Ojha、Singh等［16-17］認(rèn)為不能將Sellmeijer公式作為Bligh模型的理論基礎(chǔ)，并基于達(dá)西模型、Ber?nouli方程以及臨界牽引力條件，采用水流流經(jīng)多孔介質(zhì)的Carman-Kozeny水頭損失模型，建立了確定臨界水頭的公式。

基于泥沙沉積運(yùn)送臨界速度公式，Ojha等［18］又提出另一個(gè)建立臨界水頭的公式，通過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換，該公式的結(jié)果與Bligh的經(jīng)驗(yàn)公式相符合。

Thevanayagam等［19］采用毛管水流模型，在上述Ojha等提出公式的基礎(chǔ)上，由Poiseuille方程給出了管涌通道中的流速Vc，得到臨界水頭表達(dá)式。

曹敦履［20］用隨機(jī)理論來描述管涌通道端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，建立了滲流管涌的隨機(jī)模型，根據(jù)該模型可以估計(jì)管涌破壞的概率和土體的滲流穩(wěn)定性，并得出重要結(jié)論：滲流破壞不僅與相對滲徑有關(guān)，還與絕對滲徑有關(guān)。

由于管涌機(jī)理的復(fù)雜性，上述數(shù)學(xué)模型在建立過程中，都進(jìn)行了不同程度的簡化分析和假設(shè)處理，很難完全考慮影響管涌發(fā)展的各個(gè)參數(shù)和真實(shí)反映管涌的實(shí)際發(fā)生發(fā)展機(jī)理，有些模型甚至沒有考慮到管涌發(fā)展的整個(gè)過程，僅僅分析管涌過程的初始階段，因此這些數(shù)學(xué)模型很難直接應(yīng)用。另外這些基于力學(xué)分析建立的數(shù)學(xué)模型都是在二維水流條件下得到的，而實(shí)際工程中管涌的發(fā)生與發(fā)展是三維滲流場作用的結(jié)果，無法反映客觀物理過程。

2.3 物理模型試驗(yàn)相對經(jīng)驗(yàn)方法和數(shù)學(xué)模型方法，采用物理模型試驗(yàn)方法研究堤基管涌發(fā)生發(fā)展的機(jī)理，是一種很直觀且較能真實(shí)反映實(shí)際發(fā)展過程的方法。由于堤基管涌發(fā)展過程復(fù)雜，目前還很難有一種標(biāo)準(zhǔn)的模型試驗(yàn)設(shè)備來模擬管涌現(xiàn)象。近年來多國學(xué)者們根據(jù)各自研究目的需要采用不同的模型設(shè)備開展了大量的模型試驗(yàn)研究。這些模型試驗(yàn)的目的主要在于揭示管涌發(fā)生發(fā)展并導(dǎo)致破壞的過程和機(jī)理，為堤防工程設(shè)計(jì)、除險(xiǎn)加固和安全評價(jià)工作提供基礎(chǔ)支撐。試驗(yàn)設(shè)備大多為封閉模型槽內(nèi)裝入透水砂樣，用不透水板（大多為透明玻璃板）覆蓋在砂樣上模擬堤身或堤基表層不透水層，主要模擬砂性堤基在水平滲透水力比降作用下發(fā)生的管涌現(xiàn)象，試驗(yàn)主要獲取臨界總水頭、臨界總水平平均水力比降、總水頭和總滲流量過程曲線、管涌發(fā)生發(fā)展的時(shí)間、管涌口出砂量、管涌通道隨時(shí)間的尺寸和形狀發(fā)展過程等參數(shù)。其區(qū)別主要體現(xiàn)在模型尺寸、砂樣物理性質(zhì)、堤基結(jié)構(gòu)、上游進(jìn)水和滲流出口模擬方式、裝樣方法、測量手段等方面。

Miesel等［21］采用上覆玻璃板上開孔并插入導(dǎo)管使砂樣逸出的方法模擬管涌出口進(jìn)行模型試驗(yàn)，分析了管涌出口孔徑大小對管涌發(fā)展過程的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，孔徑很?。ǎ?.65 mm）時(shí)，僅有滲透水流從孔口流出并伴有導(dǎo)管內(nèi)砂樣液化，沒有砂樣從孔口流出。隨著孔徑增大，首先是管涌孔內(nèi)砂樣液化，逐漸充滿砂樣，隨著砂粒涌出孔口，管涌通道的發(fā)展達(dá)到平衡狀態(tài)而暫停發(fā)展。此時(shí)需要繼續(xù)施加水頭，才會(huì)重復(fù)上述液化、導(dǎo)管內(nèi)充滿砂樣、砂樣流出、再平衡的過程。繼續(xù)提高水頭，管涌終將達(dá)到臨界狀態(tài)持續(xù)向上游發(fā)展。隨著孔徑增大，管涌發(fā)生（孔口處砂樣液化）的臨界水頭略有增加，管涌破壞的臨界水頭也略有增加。因此表明管涌出口孔徑大小對管涌破壞臨界水頭影響不大。當(dāng)管涌出口孔徑較大（＞13 mm）時(shí)，孔口處砂樣發(fā)生液化所需的水頭較高，水頭提高至較高時(shí)水頭導(dǎo)管內(nèi)才會(huì)充滿液化的砂粒，因此一旦導(dǎo)管內(nèi)充滿砂粒并開始流出時(shí)，此時(shí)水頭已經(jīng)足夠大，砂粒會(huì)不斷流出，不再出現(xiàn)平衡的現(xiàn)象，而是管涌通道持續(xù)向上游發(fā)展達(dá)到臨界狀態(tài)。

Müller［22-23］采用細(xì)砂、中砂、兩種粗砂共計(jì)4種不同的砂樣，對均質(zhì)地基、雙層堤基（上部細(xì)砂，下部粗砂）、以及多層堤基（細(xì)、粗砂層互相交錯(cuò)）這3種不同的堤基結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行了一系列管涌模型試驗(yàn)，得到了不同砂層和不同堤基結(jié)構(gòu)情況下管涌破壞的臨界水力比降。結(jié)果表明，隨著細(xì)砂層厚度的增加，管涌破壞的臨界水力比降也增加。并指出，不同的堤基結(jié)構(gòu)類型，管涌通道的幾何形狀和管涌發(fā)展的臨界比降也會(huì)不同。均質(zhì)堤基管涌通道橫斷面類似梯形，且通道的深度幾乎保持不變，雙層以及多層堤基的臨界比降較均質(zhì)堤基要小，并且發(fā)現(xiàn)，管涌通道并非隨著長度的增加而以管狀形式擴(kuò)展，而是保持深度不變，沿水平方向發(fā)展。管涌通道發(fā)展至滲徑長度的1/3～1/2時(shí)，就會(huì)持續(xù)向上游發(fā)展，不再停止。

W IT等［24］試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，管涌口孔徑較小時(shí)，在砂沸（液化）階段且不繼續(xù)提高水頭的情況下可以達(dá)到平衡狀態(tài)，但管涌口孔徑較大（4 mm）時(shí)，一旦砂樣流出管涌孔口，管涌就會(huì)持續(xù)向上游發(fā)展，這與Miesel［21］試驗(yàn)現(xiàn)象一致。另外，管涌出口為平面裸露出口和溝渠出口的情況下，在管涌向上游發(fā)展階段，試驗(yàn)過程也出現(xiàn)了平衡狀態(tài)。

Weijers等［15］通過大量試驗(yàn)得到了單一砂層堤基管涌破壞的臨界水力比降，研究了管涌發(fā)展的機(jī)理，同時(shí)采用砂模型的滲徑長度和厚度的比值為常數(shù)的兩個(gè)幾何尺寸的模型進(jìn)行了試驗(yàn)，得到了管涌破壞臨界水力比降與尺寸的關(guān)系，初步研究了模型尺寸效應(yīng)對試驗(yàn)結(jié)果的影響，但沒有考慮模型寬度對試驗(yàn)的影響。

Silvis［25］采用大尺寸模型模擬了溝渠出口情況的管涌過程，且采用砂樣上游水平段裸露進(jìn)水的方式。試驗(yàn)滲徑長度分別為6 m、9m和12 m，砂樣厚度6 m。試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了多條同時(shí)向上游發(fā)展的管涌通道，試驗(yàn)詳細(xì)描述了管涌通道長度隨水頭增加而向上游擴(kuò)展的過程，并明顯觀察到管涌發(fā)展過程中重復(fù)出現(xiàn)的平衡狀態(tài)。通過不同滲徑長度的試驗(yàn)，驗(yàn)證了滲徑長度對臨界水力比降影響較小的理論，尤其是滲徑長度大于砂層厚度時(shí)，這種影響更小。

Schmertmann［26］采用10種不同的砂樣，做了37組模型試驗(yàn)，結(jié)果表明，管涌通道末端的有效應(yīng)力以及垂直滲流比降決定了管涌是否繼續(xù)發(fā)展，管涌破壞的臨界水力比降受土體的不均勻系數(shù)的影響，通道中的沖刷速度遠(yuǎn)大于管涌向上游發(fā)展的速度，同時(shí)給出了管涌破壞的臨界水力比降。

Kohno［27］對一維垂直管涌以及二維水平向和豎直向管涌進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了不同砂（土）樣管涌破壞的臨界水力坡降和破壞模式。

王理芬［28］針對荊江大堤管涌進(jìn)行了砂槽模型試驗(yàn)，得到了管涌破壞的臨界水力比降，并提出管涌發(fā)生并不一定是管涌破壞的概念，同時(shí)采用可靠性分析方法建議了荊江大堤的保護(hù)范圍。

張家發(fā)［29］通過模型試驗(yàn)研究了懸掛式防滲墻對滲透變形擴(kuò)展過程的控制作用，表明懸掛式防滲墻對滲透變形的發(fā)生條件影響很小，但對滲透變形的擴(kuò)展及模型破壞的條件影響顯著，懸掛式防滲墻深入堤基中一定深度有利于堤防的安全。

毛昶熙［30-32］采用模型試驗(yàn)，給出了不同砂層和不同試驗(yàn)條件下管涌破壞的臨界水力比降，同時(shí)采用有限元方法給出了管涌情況下滲流場的水頭分布，提出了無害管涌的概念并建議了管涌的危害范圍。另外，對懸掛式防滲墻控制管涌發(fā)展的效果進(jìn)行了物模試驗(yàn)，得出了與張家發(fā)同樣的結(jié)論。

丁留謙等［33-34］、姚秋玲等［35］、周曉杰等［36］分別采用堤后砂層裸露、堤后砂層封閉但預(yù)留管涌孔出流的方法對單層、雙層、三層堤基情況進(jìn)行了多方案的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)觀察到了與上述研究者發(fā)現(xiàn)的類似現(xiàn)象，即在一定水頭條件下，管涌發(fā)展過程中會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)；得出了不同堤基結(jié)構(gòu)情況下管涌破壞的臨界水力比降；對三層堤基管涌破壞的機(jī)理和特點(diǎn)則有新的發(fā)現(xiàn)。另外，對懸掛式防滲墻控制雙層堤基管涌發(fā)展的效果進(jìn)行了物模試驗(yàn)，除得到與張家發(fā)和毛昶熙相同的結(jié)論外，對防滲墻的合理位置又提出了新的研究成果。在物模試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了允許堤內(nèi)發(fā)生管涌但控制管涌通道離內(nèi)堤腳一定距離從而保證堤防安全的新的控制原則和標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)水力比降與管涌通道長度的關(guān)系對蓋重合理寬度和管涌搶險(xiǎn)的合理范圍提出了初步的建議，同時(shí)提出了懸掛式防滲墻的設(shè)計(jì)新理念和相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。

周健等［37］利用數(shù)碼可視化跟蹤技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息實(shí)時(shí)處理技術(shù)和土體變形無標(biāo)點(diǎn)量測技術(shù)，從細(xì)觀層面上對不同層間系數(shù)的寬級配基料－濾層系統(tǒng)進(jìn)行了滲透模型試驗(yàn)。從細(xì)觀角度分析了不同層間系數(shù)的砂樣在滲流過程中的水力特性、顆粒運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和系統(tǒng)破壞特征，研究了濾層的特性和管涌型土自濾自穩(wěn)定的細(xì)觀機(jī)理。其研究的是垂直方向的管涌，是堤基管涌發(fā)展過程的一小階段，不能完全解釋堤基管涌發(fā)展的過程。

Beek等［38-43］對各種不同砂樣組成的單一堤基，采用斜坡式滲流出口的方法，分別進(jìn)行小比尺、中型比尺、原型試驗(yàn)、離心機(jī)模型試驗(yàn)，對砂樣的性質(zhì)、模型尺寸等對管涌破壞臨界水頭的影響進(jìn)行了深入研究，通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多變量回歸分析，對Sellmeijer模型提出了修訂建議，認(rèn)為應(yīng)增大密實(shí)度對臨界水頭的影響，而減弱d70對臨界水頭的影響。在這些試驗(yàn)過程中，管涌一旦開始就無法停止，持續(xù)向上游發(fā)展。

王保田等［44］采用模型試驗(yàn)方法研究了雙層堤基滲透變形與水位和滲流梯度等的關(guān)系，并研究了懸掛式防滲墻的類型、位置、深度以及河床切入透水性地層深度等對控制堤基發(fā)生滲透變形影響，得出了與丁留謙等相似的結(jié)論。

張挺等［45］通過砂槽模型試驗(yàn)研究，分析覆蓋層模擬方式、壓蓋重量、懸掛式防滲墻、滲流出口型式等工程因素對滲流破壞的影響，研究表明覆蓋層的模擬方式對滲流破壞坡降有較大影響；壓蓋重量增加可以提高滲流破壞的臨界坡降；滲流出口進(jìn)行反濾處理后防滲能力有很大提高。

梁越等［46］對雙層堤基管涌發(fā)生發(fā)展過程進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)M，并研究了在多次滲透破壞作用下，地層抵抗?jié)B透破壞能力的變化。

姚秋玲等［47-49］通過均質(zhì)單層透水砂基的管涌模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了管涌通道一旦形成就不再停止、持續(xù)向上游發(fā)展直至管涌貫通的現(xiàn)象；采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了管涌過程中通道形成與發(fā)展所需的水頭以及管涌通道前端水力比降的變化趨勢，揭示了管涌通道形成后暫停發(fā)展的“自愈”現(xiàn)象和通道一旦形成就不停止直至管涌破壞這兩種不同破壞模式的機(jī)理；進(jìn)行了不同寬度和不同厚度的系列模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，對堤基管涌模型試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究，結(jié)果表明尺寸效應(yīng)顯著，建議了順堤向模型寬度的合理取值；將顯微攝像技術(shù)應(yīng)用于管涌模型試驗(yàn)，觀察到不同粒徑的顆粒在相應(yīng)水頭下的起動(dòng)流失的過程，驗(yàn)證和解釋了堤基管涌發(fā)生發(fā)展的機(jī)理。

羅玉龍等［50-51］研制了滲流-侵蝕-應(yīng)力耦合管涌試驗(yàn)裝置，研究了應(yīng)力狀態(tài)對懸掛式防滲墻砂礫石地基管涌臨界滲透比降的影響，得出圍壓越大管涌臨界滲透比降越大的結(jié)論。羅玉龍等［52］還采用上述試驗(yàn)裝置對長時(shí)間高水頭下的滲透侵蝕進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

Chang等［53］也試驗(yàn)研究了滲透侵蝕的起動(dòng)和發(fā)展以及應(yīng)力狀態(tài)對臨界水力比降的影響，認(rèn)為當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)接近破壞時(shí)壓應(yīng)力條件下的起動(dòng)比降隨著剪應(yīng)力比先增大后減?。豢紫堵氏嗤瑫r(shí)，圍壓狀態(tài)下的起動(dòng)和骨架變形水力比降最大。

物理模型試驗(yàn)方法相對其他方法更直觀、且較能真實(shí)模擬堤基管涌的發(fā)展過程，通過上述試驗(yàn)研究成果，基本上在管涌現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)上獲得了較為一致的結(jié)論。但由于物理模型試驗(yàn)受尺寸效應(yīng)、模擬方法、砂樣性質(zhì)等影響，因此很難獲得一致的定量參數(shù)，比如臨界水頭值的確定，且目前還未能通過試驗(yàn)方法，獲得判斷臨界水頭的標(biāo)準(zhǔn)方法。

2.4 數(shù)值模擬由于模型試驗(yàn)受試驗(yàn)條件和尺寸影響，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法來研究管涌。

曹敦履等［54］在隨機(jī)模型的基礎(chǔ)上，采用Monte-Carlo法來模擬滲流管涌的發(fā)生和發(fā)展。隨機(jī)模擬的結(jié)果能很好地與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果相驗(yàn)證。

Weijers等［15］將管涌區(qū)域與非管涌區(qū)域分開，管涌區(qū)域按平行板狹槽流考慮，通過管壁顆粒的受力極限平衡與滲流連續(xù)條件將這兩個(gè)區(qū)域聯(lián)系起來，進(jìn)行二維有限元分析計(jì)算，得出了簡單幾何邊界條件下管涌臨界破壞條件的經(jīng)驗(yàn)公式。

朱偉［55］結(jié)合日本阿武隈川地基滲漏防治工程中所遇到的問題，應(yīng)用有限元飽和-非飽和滲流解析，對地基滲透破壞機(jī)理及其影響因素作了分析和討論。

殷建華［56］采用有限元方法與飽和穩(wěn)定滲流模型，計(jì)算研究了受管涌區(qū)域長度、滲透特性的影響機(jī)理。該方法將各種長度的管涌區(qū)作為穩(wěn)定狀態(tài)考慮，對管涌擴(kuò)展的模擬未能完全切合實(shí)際過程。

陳建生等［57］對堤防滲流管涌發(fā)生后產(chǎn)生集中滲漏通道的機(jī)理進(jìn)行了分析探討，在管涌發(fā)生初期采用井流理論模擬河水向管涌口補(bǔ)給時(shí)地下水的流場情況，確定管涌開始發(fā)生時(shí)的范圍以及逐步的發(fā)展過程，根據(jù)管涌的臨界水力梯度，通過模型可以求出管涌初期的臨界面。管涌初期涌砂區(qū)的范圍較大,由于管涌離堤壩最近的地層中的水力梯度最大，被帶走的砂也最多，涌水量增加而水力梯度減小，造成接近管涌初期臨界面附近的水力梯度達(dá)不到地層顆粒移動(dòng)的臨界水力梯度，造成臨界面向里縮小，最終形成了集中滲漏帶。

張家發(fā)等［58］也采用了擴(kuò)大滲透系數(shù)方法對管涌發(fā)生、發(fā)展進(jìn)行了數(shù)值模擬。

毛昶熙等［59-60］采用井流理論對管涌進(jìn)行了數(shù)值分析。

周曉杰等［61］采用無網(wǎng)格伽遼金法（element free Galerkinmethod，EFG）對二維管涌動(dòng)態(tài)發(fā)展進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

丁留謙等［62-63］用統(tǒng)一計(jì)算模式實(shí)現(xiàn)了管涌破壞區(qū)與非管涌區(qū)域流場的耦合計(jì)算，采用變滲透系數(shù)方法，模擬了堤基管涌發(fā)展的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程，深入分析了管涌滲流場的特點(diǎn)，獲得了管涌通道前端水力比降變化的規(guī)律，合理解釋了物模試驗(yàn)中管涌通道發(fā)展的特點(diǎn)和規(guī)律。

游碧波等［64］基于顆粒離散元理論,對管涌口顆粒逸出問題進(jìn)行仿真模擬。張挺等［45］采用流體動(dòng)力學(xué)有限體積方法對堤基管涌進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。梁越等［65］建立了考慮流固耦合作用的管涌發(fā)展數(shù)學(xué)模型，并利用分時(shí)步法對模型進(jìn)行解耦，以有限差分法對模型進(jìn)行離散。

倪小東［66］也采用離散元法對管涌進(jìn)行模擬。

胡亞元等［67］考慮三相耦合，基于Galerkin有限元法對管涌過程進(jìn)行數(shù)值模擬。

由于堤基管涌涉及滲流，管流，泥沙的起動(dòng)、輸移與沉積，管涌通道周邊地層應(yīng)力狀態(tài)變化等，數(shù)值模擬目前也很難考慮全部過程，因此模擬的精確度難以保證，很多參數(shù)的確定也帶有經(jīng)驗(yàn)性。目前還沒有一套成熟的數(shù)值模擬方法來真實(shí)模擬堤基管涌的發(fā)展過程。

3 堤基管涌破壞特性研究評述

目前國內(nèi)外堤基管涌發(fā)展機(jī)理研究的成果，從宏觀概念上揭示了結(jié)構(gòu)簡單的堤基結(jié)構(gòu)的管涌發(fā)展過程、特點(diǎn)和危害性，根據(jù)這些研究成果，提出了管涌防治的一些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和堤防安全評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)了滲流控制領(lǐng)域的科技進(jìn)步，但從目前管涌災(zāi)害防治理論技術(shù)支撐需求看，仍存在很多不足，亟待深入研究。

從研究方法上來看，模型試驗(yàn)、數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬三種方法相結(jié)合并互相驗(yàn)證，綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)，從多尺度全面闡釋管涌過程和機(jī)理，是未來研究管涌問題的主要趨勢方法。

從已有的研究成果看，堤基管涌機(jī)理研究亟待開展的工作有以下幾方面：

（1）復(fù)雜堤基管涌機(jī)理研究。堤基管涌的發(fā)展具有隨機(jī)性，管涌發(fā)展與否，取決于管涌通道最前端土體強(qiáng)度、水流梯度、土顆粒級配和直徑等，涉及到土力學(xué)、滲流力學(xué)、水力學(xué)和泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科，受觀察和測量手段的限制，目前對管涌通道前端土體破壞模式以及管涌通道內(nèi)水流輸送砂粒臨界條件認(rèn)識(shí)不清，需要更準(zhǔn)確獲取試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，綜合多學(xué)科理論知識(shí)，準(zhǔn)確認(rèn)知管涌發(fā)展的內(nèi)在機(jī)理。

（2）模型試驗(yàn)尺寸效應(yīng)研究。大量模型試驗(yàn)研究結(jié)果表明，管涌模型試驗(yàn)受邊界條件的影響非常大。目前還沒有一套標(biāo)準(zhǔn)的模型尺寸來進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M。眾多尺寸條件的試驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性如何，互相之間關(guān)系怎樣，尚待驗(yàn)證。需要結(jié)合多尺寸模型試驗(yàn)，互相驗(yàn)證并推演出反映尺寸效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，才能將模型試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用或推演到工程實(shí)踐中。

（3）流量和時(shí)間比尺研究。管涌模型試驗(yàn)中流量和時(shí)間比尺亦難以確定，不能實(shí)現(xiàn)模型流量和時(shí)間向原型的推演，因此在汛期搶險(xiǎn)時(shí)無法定量預(yù)測管涌致險(xiǎn)的程度和時(shí)間。

（4）管涌動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬研究。管涌通道的發(fā)展是一個(gè)動(dòng)態(tài)的不斷變化的過程，建立管涌通道發(fā)展的數(shù)學(xué)模型并開發(fā)有限元數(shù)值模擬軟件，是實(shí)現(xiàn)管涌動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬的關(guān)鍵所在。如何實(shí)現(xiàn)達(dá)西流和非達(dá)西流的耦合，是管涌動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬的難點(diǎn)所在。

（5）管涌預(yù)測模型研究。管涌涉及多學(xué)科，物理參數(shù)多，發(fā)展機(jī)理特別復(fù)雜。有望結(jié)合數(shù)學(xué)模型、數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)的方法，綜合運(yùn)用多學(xué)科理論，分析各參數(shù)對管涌發(fā)展過程的影響，建立一套綜合的管涌預(yù)測模型。

［1］長江水利委員會(huì).1998年長江防汛總結(jié)［R］.1999.

［2］Provincie Gelderland en M inisterie van Verkeer en Waterstaat.“Verkenning waterveiligheid Betuwe，Tieler-en Culemborgerwaarden(dijkring 43)-12”［R］.2010.

［3］Mansur C，Postol G，Salley J，Performance of relief well systems along Mississippi river levees［J］.Journal of Geotechnicaland Geoenvironmental Engineering，2000，126（8）：727-738.

［4］ENW.Piping-RealiteitofRekenfout?［Z］.ENW publication，www.enwinfo.nl，2010.

［5］丁留謙，孫東亞.堤防工程中幾個(gè)關(guān)鍵研究課題［J］.水利發(fā)展研究，2000，2（12）：59-62.

［6］BlighW G.Dams Barrages and Weirs on Porous Foundations［J］.Engineering News，1910，64（26）：708-710.

［7］Lane EW.Security from Under-seepage Masonry Dams on Earth Foundations［J］.Transactions of the American Society of Civil Engineers，1935，100（1）：1235-1272.

［8］Chugaev R R.Design and Calculation of the Underground Profile of Dam on Pervious Foundations［C］//Proc.of the 6th ICOLD，New York，Question No.21：1958.

［9］Terzaghi K.Der Grundbruch an Stauwerken und seine Verhuetung［J］.DieWasserkraft，1922，17：445-449.

［10］TerzaghiK，Peck R B.SoilMechanics in Engineering Practice［M］.New York：John W iley and Sons Inc.1967.

［11］Sellmeijer JB.On the Mechanism of Piping under Impervious Structures［D］.Delft：DelftUniversity of Technolo?gy，1988.

［12］Calle EO F，Best H，Sellmeijer JB，et.al.Probabilistic analysis of piping underneath water retaining structures［C］.The 12th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering，Rio de Janeiro，Br，1989：819-822.

［13］Sellmeijer JB，Koenders M.A mathematicalmodel for erosion under a dam［J］.Applied Mathematical Model?ling，1991，15（6）：646-651.

［14］Koenders M A，Sellmeijer JB.Mathematicalmodel for piping［J］.Journal of Geotechnical Engineering（ASCE），1992，118（6）：943-946.

［15］Weijers JB A，Sellmeijer JB.A new model to dealwith the piping mechanism［M］//Filters in geotechnical and hydraulic engineering.JBrauns，M Heibaum，U Schulter，(Eds)，Balkema，Rotterdam：1993：349-355.

［16］Ojha C SP，Singh V P，Adrian D D.Influence of porosity on pipingmodels of levee failure［J］.Journal of Geo?technicaland Geoenvironmental Engineering，2001，127（12）：1071-1074.

［17］Singh V P，Ojha C SP，Adrian D D，et.al.Role of sand boil formation in levee failure［C］//the 29th IAHR Con?gress Proceedings，Tsinghua University Press：2001：226-231.

［18］Ojha C SP，Singh V P，Adrian D D.Determination of critical head in soil piping［J］.Journal of hydraulic engi?neering，ASCE，2003，129（7）：511-518.

［19］Thevanayagam S，Nesarajah S.Fractalmodel for flow through saturated soils［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1998，124（1）：53-66.

［20］曹敦履.滲流管涌的隨機(jī)模型［J］.長江水利水電科學(xué)研究院院報(bào)，1985，2（2）：39-46.

［21］M iesel D.Vortr?ge der Baugrundtagung［C］//Deutsche Gesellschaft für Erdund Grundbau E V，Berlin：1978.

［22］Müller-Kirchenbauer H.Zum Zeitlichen Verlauf der Rückschreitenden Erosion in Geschichtetem Untergrund unt?er D?mmen und Stauanlagen［C］//Beitrag zum Talsperrensymposium，München，1978.

［23］Müller-Kirchenbauer H，Rank l M，Schl?tzer C.Mechanism for regressive erosion beneath dams and barrages［C］//Filters in Geotechnicaland Hydraulic Engineering.Rotterdam：1993.

［24］JM deW IT，JB Sellmeijer，A Penning.Laboratory testing on piping［C］//Proc.10th Int.Conf.on Soil Mech. and Found.Eng.，Part1，Stockholm：1981.

［25］Silvis F.Verificatie PipingModel，Proeven in de Deltagoot［R］.ReportGeoDelft，CO317710/7，1991.

［26］John H Schmertmann.The no-filter factor of safety against piping through sand［C］//Judgment and Innovation：the Heritage and Future of the Geotechnical Engineering Profession.New York：ASCE，2000.

［27］Iichiro Kohno，Makoto Nishigaki，Yuji Takeshita.Levee Failure Caused by Seepage and Preventive Measures［J］.Natural disaster science，1987，9（2）：55-76.

［28］王理芬，曹敦履.荊江大堤堤基管涌破壞［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，1991，8（2）：44-51.

［29］張家發(fā)，吳昌瑜，朱國勝.堤基滲透變形擴(kuò)展過程及懸掛式防滲墻控制作用的試驗(yàn)?zāi)M［J］.水利學(xué)報(bào)，2002，33（9）：108-111.

［30］毛昶熙，段祥寶，蔡金傍，等.堤基滲流無害管涌試驗(yàn)研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2004（11）：46-53.

［31］毛昶熙，段祥寶，蔡金傍，等.北江大堤典型堤段管涌試驗(yàn)研究與分析［J］.水利學(xué)報(bào)，2005，36（7）：818-824.

［32］毛昶熙，段祥寶，蔡金傍，等.懸掛式防滲墻控制管涌發(fā)展的試驗(yàn)研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2005，36（1）：42-50.

［33］丁留謙，姚秋玲，孫東亞，等.三層堤基管涌砂槽模型試驗(yàn)研究［J］.水利水電技術(shù)，2007，38（2）：19-22.

［34］丁留謙，姚秋玲，孫東亞，等.雙層堤基中懸掛式防滲墻滲控效果的試驗(yàn)研究［J］.水利水電技術(shù)，2007，38（2）：23-26.

［35］姚秋玲，丁留謙，孫東亞，等.單層和雙層堤基管涌砂槽模型試驗(yàn)研究［J］.水利水電技術(shù)，2007，38（2）：13-18.

［36］周曉杰，丁留謙，姚秋玲，等.懸掛式防滲墻控制堤基滲透變形發(fā)展模型試驗(yàn)［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2007，26（2）：54-59.

［37］周健，白彥峰，姚志雄.管涌型土濾層防治的細(xì)觀試驗(yàn)研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2010，41（4）：390-397.

［38］Beek VM v，Koelewign A，Kruse G，et.al.Piping phenomena in heterogeneous sands，experiments and simula?tions［C］//4th International Conference on Scour and Erosion，Tokyo，2008.

［39］Beek V M v，Knoeff JG，Rietdijk J，et.al.Influence of sand and scale on the piping process-experiments and multivariate analysis［C］//7th international conference on Physical Modelling in Geotechnics，Zürich，Taylor and Francis Group，2010.

［40］Beek V M v，Bruijn H T J d，Knoeff JG，et.al.Levee Failure Due to Piping：A Full-Scale Experiment［C］// Fifth International Conference on Scour and Erosion，San Francisco，American Society of Civil Engineers，2010.

［41］Beek V M v，Bezuijen A，Zwanenburg C.Piping：Centrifuge experiments on scaling effects and levee stability［C］//PhysicalModelling in Geotechnics，Zürich，Taylor and Francis Group，2010.

［42］Beek V M v，Rietdijk J，Luijendijk M S，Barends F B J.Influence of Vertical Loading on Underseepage Piping in Uniform sand［C］//Internal Erosion in Embankment Dams and Their Foundations，Proceedings of the Institute ofWater Structures，2011.

［43］Beek V M v，Knoeff JG,Sellmeiger JB.Observations on the process of backward piping by underseepage in co?hesionless soils in small-，medium-and full-scale experiments［J］.European Journal of Environmental and Civ?il Engineering，2011，15（8）：1115-1137.

［44］王保田，陳勇.懸掛式防滲墻控制堤基滲透變形的機(jī)理與工程應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2010.

［45］張挺，詹杰民.堤基滲流破壞影響因素試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2011，26（1）：31-40.

［46］梁越，陳建生，陳亮，等.雙層堤基管涌發(fā)生發(fā)展的試驗(yàn)?zāi)M與分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33（4）：624-629.

［47］姚秋玲，丁留謙，Beek V M v，等.非均質(zhì)堤基管涌小尺寸試驗(yàn)?zāi)M與預(yù)測模型研究［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2012，33（5）：76-81.

［48］Qiuling Yao，Vera van Beek，Meindert Van，et.al.Backward Piping in Multi-layer Dike Foundations:Experi?ments and Model Validation［C］//Proceedings of 2013 IAHR World Congress，Tsinghua University Press，Cheng?du，2013（9）.

［49］姚秋玲.堤基管涌多尺寸模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究［D］.北京：中國水利水電科學(xué)研究院，2014.

［50］羅玉龍，吳強(qiáng)，詹美禮，盛金昌.考慮應(yīng)力狀態(tài)的懸掛式防滲墻-砂礫石地基管涌臨界比降試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2012，33（S1）：73-78.

［51］羅玉龍，吳強(qiáng)，詹美禮，盛金昌.滲流-侵蝕-應(yīng)力耦合管涌試驗(yàn)裝置的研制及初步應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32（10）：2108-2114.

［52］Yu-long Luo，Liang Qiao，Xing-xing Liu，et.al.Hydro-mechanical experiments on suffusion under long-term large hydraulic heads［J］.Natural Hazards，2013，65（3）：1361-1377.

［53］Chang D，Zhang L.Critical Hydraulic Gradients of Internal Erosion under Complex Stress States［J］.Geotech. Geoenviron.Eng.，139（9）：1454-1467.

［54］曹敦履，曹罡，等.水工建筑物滲流管涌的Monte-Carlo模擬［J］.人民長江，1997，28（6）：11-13，46.

［55］朱偉，山村和也.堤防地基滲透破壞機(jī)制及其治理［J］.水利水運(yùn)科學(xué)研究，1999（4）：338-347.

［56］Yin Jianhua.FEModelling of Seepage in Embankment Soilswith Piping Zone［J］.Chinese Journal of Rock Me?chanics and Engineering，1998，17（6）：679-686.

［57］陳建生，李興文，趙維炳.堤防管涌產(chǎn)生集中滲漏通道機(jī)理與探測方法研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2000（9）：48-54.

［58］張家發(fā)，朱國勝，曹敦履.堤基滲透變形擴(kuò)展過程和懸掛式防滲墻控制作用的數(shù)值模擬研究［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2004，21（6）：47-50.

［59］毛昶熙，段祥寶，蔡金傍，等.堤基滲流管涌發(fā)展的理論分析［J］.水利學(xué)報(bào)，2004（12）：46-50.

［60］毛昶熙，段祥寶，蔡金傍，等.懸掛式防滲墻控制管涌發(fā)展的理論分析［J］.水利學(xué)報(bào)，2005，36（2）：74-178.

［61］周曉杰，介玉新，李廣信.基于滲流和管流耦合的管涌數(shù)值模擬［J］.巖土力學(xué)，2009，30（10）：3154-3158.

［62］劉昌軍，丁留謙，吳夢喜，等.雙層堤基管涌潰堤砂槽模型試驗(yàn)及滲流場特點(diǎn)研究［J］.水利水電技術(shù)，2007，38（2）：40-43.

［63］丁留謙，吳夢喜，劉昌軍，等.雙層堤基管涌動(dòng)態(tài)發(fā)展的有限元模擬［J］.水利水電技術(shù)，2007，38（2）：36-39.

［64］游碧波，周翠英.雙層堤基條件下管涌逸出的顆粒流模擬［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，49（6）：42-48.

［65］梁越，陳亮，陳建生.考慮流固耦合作用的管涌發(fā)展數(shù)學(xué)模型研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33（8）：1265-1270.

［66］倪小東.運(yùn)用離散單元法研究土體管涌機(jī)理［D］.南京：河海大學(xué)，2006.

［67］胡亞元，馬攀.三相耦合滲流侵蝕管涌機(jī)制研究及有限元模擬［J］.巖土力學(xué)，2013，34（4）：913-921.

Overview on the research of the m echanism
of backw ard erosion p iping in dike foundations

YAO Qiu-ling1，2，DING Liu-qian1，2，LIU Chang-jun1，2，YANG Xiao-dong1
（1.China InstituteofWater Resourcesand Hydropower Research，Beijing 100038，China；
2.Center of Disaster Reduction of theMinistry ofWater Resources，Beijing 100038，China）

Backward erosion piping is a common phenomenon due to seepage on the dike foundations dur?ing flood seasons.It threats the safety of dikes themselves and lives and property of the landside.Because it hides in the dike foundation，could cause dike failure and the progression is difficult to predict，the mechanism is still not easy to explore clearly.This paper overviewed and summarized the research on the dike foundations from four kinds of research methods：empirical method，mathematical model，physical mod?el tests and numerical simulation.The prospective of research on backward erosion piping mechanism was proposed according to the present research achievement and the requirement for the countermeasures of backward erosion piping.

Backward erosion piping；Dike foundation；Mathematical Model；Physical Model Test；Numeri?cal model；Overview

TV139.16

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.04.003

1672-3031（2014）04-0349-09

（責(zé)任編輯：李琳）

2013-11-19

國家國際科技合作項(xiàng)目（2010DFA74520）；中國水利水電科學(xué)研究院科研專項(xiàng)（防集1132）

姚秋玲（1981-），女，安徽人，博士，高級工程師，主要從事滲流分析與控制研究。E-mail：yaoql@iwhr.com

丁留謙（1965-），男，河南人，研究生，教授級高級工程師，主要從事防洪減災(zāi)和滲流分析控制研究。E-mail：dinglq@iwhr.com