曾 浩，張 偉，吳慶華，張亞輝，王 珂，李玉子

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院， 湖北 武漢 430010)

我國(guó)洪澇災(zāi)害問題突出，防洪減災(zāi)關(guān)系人民生命財(cái)產(chǎn)安全、社會(huì)穩(wěn)定與可持續(xù)發(fā)展。堤防工程是我國(guó)防洪體系的重要基礎(chǔ)，已建堤防總長(zhǎng)達(dá)41萬km，其中長(zhǎng)江中下游堤防30 000 km，干堤3 600 km[1]。由于堤身不均勻，堤基結(jié)構(gòu)復(fù)雜，河流沖刷、人類與動(dòng)植物活動(dòng)、極端氣候條件等眾多因素的影響，導(dǎo)致堤防存在安全隱患，汛期險(xiǎn)情頻發(fā)。堤防管涌險(xiǎn)情是我國(guó)四大主要典型險(xiǎn)情之一。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)堤防管涌險(xiǎn)情機(jī)理開展了大量研究工作，F(xiàn)oster等[2]分析了歷史上由管涌造成堤壩破壞的事故，提出了一種估算管涌導(dǎo)致堤壩破壞的可能性的方法。Lanzafame[3]采用可靠度分析方法研究了覆蓋層的滲透系數(shù)、厚度和抗剪強(qiáng)度對(duì)堤防安全的影響，認(rèn)為相比于覆蓋層的滲透系數(shù)，其厚度和抗剪強(qiáng)度的影響更大。文獻(xiàn)[4-8]通過試驗(yàn)對(duì)雙層堤基、三層堤基管涌的擴(kuò)展過程進(jìn)行了研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果討論了蓋重最大、最小寬度和管涌搶險(xiǎn)的合理范圍，為堤防設(shè)計(jì)和搶險(xiǎn)工作提供了參考。文獻(xiàn)[9-15]采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的方法對(duì)堤身堤基滲流場(chǎng)規(guī)律進(jìn)行了分析，研究了堤基滲透變形擴(kuò)展過程及懸掛式防滲墻控制作用，研究得出了懸掛式防滲墻滲流控制效果并不顯著的結(jié)論。劉洪辰等[16]選取二元堤基作為對(duì)象設(shè)計(jì)了3種密實(shí)度與3種覆蓋層厚度以及2種接觸面情況下的砂槽試驗(yàn)，得出了覆蓋層密度越大臨界比降和破壞比降越大；覆蓋層厚度與臨界比降和破壞比降之間沒有明顯相關(guān)性，上述研究一定程度上揭示了管涌破壞的機(jī)理，分析得到了影響管涌發(fā)生、延展的影響因素，對(duì)工程領(lǐng)域有積極的指導(dǎo)作用。

但長(zhǎng)期以來的研究都集中于中小尺度的物理模型試驗(yàn)，前人研究中開展的砂槽模型試驗(yàn)存在模型尺寸較小、試驗(yàn)過程中需要在黏土覆蓋層上添加蓋板并預(yù)留管涌孔，讓管涌只能發(fā)生在固定位置，以及試驗(yàn)過程中管涌口大小不可變化等限制條件，這些條件可能導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際條件中堤防管涌的演化機(jī)理存在差異。因此開展大尺度堤防管涌險(xiǎn)情演化機(jī)理物理模型試驗(yàn)對(duì)揭示管涌的演化機(jī)理具有重要意義。

本次研究構(gòu)建了國(guó)內(nèi)目前最大的管涌試驗(yàn)物理砂槽模型，通過觀察流量、測(cè)壓管水位、等參數(shù)，對(duì)比分析在對(duì)管涌口不加以約束的情況下管涌發(fā)生、發(fā)展的特性及破壞后的結(jié)果，以期揭示尺度效應(yīng)對(duì)管涌發(fā)生發(fā)展的影響。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)特點(diǎn)

為盡可能真實(shí)地模擬出管涌發(fā)生、發(fā)展的情況，本研究采用了數(shù)值模擬方法探究了管涌通道貫通即致潰時(shí)模型中滲流場(chǎng)分布情況，分析模型邊界對(duì)滲流場(chǎng)的影響。結(jié)合縮尺原理及模型成本，提出了模型最優(yōu)尺寸。

模型槽主體尺寸為長(zhǎng)10.0 m×寬3.0 m×高2.5 m，頂面敞開。模型上游為進(jìn)水室，尺寸為長(zhǎng) 1.0 m×寬3.0 m×高2.5 m，頂面封閉；模型下游為排水室，尺寸為長(zhǎng)1.0 m×寬3.0 m×厚2.5 m，頂面敞開。模型2.2 m嵌入地下，模型頂面高出地面0.3 m。模型整體(底部與側(cè)壁)能承受10.0 m高水頭與3.0 m厚度的砂土壓力之和的擠壓而不發(fā)生變形，避免模型開裂。模型結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 模型結(jié)構(gòu)示意圖(單位:cm)

(1) 供排水系統(tǒng)。供水系統(tǒng)為長(zhǎng)2.7 m×寬2.7 m×高5.0 m水箱，在水箱頂部設(shè)置一個(gè)直徑為30 cm、高1.0 m的鋼管，以提供最高6 m的供水水頭。供水系統(tǒng)與進(jìn)水室由1個(gè)直徑為40 cm的供水管連接，提供足量供水量。供水系統(tǒng)固定在長(zhǎng)3.0 m×寬3.0 m×厚80 cm的鋼筋混土基座上。供水室與模型主體通過19個(gè)直徑為15 cm孔相連，在模型主體一側(cè)，采用多孔有機(jī)玻璃板對(duì)模型砂土層供水。排水室水體進(jìn)入1個(gè)尺寸為3 m×2 m×2 m混凝土的回收池，通過自動(dòng)水泵抽控制系統(tǒng)將水抽至供水箱，循環(huán)利用水資源。抽水量能力不低于10 m3/h，揚(yáng)程不低于8 m。

(2) 模型主體表面壓重與止水系統(tǒng)。在加工完成的模型主體內(nèi)填筑砂土，模型主體頂面需要用厚6 mm鋼板材料與“⊥”鋼板進(jìn)行壓重，防止壓重蓋板被5 m高水頭壓力頂起。由于管涌口及其通道隨時(shí)間將發(fā)生變化，則模型蓋板設(shè)計(jì)成可拆換的組裝模式，即將整個(gè)蓋板分割成若干塊(40 cm×90 cm、40 cm×50 cm)，每一塊均采用螺絲與蓋板橫梁骨架固定，同時(shí)采用橡膠墊密封止水。根據(jù)管涌擴(kuò)展情況，在管涌擴(kuò)展的上游依次揭開蓋板塊，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中對(duì)管涌擴(kuò)展、致潰過程的真實(shí)觀測(cè)。

(3) 測(cè)壓管安裝與防水設(shè)計(jì)。根據(jù)管涌口設(shè)置、管涌險(xiǎn)情滲流場(chǎng)特征，共布置了3層、3排測(cè)壓管，共93個(gè)測(cè)點(diǎn)，主要用于監(jiān)測(cè)砂層中壓力水頭變化。具體布設(shè)情況如圖2所示。整個(gè)模型共布設(shè)12個(gè)垂直水流方向的監(jiān)測(cè)斷面，從上游進(jìn)水端到管涌口，按1.0 m～0.4 m不等間距布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面，距離管涌口越近，斷面間距離越小，且根據(jù)滲流場(chǎng)，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上布置9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(1～3個(gè)，平面上)；在沿著水流方向上，共布設(shè)了3個(gè)主要的監(jiān)測(cè)斷面，斷面之間的間距為80 cm，其中模型中心監(jiān)測(cè)斷面共布設(shè)了12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(平面上)。在上述平面監(jiān)測(cè)布置點(diǎn)的垂直方向上，每一個(gè)點(diǎn)共布置3個(gè)不同深度的測(cè)壓管(見圖2(b))，即剖面上監(jiān)測(cè)點(diǎn)距模型底面的距離分別為1.00 m、1.70 m和2.15 m。

圖2 模型測(cè)壓管布置圖(單位:mm)

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料

為了模擬實(shí)際堤基的地質(zhì)條件，本次試驗(yàn)砂樣采用取自漢江流域的細(xì)砂，試驗(yàn)土樣采用取自湖底的淤泥質(zhì)黏土，將其破碎篩分后取其細(xì)顆粒用于模擬覆蓋層。砂樣和土樣的顆粒級(jí)配組成如圖3所示。試驗(yàn)砂樣和土樣物理力學(xué)指標(biāo)見表1，材料本身的破壞比降由室內(nèi)垂直滲透試驗(yàn)得到，反映材料發(fā)生破壞的難易程度。

圖3 試驗(yàn)土樣的顆粒級(jí)配曲線

表1 試驗(yàn)用土的物理力學(xué)性質(zhì)

2.2 模型填筑

選取黏土覆蓋層干密度為1.2 g/cm3，含水率為20%，填筑高度為30 cm；砂層干密度為1.4 g/cm3，含水率10%，填筑厚度為220 cm，砂層和覆蓋層均按10 cm一層填筑，每填筑一層，模型四周垂直方向每隔10 cm交叉涂抹結(jié)構(gòu)膠和粘貼防滲橡膠帶做防水處理，防止水向邊壁上滲流。

在模型頂面，采用可拆換式蓋板系統(tǒng)進(jìn)行密封，該系統(tǒng)可約束8 m～10 m高水頭的頂托力，并能保持良好的水密封性，模擬堤基黏土覆蓋層，抵抗高壓力水頭，保證在管涌口至上游進(jìn)水端之間不會(huì)出現(xiàn)黏土覆蓋層被高水頭擊穿而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗的情況發(fā)生。但為了研究管涌險(xiǎn)情發(fā)展過程中管涌口尺寸擴(kuò)展及其向上游發(fā)展的影響，可根據(jù)測(cè)壓板水位數(shù)據(jù)識(shí)別管涌通道發(fā)展情況，并逐一揭開蓋板，為管涌口發(fā)展提供不受約束的自然條件。

2.3 試驗(yàn)過程

(1) 浸潤(rùn)飽和，向模型槽進(jìn)水室中每次升高水位10 cm，待水滲過試樣到達(dá)出水室且與進(jìn)水室水位基本保持齊平時(shí)繼續(xù)升高水頭，最終加水直至水位與試樣頂面齊平，浸潤(rùn)飽和24 h以上。

(2) 飽和完畢后緩慢逐級(jí)升高水頭至水從管涌口流出，測(cè)量其初始流量，滲流量和測(cè)壓管水位基本穩(wěn)定后記錄第一組數(shù)據(jù)，此時(shí)管涌口水流清澈且沒有泥沙帶出，管涌發(fā)展尚未產(chǎn)生，水頭每級(jí)升高10 cm。

(3) 試驗(yàn)進(jìn)行至管涌口發(fā)生大量涌砂，管涌通道與進(jìn)水室貫通時(shí)即視為試樣發(fā)生整體破壞，此時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 試驗(yàn)過程

在物理模型充分飽和后，逐漸升高上游進(jìn)水端水頭，觀察預(yù)留管涌口排水量、管涌口大小尺寸、管涌口涌砂等現(xiàn)象，在上游水頭上升至76.20 cm(水平比降為0.127，管涌口上游臨近區(qū)垂直比降為0.623)時(shí)，預(yù)留管涌口才出現(xiàn)集中水流，泥土團(tuán)塊跳動(dòng)并伴有渾水出現(xiàn)的現(xiàn)象，此時(shí)模型處于臨界啟動(dòng)狀態(tài)。

圖4為試驗(yàn)過程中管涌口流量過程線。從圖中可知，在管涌險(xiǎn)情發(fā)生致潰之前，管涌口流量隨上游水頭增加而增加，但在管涌口出現(xiàn)集中水流，即模型達(dá)到臨界水力梯度之前時(shí)(上游水位低于80 cm時(shí))，相同上游水位條件下，管涌口流量基本上維持不變，這說明，砂土顆粒結(jié)構(gòu)尚未發(fā)生調(diào)整，模型整體穩(wěn)定。但當(dāng)在上游水位持續(xù)上漲至80.0 cm并持續(xù)660 min，管涌流量與涌砂情況均處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在此水頭作用下，管涌口流量與含沙量均出險(xiǎn)了間歇性調(diào)整，管涌口流量由3.06 L/min逐漸增加至4.00 L/min，增加幅度高達(dá)30.72%，管涌集中涌水與泥沙情況也隨時(shí)間逐漸增強(qiáng)，而在之后的8 h內(nèi)，管涌口流量由4.00 L/min逐漸減小至3.65 L/min，減小幅度為8.75%，但在1 200 min時(shí)，流量又略有增加。在此階段，從管涌口涌水-排水通道中可明顯觀測(cè)到少量粉細(xì)砂被帶出而殘留，表明砂土和黏土樣均有顆粒啟動(dòng)與流失。

圖4 管涌口流量隨時(shí)間變化曲線

在上游水頭為80.0 cm時(shí)，管涌流量出現(xiàn)了增加-減小-增加-減小-增加的反復(fù)過程，表明管涌險(xiǎn)情發(fā)生的臨界水頭情況下，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間砂土層顆粒結(jié)構(gòu)調(diào)整，維持了地層結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。但當(dāng)上游水頭持續(xù)增加至90.0 cm時(shí)，即模型整體平均水平水力梯度增至0.15時(shí)(垂直比降增至1.0)，管涌口流量與泥沙含量顯著增加，在10 min內(nèi)，管涌口流量由3.88 L/min驟增至135.0 L/min，增加了34.8倍，且隨著管涌通道貫通，流量進(jìn)一步增加。

圖5為管涌險(xiǎn)情發(fā)展致潰過程圖。從圖5可知，管涌險(xiǎn)情在其臨界水力梯度時(shí)，險(xiǎn)情可在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)，管涌通道在滲流力的作用下，其顆粒結(jié)構(gòu)可發(fā)生多次調(diào)整以抵抗管涌險(xiǎn)情破壞或惡化。但水力比降一旦突破其滲透破壞比降時(shí)，管涌險(xiǎn)情迅速惡化，并迅速向上游擴(kuò)展，且在極短時(shí)間內(nèi)向模型上游快速擴(kuò)張，是極危險(xiǎn)的高致潰性管涌。

圖5 管涌險(xiǎn)情致潰全過程

3.2 滲流場(chǎng)變化特征

由于模型四周由鋼筋混凝土構(gòu)成，試驗(yàn)過程中不便于觀察實(shí)時(shí)現(xiàn)象，因此主要依據(jù)模型安放的93根測(cè)壓管分析試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)管涌發(fā)生發(fā)展至破壞的臨界比降、破壞比降、流量和濁度變化來分析不同試驗(yàn)條件對(duì)管涌發(fā)展的影響。地層滲流場(chǎng)變化是控制堤防管涌險(xiǎn)情發(fā)生、發(fā)展全過程的重要外部條件，一旦滲透比降超過其臨界或破壞滲透比降，管涌險(xiǎn)情將發(fā)生。

(1) 水平方向特征。圖6為上游水頭上升過程中，模型中心斷面不同位置測(cè)點(diǎn)的壓力水頭動(dòng)態(tài)變化曲線。從圖中可知，模型測(cè)壓管水頭值隨上游水頭上升而上升，且響應(yīng)時(shí)間短，小于30 min(數(shù)據(jù)觀測(cè)頻率)，表明模型砂層的導(dǎo)水能力強(qiáng)，對(duì)上游水位響應(yīng)顯著。圖7為典型時(shí)刻模型中心斷面測(cè)壓水頭沿程變化曲線，從圖中可知，距離管涌越近，測(cè)壓線越密集，滲流越集中，C層測(cè)壓管影響最為強(qiáng)烈。圖8為模型中心斷面距離進(jìn)水端不同距離的平均水力梯度分布圖，從圖中可知，在0.0～4.2 m和7.3 m～8.3 m范圍內(nèi)，A、B和C層砂土的平均水力梯度值接近，但存在不同時(shí)刻、不同位置三個(gè)不同深度位置的水力梯度發(fā)生變化，表明模型滲流場(chǎng)為三維滲流。在管涌口附近，C層砂土層滲透比降高達(dá)0.35(負(fù)值表示管涌口下游地層水向管涌口運(yùn)動(dòng)，并排泄)，滲流場(chǎng)集中現(xiàn)象明顯。

圖6 模型中心斷面水頭隨時(shí)間變化曲線

圖7 典型時(shí)刻模型中心斷面測(cè)壓水頭沿程變化曲線

圖8 模型中心斷面水力梯度分布

(2) 垂直方向特征。圖9為典型測(cè)點(diǎn)垂直方向上測(cè)壓水頭隨時(shí)間變化曲線，從圖中可知，總體上，從下至上，測(cè)壓水頭呈遞增趨勢(shì)，隨距進(jìn)水端距離越遠(yuǎn)，水頭遞增趨勢(shì)增加越大，表明物理模型的滲流場(chǎng)方向是由上游向下游、由下向上的三位流，且在有管涌或表層無覆蓋層區(qū)域，地下水從下向上流動(dòng)更加顯著。

圖9 典型測(cè)點(diǎn)垂直方向上測(cè)壓水頭隨時(shí)間變化曲線

3.3 模型尺度對(duì)管涌影響的分析

以往大多數(shù)模型試驗(yàn)都預(yù)設(shè)了管涌口，其規(guī)模在試驗(yàn)進(jìn)程中不會(huì)變化，試驗(yàn)成果只能在一定程度上說明規(guī)律性，有的文獻(xiàn)認(rèn)為觀測(cè)到初期管涌口水頭上升。實(shí)際上，管涌口與管涌通道一樣，應(yīng)該不受模型制約而自由擴(kuò)展，管涌口的擴(kuò)大，會(huì)起到消減水頭的作用，管涌周圍一定范圍內(nèi)的水力比降有可能會(huì)降低。本模型在管涌口后留有4 m無蓋板，讓其管涌口減少制約任其擴(kuò)展，使其盡可能符合實(shí)際情況。圖10可看出在發(fā)生管涌破壞之后由于管涌口的擴(kuò)大引起了水頭的削減從而導(dǎo)致管涌口水力坡降降低，但繼續(xù)增加水頭其水力坡降迅速上升繼而破壞。本次試驗(yàn)所得破壞比降為0.17。本課題組已有研究中，劉洪晨采用小尺度模型，與本研究相同的土層分布和結(jié)構(gòu)、同樣的監(jiān)測(cè)方法，得到的破壞比降在0.10～0.15之間。兩項(xiàng)研究相對(duì)比，表明管涌破壞比降的測(cè)定存在尺度效應(yīng)，小尺度的砂槽模型試驗(yàn)測(cè)得的管涌破壞比降較小。如果在實(shí)際工程中采用小尺度模型試驗(yàn)得到的參數(shù)，可能偏于保守。

圖10 水力坡降隨上游水位的變化曲線

4 結(jié) 論

(1) 管涌發(fā)生過程中管涌口的擴(kuò)大，會(huì)起到消減水頭的作用，導(dǎo)致管涌口水力坡降降低，類似于一個(gè)沒有設(shè)置濾層的減壓井，因此管涌實(shí)際發(fā)生的破壞比降要大于傳統(tǒng)的砂槽模型所得出的數(shù)據(jù)。

(2) 本文構(gòu)建了國(guó)內(nèi)最大的堤防管涌物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，提出了可拆換式蓋板模擬系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)物理模型試驗(yàn)中，管涌口大小不能隨險(xiǎn)情發(fā)生發(fā)展而發(fā)生變化的難題。

(3) 管涌口附近滲透比降較高，明顯大于破壞比降，并且其滲流集中明顯。