管涌發生條件分析

盧詔宇

（重慶交通大學，重慶 400074）

0 引言

抗滑穩定性與滲透穩定性是大壩工程中最常見的兩大問題，研究大壩滲透破壞原因對于預防大壩失事具有重要的意義。管涌發展過程受到諸多因素的影響，是多種因素影響下的耦合過程，比如內部細顆粒含量，外部水力梯度，應力狀態等，具有很強的隨機性、隱蔽性，并且難以對其監測。根據調查結果表明，大壩因為失穩而發生滲透破壞失事的事故約占提防與大壩破壞實例總事件的一半[1]，足以見提防與大壩滲流失事的廣泛性。

研究管涌破壞問題，首要任務便是解決管涌發生的條件，包括什么樣的土體屬于管涌型土體，在何種水力條件下會發生管涌。目前眾多學者對管涌機理做了大量的研究，對管涌發生的原因及條件做了很多總結。

1 管涌發生機理過程

1.1 管涌發生過程

管涌是指土體中的可動細顆粒在滲流作用下，隨著地下水從土體粗顆粒空隙中流出土體，隨著細顆粒從粗顆粒的空隙中被帶走，土體內部形成貫通的滲透通道，從而導致土體內部失穩，造成坍塌現象。

在管涌發生之前，外水位造成的靜水壓力作用在黏土覆蓋層頂板下，上游水位與沙土層之間產生水頭，形成壓差，由于黏土覆蓋層的滲透系數比砂層小2 個數量級以上 ,砂層與黏土覆蓋層兩點間的壓差很大。上漲的外水頭引起覆蓋層底部壓力增加，當該壓力大到一定程度后，黏土覆蓋層被靜水壓力頂穿沖決，砂層中的水都涌向管涌口。土體內部的細顆粒隨之遷移，從而形成滲漏通道，最終引起提防潰決。

1.2 管涌滲透通道的形成

管涌發生后，土體中大量細顆粒隨著滲流方向向外溢出，細顆粒的流失發過來影響土克利流失部位土體的滲透系數，滲透系數逐漸增大，形成主滲漏帶。滲透系數的增加又引起涌水量的增加,造成管涌口水頭的上升，但主滲漏帶地層中的不均勻系數Cu 增大，主滲漏帶上的臨界水力梯度減小。我們分析靠近管涌臨界面的滲流情況,管涌開始時,緊靠臨界面附近地層中細顆粒的移動速度很低,當管涌發生后，管涌口水頭逐漸上升,臨界面附近地層中的水力梯度開始下降，從而造成臨界面附近的水力梯度已經達不到產生管涌所必須的臨界水力梯度。顆粒移動的臨界面開始向里收縮,該過程一直持續到某一平衡狀態為止，管涌臨界面呈收縮趨勢,最終收縮到中間一條滲透系數很大的帶狀區域，當主滲漏通道上的細顆粒基本被帶走后,在較強的水流沖刷作用下主通道兩側的細顆粒進入主通道 ，使主通道逐漸變寬，管涌持續的時間越長，通道的寬度越寬[2]。

1.3 管涌發生機理研究

隨著近些年來眾多學者對管涌發展過程的研究，出現了基于顆粒流分析程序pfc 的數值分析方法，有限元分析方法等一些新的方法，但主要的研究方式還是通過試驗研究。

如梁越[3]利用自行研制的滲透破壞試驗儀研究雙層堤基管涌發展過程，發現雙層堤基管涌破壞過程可以分為上覆層被頂破過程和下伏層內細顆粒被帶出從而造成破壞過程，上覆層在未被頂穿時承擔主要的上下游水位差，破壞后水位差主要由下伏層承擔，如果沒有及時采取措施處理，大量的細顆粒將會被滲透水流帶出土體，管涌通道規模不斷擴大。

周健[4]結合小比尺細觀模型試驗,利用并開發基于離散元理論的顆粒流程序(PFC3D),充分考慮流固耦合作用,建立滲流理論模型,對不同層間系數下砂土管涌的基料-濾層系統進行離散元數值模擬,跟蹤記錄滲流過程中砂樣運動、流失量、孔隙率、滲透系數、顆粒間接觸力、水力梯度等參數的動態變化過程,從細觀角度揭示管涌發展過程中顆粒的運動特性和濾層防治機理。

2 管涌發生條件及影響因素

在管涌滲流發展過程中，土體細顆粒從受力分析來說，受到了重力、水流拖曳力、土體顆粒間摩阻力等力的作用，但是由于滲流方向不同，重力對細顆粒運動產生的分力大小，方向不同，導致重力對細顆粒運動產生的作用也就大不相同，有可能起到阻礙或者促進運移的作用，影響到土體管涌的發生與發展。除此之外，管涌還受到諸如土體應力狀態、土顆粒級配等眾多因素的影響并具有較強的隨機性。

2.1 細顆粒含量對管涌的影響

土體顆粒按照是否發生運移分為骨架粗粒與可動細顆粒，只要土體中有可動細顆粒，則就有可能發生管涌。發生管涌現象時可動細顆粒沿著骨架顆粒間孔隙被滲透水流帶出土體。姚志雄[5]等自行設計模型槽進行垂直滲流下砂土管涌試驗，通過精細化量測手段獲取管涌發展中土體幾何、水力學參數及顆粒運動特點，研究顆粒級配對管涌發生發展的影響，揭示管涌細觀機理，他們發現管涌型砂土可動顆粒級配影響流失顆粒的最大粒徑及顆粒流失量分布。由于可動顆粒潛在移動距離不同而產生的截留、填充效應，顆粒流失量沿滲流方向總體呈減小趨勢。顆粒的流失導致土體結構疏松，土體滲透性顯著增大。這說明，由于可動細顆粒的流失，土體內部結構發生了改變。土體是否為管涌型土主要與內部可動細顆粒含量，土體內部孔隙大小等因素相關。經過多年對管涌問題的研究，對于管涌型土的判別方法，國內外學者主要總結了幾個方法，如細顆粒含量判別法、不均勻系數法等等。

2.2 水力條件對管涌的影響

除了土體內部細顆粒的含量對管涌的發生有影響外，土體外部所處的水力條件對土體有較大的影響。細顆粒發生運移的過程與其受力狀態有著密切的關系，隨著水位的增加，即水力梯度的增加，細顆粒受到的拖曳力逐漸增大，打破原本細顆粒受力平衡狀態后開始出現運移現象，此時水力梯度稱為臨界水力梯度。

劉杰[6]基于土顆粒受力平衡狀態原則，提出了臨界水力梯度計算公式：

3 結論

管涌的發生是由于土體內部細顆粒發生遷移，形成滲透通道，進而導致土體內部失穩。由以上總結分析，管涌的發生主要原因是自身內部可動細顆粒含量過多，而土體外部的水力條件如水力梯度也是導致管涌發生的重要原因。