二元堤基結構堤防管涌機理模型試驗

李火坤,王文韜,王 姣,唐義員,王萱子,胡 強,熊 威,黃 偉,朱慧琪

(1.南昌大學工程建設學院,江西 南昌 330031; 2.江西省水利科學院,江西 南昌 330029;3.江西省水工程安全工程技術中心,江西 南昌 330029)

在危害我國主要流域堤防安全的諸多險情中[1-6],管涌是分布最廣、危害最大的險情之一[7]。羅玉龍等[8-9]將管涌細分為向后侵蝕管涌和潛蝕。向后侵蝕管涌是指土顆粒在滲流作用下運移離開堤壩下游或背水側無保護的滲流出口,并逐漸形成從下游或背水側向上游或迎水側發展的集中滲漏通道的現象;潛蝕是指滲流攜帶內部不穩定土體中的細顆粒在粗顆粒的骨架孔隙中運移流失,逐漸在地基內形成局部被掏空、被充填的現象[9]。本文研究的為堤防工程基礎中最常見的向后侵蝕管涌(下文簡稱“堤基管涌”)。

堤基管涌致潰機理復雜,一直以來是國內外學者的研究重點[10-11],其中物理模型試驗是最主要的研究方法之一,根據模擬的堤基土層結構不同大致可分為單層、雙層和多層堤基管涌物理模型試驗。在單層堤基管涌試驗研究方面,劉昌軍等[12]研究了堤基管涌侵蝕過程的破壞機理;姚志雄等[13]研究了顆粒級配對管涌發展的影響;Robbins等[14-15]研究了逆向侵蝕型管涌的水平臨界水力梯度等水力條件以及管涌發展速度與滲流流速之間的關系;倪小東等[16]研究了侵蝕型管涌的發展規律以及外部因素或滲流穩定因素造成的“擾動”作用對侵蝕型管涌發展過程的影響;Vandenboer等[17]研究了臨界和超臨界水力荷載在小型管涌試驗中對管涌通道及侵蝕顆粒的影響。單層堤基管涌試驗較好地模擬了管涌土層內細顆粒的侵蝕運移過程,揭示了管涌土土體性質與管涌臨界水力條件的關系。在雙層堤基管涌試驗研究方面,毛昶熙等[18]得到了雙層堤基粉細砂層發生管涌通道時影響堤防安全的水平平均臨界水力坡降約為0.1的結論;李廣信等[19]研究了二元堤基結構的滲透破壞模式以及懸掛式防滲墻深度、堤基土密度與管涌發展之間的定量關系;劉杰等[20]研究了上下土層滲透系數比值大小對堤基滲透破壞的影響;梁越等[21]研究了剛性及柔性上覆層對堤基滲透破壞的影響;Wang等[22]研究了上覆不透水層厚度對堤基管涌發展的影響;賈愷等[23]研究了管涌通道尖端坡降對通道上溯的影響。雙層堤基管涌試驗考慮了上覆弱透水層作用,模擬了管涌通道沿強弱透水層接觸面發展的現象。在多層堤基管涌試驗研究方面,丁留謙等[24]的研究表明強透水砂礫層的存在會降低堤基管涌破壞的水平平均臨界比降;陳建生等[25-26]研究了不同堤基土層結構以及細砂層埋深對堤基管涌的發展和臨界水力梯度的影響;王霜等[27]研究了細砂層厚度對管涌臨界水力梯度、涌砂量和通道發展速度的影響。多層堤基管涌試驗對復雜堤基結構的管涌進行了更為深入的研究。

現有的管涌物理模型試驗均很好地模擬了管涌的發生及發展過程,但實際工程中具有壤土過渡層的堤基結構較為多見,如黃河流域[28]堤基土層上部弱透水層為壤土,下部強透水層為細砂和中砂,中間夾有砂壤土過渡;長江流域[29-31]堤基土層自上而下多為黏土、壤土、砂土和卵石層的上細下粗二元結構,強弱透水層間也有壤土作為過渡。因此,關于考慮過渡層的堤基管涌模型試驗還需要進一步深入研究。本文考慮堤基中壤土層的過渡作用,通過室內物理試驗模擬二元堤基結構的管涌發展全過程,分析堤基土層細粒侵蝕、結構破壞及失穩潰決等管涌破壞現象的發展趨勢及其與水力條件之間的相互聯系,揭示管涌發展及致潰的機理。

1 試驗方法

1.1 試驗裝置

試驗在一個長2.031m、寬0.32m、高2.2m的有機玻璃模型槽中進行(圖1)。模型槽上游設置一個內徑長0.19m、寬0.3m、高2.1m的水箱,用來模擬堤防上游水頭,其側壁自0.375m至頂部每隔5cm開有一個溢流孔,以維持不同高度的恒定上游試驗水頭,外設溢流水箱,內置潛水泵以實現上游水箱的水循環。模型槽中部為主體部分,內徑長1.61m、寬0.3m、高0.375m,其中上游段設有長為0.11m的首部進水段,兩端設有柵格濾板,中間填充礫石,以實現各土層試樣的全斷面均勻進水,用以模擬河床切割砂層;下游段為管涌試驗段,總長1.5m,可根據設計工況填入不同性質的土料,用于模擬堤基土層,其側邊留有20個小孔,用于布置孔隙水壓力傳感器(共布置有5列,自上游至下游分別命名為左一側位(1號、6號、11號、16號傳感器)、左二側位(2號、7號、12號、17號傳感器)、左三側位(3號、8號、13號、18號傳感器)、左四側位(4號、9號、14號、19號傳感器)、左五側位(5號、10號、15號、20號傳感器)),頂部緊靠上游設有總長1.1m的有機玻璃蓋板,蓋板兩側設有卡扣,填料完成后可將蓋板與模型槽側板固定連接,用于模擬不透水堤底;主模型槽下游區域頂端為敞開式自由邊界。模型槽下游為尾水收集段,其上部為鋪有過濾網的滲流逸出顆粒收集盒,用于過濾和收集試驗尾水中的固體顆粒;下部為設有三角堰的水箱,用于計算滲流量。

圖1 試驗模型槽示意圖(單位：mm)

1.2 試驗材料

為模擬實際工程中的二元堤基結構,試驗共用4種土料,自下而上分別為砂礫石、砂、壤土和黏土。砂礫石層由粒徑2～20mm的石子(其中粒徑5～10mm的石子占81.87%)作為骨架顆粒,采用粒徑小于2mm的河砂作為填充顆粒。砂層采用粒徑小于1mm的河砂。壤土層采用砂壤土,其砂粒含量為69.46%。黏土層采用粉質黏土。砂礫石、砂和壤土層的級配曲線見圖2,各土層的物理力學性質見表1和表2。

表1 強透水層土料物理力學性質

表2 弱透水層土料物理力學性質

圖2 砂礫石、砂及壤土級配曲線

1.3 試驗步驟

步驟1孔隙水壓力傳感器布設。在模型槽的右側板預留孔上安裝孔隙水壓力傳感器,傳感器與預留孔間用玻璃膠密封,每層堤基土層自上游至下游各布置5枚,除砂礫石層中傳感器布置在靠近砂層分層處外,其他層中布置在各土層的中部。詳細布置及傳感器編號如圖1所示。

步驟2土料鋪填。鋪填方式為分層鋪填密實,首先將自然風干的砂礫石稱重后分層鋪填至模型槽中,并按預設的孔隙率將鋪填后的砂礫石進行壓實。再將風干后的砂按預設的孔隙率一次性鋪填并壓實至設計高程。壤土和黏土在鋪填前先將含水率分別提高至12%和20%,然后再按照預設孔隙率進行鋪填壓實。在黏土層縱向軸線距離模型槽蓋板35cm處設置直徑為5cm的球面坑,坑底直達黏土層底部,以模擬實際工程中堤后上覆層薄弱區域。各組試驗土層鋪填厚度如表3所示。

表3 各組試驗土層鋪填厚度及傳感器埋深

步驟3飽和土料。向上游水箱內緩慢注水至與黏土層頂部齊平,使土樣充分飽和。

步驟4確定初始上游水頭。試驗采用初始上游水頭為0.1m,之后逐級提高水位。

步驟5開始試驗。連續提升上游水位至初始水位,即0.475m(高于土樣頂部0.1m),觀察管涌口滲水情況,待滲出水流清澈后再逐級提高上游水頭,每級水頭提升5cm。

步驟6試驗記錄。記錄各個滲流發展節點的時間。每隔約1min讀取一次滲流量。

步驟7結束試驗。待集中滲漏通道形成后停止供水,觀察并記錄管涌通道橫向發展情況后即可結束本組試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 堤基管涌發展過程

根據模型試驗觀測,可將堤基管涌的發展分為表面裂縫發展、潛層破壞、上覆層破壞、管涌通道上溯、堤基破壞、堤防潰決6個階段。

2.1.1工況1

a.裂縫發展階段(上游水位為0.475～<0.525m)。該階段堤后自由邊界區域上覆層在滲流的頂托作用下逐漸向上隆起張拉產生表面裂縫,并逐步發展形成泡泉,滲水清澈(圖3(a))。

圖3 工況1堤基管涌發展過程

b.潛層破壞階段(上游水位為0.525～<0.625m)。該階段堤后自由邊界區域的泡泉進一步發展,發生滲水攜砂現象,上部土層持續向上隆起導致砂層內形成層內通道,隨后在砂層與砂礫石層交界處出現潛層砂沸(圖3(b))。

c.上覆層破壞階段(上游水位為0.625～<0.725m)。該階段潛層砂沸不斷向上發展形成貫穿砂層的豎向涌水通道,同時在預留球形坑下游邊緣出現表面砂沸,砂層和壤土層的細顆粒隨管涌口滲流涌出表面,堆積在坑周圍呈圍井狀,多處裂縫和泡泉眼出現不同程度的涌水攜砂形成管涌群(圖3(c))。

d.管涌通道上溯階段(上游水位為0.725～<0.875m)。該階段表面砂沸口逐漸淤堵并形成新的管涌口,管涌群各出口涌水愈發劇烈,上覆黏土層隆起加劇,表面裂縫向堤基蔓延,并在堤腳出現泡泉(圖3(d))。

e.堤基破壞階段(上游水位為0.875～<1.025m)。該階段潛層砂沸向上貫穿地表演變成表面砂沸,堤基出現橫向裂縫且持續向兩側延伸,堤腳處土體大幅度隆起產生較大裂隙,大量渾水涌出(圖3(e))。

f.堤防潰決階段(上游水位達到1.025m后)。該階段堤腳出現豎向管涌通道,堤腳下游黏土層整體被掀起,涌水量巨大,同時堤基黏土層不斷向上游坍塌直至堤基土層完全破壞,試驗結束(圖3(f))。

2.1.2工況2

a.裂縫發展階段(上游水位為0.475～<0.575m)。該階段堤后自由邊界區域上覆層緩慢隆起形成表面裂縫和泡泉(圖4(a))。

圖4 工況2堤基管涌發展過程

b.潛層破壞階段(上游水位為0.575～<0.625m)。該階段隨著上部土層向上隆起而在砂層與壤土層間產生層間涌水通道,且迅速向上發展貫穿表面形成滲水攜砂現象。失去上覆層約束的砂層產生潛層砂沸(圖4(b))。

c.上覆層破壞階段(上游水位為0.625～<0.675m)。該階段管涌口涌水劇烈并產生表面砂沸,隨著管涌通道的橫向發展,管涌口也向相同的方向發展,即舊管涌口淤堵而沿管涌通道發展方向形成新的管涌口(圖4(c))。

d.管涌通道上溯階段(上游水位為0.675～<0.925m)。該階段管涌通道開始向上游發展,且表面管涌口也隨著通道的上溯而向上游移動(圖4(d))。

e.堤基破壞階段(上游水位為0.925～<1.025m)。該階段隨著管涌通道的上溯,堤腳黏土層不斷開裂坍塌而形成巨大涌水出口,同時堤基產生裂縫并迅速拓寬延伸(圖4(e))。

f.堤基塌陷潰決階段(上游水位達到1.025m后)。該階段管涌通道快速向上發展徹底貫通上下游,下游堤腳管涌口涌水呈噴射狀,堤基黏土向下塌陷,試驗結束(圖4(f))。

2.1.3工況3

該工況試驗的堤基結構未設置壤土層,其管涌發展過程與堤基設置了壤土層的前兩個工況的試驗有所不同,堤腳和堤基的破壞時序提前了。

a.裂縫發展階段(上游水位為0.475～<0.575m)。該階段堤后自由邊界區域上覆層隆起緩慢,先在堤腳處出現泡泉,隨后黏土層被拉裂產生表面裂縫(圖5(a))。

圖5 工況3堤基管涌發展過程

b.潛層破壞階段(上游水位為0.575～<0.725m)。該階段砂層內逐漸形成層內水平通道后產生潛層砂沸,細砂顆粒也開始被滲流帶出表面(圖5(b))。

c.堤基破壞和管涌通道上溯階段(上游水位為0.725～<0.825m)。相較于前兩個工況的試驗,工況3的堤基破壞階段和管涌通道上溯階段同時發生,且先于上覆層破壞階段。該階段堤基開始產生裂縫,管涌通道開始向上游發展,并在堤腳砂層處形成了層內涌水通道(圖5(c)(d))。

d.上覆層破壞階段(上游水位為0.825m～<0.925m)。潛層砂沸向上貫通發展成為表面砂沸,而管涌通道的上溯變得緩慢(圖5(e))。

e.堤基塌陷潰決階段(上游水位為0.925m～<1.175m)。該階段隨著上游水位不斷提高,管涌通道繼續向上游發展,堤腳處上覆層逐步失穩,導致堤基黏土層開始坍塌,在堤腳處形成較大的管涌出口,隨后管涌通道持續上溯直至貫通(圖5(f))。

2.2 潛層砂沸機理分析

根據多孔介質流體動力學理論[32],飽和滲流場內的多孔介質除了受到重力F1、浮托力F2以外,還受到滲流力F3的作用。F3可表示為

F3=nγwJ

(1)

式中：n為土體的孔隙率;γw為水的容重;J為水力坡降。

李廣信[33]指出,滲流力不僅包括滲流在土體顆?？障吨辛鲃赢a生的切力,還應包括滲流對土體顆粒的推力,則滲流力應修正為

F3=γwJ

(2)

則本試驗中飽和滲流場內的土體在豎直方向受到的合力F為

(3)

式中：J*為砂礫石層以上土層的豎向平均坡降;V為黏土層、壤土層、砂層的總體積;γi、ni、Vi分別為土層i(i= 1,2,3,分別代表黏土、壤土和砂)的容重、孔隙率、體積。

圖6 上部土層豎向平均坡降曲線

2.3 管涌臨界水力條件分析

2.3.1水平向水力坡降分析

不同工況下各管涌發展節點的水平向平均水力坡降如表4所示(正值表示坡降方向由上游指向下游),其中滲水攜砂是發生管涌的標志,堤腳出現泡泉、堤基沉降開裂是標志堤基發生破壞的關鍵節點。

表4 不同工況下各管涌發展節點的水平向平均水力坡降

對比工況1和工況3可知,在堤基設置壤土層后管涌發生時的臨界上游水位以及砂層的臨界水平坡降都有明顯下降。其中臨界上游水位的下降是由于堤基未設置壤土層時,滲流能夠通過滲透性更強的砂層從預留球形坑中排出地面,使得堤基中豎向滲透壓力更容易釋放所致;而臨界水平坡降的下降,除受相應節點上游水位降低的因素影響外,主要是由于壤土層的存在分擔了一部分水平方向滲透壓力所致。這兩組數據的對比在試驗過程中表現為設置了壤土層的堤基的堤后自由邊界區域更易發生管涌破壞,且破壞現象更為劇烈,這也導致了壤土層和砂層內滲透壓力的釋放,使設置了壤土層后堤基發生破壞的臨界上游水位和砂層的臨界水平坡降均有大幅提高。

對比設置了壤土層的工況1和工況2可以發現,增加壤土層厚度前,壤土層和砂層的水平坡降較為接近,而增加壤土層厚度后,砂層的水平坡降比壤土層高出約0.1,且比工況1砂層水平坡降高出0.04～0.12,說明增加壤土層的厚度可以提高砂層水平方向的臨界坡降,并使水平方向的侵蝕更加集中于砂層中。增加壤土層厚度后,堤基發生破壞的臨界上游水位和砂層的臨界水平坡降明顯提高,說明壤土層厚度的增加對管涌通道的上溯有延緩作用。

2.3.2豎向水力坡降分析

不同工況下壤土層和砂層各管涌發展節點的豎向平均水力坡降如表5所示(正值表示坡降方向由土層底部指向表面)。工況1和工況2各管涌發展節點的壤土層豎向平均坡降基本為負值,這是由于發生管涌后,豎向管涌通道由地表貫通至砂層,壤土層內的滲流涌向滲透性更強的砂層所致;工況2壤土層豎向平均坡降的絕對值明顯高于工況1,說明增加壤土層厚度會導致滲流向砂層集中,使堤基內部的滲透壓力集中由砂層承擔。

表5 不同工況下各管涌發展節點的豎向平均水力坡降

對比工況1和工況3砂層的豎向平均坡降可知,設置壤土層的堤基發生管涌時砂層的臨界豎向平均坡降略微下降,但壤土層的存在可大幅提高堤基發生破壞時砂層的臨界豎向平均坡降。對比工況1和工況2砂層的豎向平均坡降可知,增加壤土層厚度致使發生管涌和堤基發生破壞時砂層的臨界豎向平均坡降均大幅提高。因此,結合前文水平向水力坡降和各發展節點臨界上游水位的分析以及試驗現象觀測可知,壤土層的存在可以提高堤基發生破壞的臨界水力條件,對堤防具有保護作用。

2.4 管涌通道發展分析

根據3個工況試驗結果可以看出,管涌通道的發展大致分為以下3個階段：

a.橫向發展階段：主要為管涌通道發展至左五測位前的階段。工況1和工況2在這一階段表現為管涌通道發生在堤后區域的砂層,上溯發展緩慢且以水平橫向發展為主,伴有潛層砂沸發生,并在上覆層薄弱處向上豎向貫通擊穿表土形成表面砂沸。這是因為局部水平坡降低于層內豎向坡降(圖7,圖中A、B、C、D、E代表管涌通道發展到的斷面位置,分別為左五測位、左四測位、左三測位、左二測位、左一測位)。而工況3在這一階段局部水平和層內豎向坡降較為接近,其通道的橫向發展現象并不明顯。

圖7 左五測位砂層層內豎向和水平坡降

b.緩慢上溯階段：主要為管涌通道從左五測位發展至左四測位的階段。進入這一階段,局部水平坡降開始高于層內坡降(圖7),這也導致了管涌通道開始縱向上溯,但發展緩慢,從左五測位發展至左四測位過程中要經歷較長的相對穩定期,這是由于堤后區域沒有上部堤防的約束,使得土層內的滲透壓力能夠通過豎向通道釋放所致。

c.快速上溯階段：主要為管涌通道從左四測位向上發展直至貫通上下游的階段。當管涌通道發展至堤基底部后,由于堤防的制約,表面管涌口隨下部管涌通道發展至堤腳后無法繼續上移,導致通道內的滲透壓力難以豎向釋放,通道頂端承受了幾乎所有的滲透壓力,并且隨著通道與上游間距不斷減小而使滲徑迅速減小,通道上溯速度快速增長。由于各個工況試驗上游水位提升速度不同,各級水位持續時間不同,因此在進行管涌通道上溯速度的對比時需要消除水位上升的影響,按式(4)計算后得到3個工況試驗管涌通道上溯平均速率隨時間變化曲線(圖8)。由圖8可知,工況1和工況2的管涌通道發展表現為進入堤基后加速向上貫通,這與前述提到的受堤防約束導致豎向滲透壓力難以釋放相吻合;相較于工況1,工況2的管涌通道從開始上溯至發展進入堤基區域的時間間隔更長,說明增加壤土層厚度能夠延緩管涌通道的上溯。而未設置壤土層的工況3的管涌通道在進入堤基后還經歷了一個相對穩定的階段,并未快速向上發展,這是由于沒有壤土層的束縛,砂層內的滲流能夠更順暢地排出地面所致。

圖8 消除水位上升影響的管涌通道上溯平均速率

(4)

通過對比堤基內形成的管涌通道(圖9和表6)可知,3種工況下所形成的通道形狀較為相似,呈現出兩邊寬、中間窄、上游深、下游淺的形狀,通道位置均處于易侵蝕土層(壤土層和砂層)內且均靠近布設了傳感器的模型槽邊壁側,這是由于傳感器表面與土體接觸面阻力較小而存在局部薄弱區域所致。對比堤基管涌通道的體積可知,工況3明顯低于工況1和工況2,這是由于管涌侵蝕的主要為砂層和壤土層,工況3的可侵蝕層厚度小于工況1和工況2。

表6 管涌通道侵蝕范圍

圖9 管涌通道示意圖

2.5 滲流量增長率分析

對比3個工況試驗滲流量增長率(圖10)發現,未設置壤土層的工況3滲流量增長率明顯低于其他兩個工況,且長期維持在較低水平,至堤腳土體整體失穩形成巨大涌水通道后才急速上升。這與第2.3節所述未設置壤土層時砂層內滲透壓力更易釋放,堤后自由邊界區域破壞較小相吻合。

圖10 滲流量增長率對比圖

設置了壤土層的兩個工況在管涌發展初期,管涌通道以橫向發展和豎向貫通為主,增加壤土層厚度提高了整體的豎向抗侵蝕性,并對管涌初期滲流量增長有明顯的抑制作用。而在管涌通道上溯階段前后,工況2的滲流量增長率開始超過工況1,這是由于工況2的可侵蝕層(砂層、壤土層)的厚度更大所致(de2=10cm,de1=6.6cm,其中de1、de2分別為工況1、2的可侵蝕層厚度),說明在二元堤基結構管涌中,壤土層厚度的增加可以延緩管涌通道的上溯;但管涌通道進入上溯階段后,在較大的水平方向水力坡降作用下,較厚的可侵蝕層有利于管涌通道的拓展,致使管涌通道上溯速度加快。

3 結 論

a.上覆土層在滲流的頂托作用下向上隆起并在堤基內部產生層間水平通道,導致發生潛層砂沸,最終向上發展為表面砂沸的滲透破壞。二元堤基結構管涌發展可分為裂縫發展、潛層破壞、上覆層破壞、管涌通道上溯、堤基破壞和堤基潰決6個發展階段。

b.堤基管涌是從上部土體在滲流的作用下被頂起,并在堤基土層內部出現水平管涌通道進而形成潛層砂沸開始的,而表面砂沸則是由潛層砂沸發展而來。土層內豎向坡降的變化是造成潛層砂沸的主要因素,豎向坡降所引起的滲流力大于土體的浮容重時會引發上部土體的失穩,為潛層砂沸創造條件。在滲透性自上而下逐層增大的二元堤基結構中,發生上部土體失穩的臨界豎向坡降值處于0.9～1之間。

c.堤基中的壤土層雖會一定程度增加堤后自由邊界區域管涌群的發展速度,但壤土層的存在可以延緩管涌通道的上溯,使管涌發展前期的滲透破壞集中在堤后自由邊界區域,對堤基具有保護作用,并為堤基管涌的應急搶險提供更為充裕的時間。