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堤基管涌破坏特性研究进展

2014-01-30姚秋玲丁留谦刘昌军杨晓东

关键词:模型试验水头防渗墙

姚秋玲,丁留谦,刘昌军,杨晓东

(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)

堤基管涌破坏特性研究进展

姚秋玲1,2,丁留谦1,2,刘昌军1,2,杨晓东1

(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)

堤基管涌是汛期堤防工程中常见的一种渗透变形现象,严重影响堤防工程和堤防保护区内生命财产安全。堤基管涌因其隐蔽性、危害性、复杂性和难以预测性,其发展机理和破坏特性的研究一直是国内外研究的热点和难点。通过对国内外相关研究进展进行总结,从经验方法、数学模型、物理模型试验和数值模拟这四类主要研究方法分别评述了现有的研究成果。在此基础上,根据管涌研究水平的现状和管涌防治工作的需求,提出未来研究的几个方向。

堤基管涌;模型试验;数学模型;数值模拟;研究进展

1 研究背景

堤基管涌指汛期堤防内外水头差作用下,由渗透水流引起的在砂性透水堤基内部形成管状渗流通道的现象,其过程涵盖隆起、管涌、流土等多种渗透变形。堤防抢险中通常也称作泡泉、泉涌、翻砂鼓水等。通常管涌由下游渗流出口处开始出现砂沸、携砂出流现象,逐渐沿堤基砂层与堤身底部或堤基表土覆盖层接触面向上游回溯发展,逐渐形成形似管状的渗流通道,并由通道向下游渗流出口处输砂。当达到一定水头时,管涌通道持续向上游发展,最终与上游水体连通导致堤防溃决。

根据1998年中国长江、嫩江、松花江特大洪水期间险情统计资料分析,长江中下游干堤堤基管涌占较大险情总数的52.4%,居各类险情之首,且7处溃堤有5处由管涌导致[1],嫩江、松花江也多处出现管涌险情并导致溃堤。笔者2010年汛后赴江西抚河唱凯堤调研发现,唱凯堤溃口附近堤防多处出现砂沸、管涌险情。2013年黑龙江流域大洪水期间,黑龙江沿岸干堤出现大量的堤基管涌险情。国外,荷兰历史上多次溃堤因管涌导致,1993至1995年洪水期间,沿莱茵河等主要河流有180多处管涌险情[2]。美国密西西比河在1993年洪水期间,约5%的堤防发生了管涌险情[3]。卡特里娜飓风导致的新奥尔良堤防溃决在很大程度上也因管涌引起[4]。这些管涌险情大部分因为抢险及时或者洪水位消退没有造成失事,但由于汛期堤基管涌频发,管涌查险、抢险需耗费巨大的人力、物力和财力。由于堤基管涌通道在堤基内部,其发展趋势很难用肉眼观察,在汛期危急时刻很难快速判定其危害程度大小。堤防抢险和除险加固的实践表明,堤基管涌是堤防工程中最普遍且难以治愈的心腹之患[5],是多国堤防工程中最普遍也最严重的问题之一,严重威胁堤防本身及堤防保护区内人民生命财产安全。

由于堤基管涌具有频发性、普遍性、复杂性、难以预测性和高危害性,多年来堤基管涌发展机理一直是相关研究领域的热点问题。研究方法主要集中在经验方法、数学模型、物理模型试验和数值模拟等四大类。

2 堤基管涌破坏特性研究进展

2.1 经验方法对于堤基管涌的研究,最初主要是采用管涌事件调研统计的方法,来确定堤基管涌破坏的临界水头。

Bligh[6]对发生在印度的一些由于管涌造成溃决破坏的闸坝工程进行了现场调研,在此基础上提出了经验公式,可用于计算管涌破坏临界水力比降,并针对不同类型的堤基土体给出了经验值,其中渗径长度为水平与垂直渗径长度之和。Lane[7]调查了美国的278座闸坝工程,其中有150座闸坝受管涌影响而导致破坏,通过分析考虑垂直方向的水流运动和孔隙介质的各向异性,对Bligh经验公式考虑的渗径提出了不同意见,发展了Bligh计算模型,提出加权渗径系数的概念,为确定渗径系数,提出了经验公式和经验值。Chugaev[8]在调查前苏联174座闸坝的基础上,又对莱因法进行了修正,提出了透水地基上临界总水头的经验值。

上述经验方法(渗径系数方法)基于统计调查分析得出,由于样本数量有限,无法考虑各种土体、各类建筑物的所有特性,带有很强的经验性,应用这些方法确定总临界水头可能导致结果相差很大。而且由于这几种方法在分析地基土层性质时,仅考虑了地基表层土的特性,因此仅适用于单层均质地基,对双层、三层、多层以及其他复杂透水堤基的管涌破坏情况,已经超出了它们的传统适用范围。

2.2 数学模型随着科学技术的发展,一些学者开始试图建立管涌发展数学模型,以此作为Bligh和 Lane经验公式的理论基础。

Terzaghi[9]基于土体中垂直向受力平衡分析,提出了发生隆起破坏(即本文研究的堤基管涌开始发生时的破坏现象)的临界水力比降计算公式。但该公式只能用来判断管涌刚开始发生时隆起破坏的临界水力比降,不能用于管涌发展过程分析以及管涌破坏临界水力比降的分析。Terzaghi和Peck[10]讨论了由隆起导致的管涌。

Sellmeijer等[11-15]分析了地下水达西渗流场方程、管涌侵蚀沟槽的层流方程以及沟槽中砂粒所受的水流牵引力与砂粒间滚动摩擦力之间的平衡方程,结合二维有限元数值分析,给出了单层均质砂性透水地基上临界水头的理论公式,并指出当管涌通道边缘的颗粒处于极限平衡状态时,管涌侵蚀不再发展而保持稳定。通过大量的模型试验结果对其进行验证分析发现,仅有部分试验结果与该理论公式相吻合。

Ojha、Singh等[16-17]认为不能将Sellmeijer公式作为Bligh模型的理论基础,并基于达西模型、Ber⁃nouli方程以及临界牵引力条件,采用水流流经多孔介质的Carman-Kozeny水头损失模型,建立了确定临界水头的公式。

基于泥沙沉积运送临界速度公式,Ojha等[18]又提出另一个建立临界水头的公式,通过适当的转换,该公式的结果与Bligh的经验公式相符合。

Thevanayagam等[19]采用毛管水流模型,在上述Ojha等提出公式的基础上,由Poiseuille方程给出了管涌通道中的流速Vc,得到临界水头表达式。

曹敦履[20]用随机理论来描述管涌通道端点的运动,建立了渗流管涌的随机模型,根据该模型可以估计管涌破坏的概率和土体的渗流稳定性,并得出重要结论:渗流破坏不仅与相对渗径有关,还与绝对渗径有关。

由于管涌机理的复杂性,上述数学模型在建立过程中,都进行了不同程度的简化分析和假设处理,很难完全考虑影响管涌发展的各个参数和真实反映管涌的实际发生发展机理,有些模型甚至没有考虑到管涌发展的整个过程,仅仅分析管涌过程的初始阶段,因此这些数学模型很难直接应用。另外这些基于力学分析建立的数学模型都是在二维水流条件下得到的,而实际工程中管涌的发生与发展是三维渗流场作用的结果,无法反映客观物理过程。

2.3 物理模型试验相对经验方法和数学模型方法,采用物理模型试验方法研究堤基管涌发生发展的机理,是一种很直观且较能真实反映实际发展过程的方法。由于堤基管涌发展过程复杂,目前还很难有一种标准的模型试验设备来模拟管涌现象。近年来多国学者们根据各自研究目的需要采用不同的模型设备开展了大量的模型试验研究。这些模型试验的目的主要在于揭示管涌发生发展并导致破坏的过程和机理,为堤防工程设计、除险加固和安全评价工作提供基础支撑。试验设备大多为封闭模型槽内装入透水砂样,用不透水板(大多为透明玻璃板)覆盖在砂样上模拟堤身或堤基表层不透水层,主要模拟砂性堤基在水平渗透水力比降作用下发生的管涌现象,试验主要获取临界总水头、临界总水平平均水力比降、总水头和总渗流量过程曲线、管涌发生发展的时间、管涌口出砂量、管涌通道随时间的尺寸和形状发展过程等参数。其区别主要体现在模型尺寸、砂样物理性质、堤基结构、上游进水和渗流出口模拟方式、装样方法、测量手段等方面。

Miesel等[21]采用上覆玻璃板上开孔并插入导管使砂样逸出的方法模拟管涌出口进行模型试验,分析了管涌出口孔径大小对管涌发展过程的影响。试验结果表明,孔径很小(<2.65 mm)时,仅有渗透水流从孔口流出并伴有导管内砂样液化,没有砂样从孔口流出。随着孔径增大,首先是管涌孔内砂样液化,逐渐充满砂样,随着砂粒涌出孔口,管涌通道的发展达到平衡状态而暂停发展。此时需要继续施加水头,才会重复上述液化、导管内充满砂样、砂样流出、再平衡的过程。继续提高水头,管涌终将达到临界状态持续向上游发展。随着孔径增大,管涌发生(孔口处砂样液化)的临界水头略有增加,管涌破坏的临界水头也略有增加。因此表明管涌出口孔径大小对管涌破坏临界水头影响不大。当管涌出口孔径较大(>13 mm)时,孔口处砂样发生液化所需的水头较高,水头提高至较高时水头导管内才会充满液化的砂粒,因此一旦导管内充满砂粒并开始流出时,此时水头已经足够大,砂粒会不断流出,不再出现平衡的现象,而是管涌通道持续向上游发展达到临界状态。

Müller[22-23]采用细砂、中砂、两种粗砂共计4种不同的砂样,对均质地基、双层堤基(上部细砂,下部粗砂)、以及多层堤基(细、粗砂层互相交错)这3种不同的堤基结构类型进行了一系列管涌模型试验,得到了不同砂层和不同堤基结构情况下管涌破坏的临界水力比降。结果表明,随着细砂层厚度的增加,管涌破坏的临界水力比降也增加。并指出,不同的堤基结构类型,管涌通道的几何形状和管涌发展的临界比降也会不同。均质堤基管涌通道横断面类似梯形,且通道的深度几乎保持不变,双层以及多层堤基的临界比降较均质堤基要小,并且发现,管涌通道并非随着长度的增加而以管状形式扩展,而是保持深度不变,沿水平方向发展。管涌通道发展至渗径长度的1/3~1/2时,就会持续向上游发展,不再停止。

W IT等[24]试验发现,管涌口孔径较小时,在砂沸(液化)阶段且不继续提高水头的情况下可以达到平衡状态,但管涌口孔径较大(4 mm)时,一旦砂样流出管涌孔口,管涌就会持续向上游发展,这与Miesel[21]试验现象一致。另外,管涌出口为平面裸露出口和沟渠出口的情况下,在管涌向上游发展阶段,试验过程也出现了平衡状态。

Weijers等[15]通过大量试验得到了单一砂层堤基管涌破坏的临界水力比降,研究了管涌发展的机理,同时采用砂模型的渗径长度和厚度的比值为常数的两个几何尺寸的模型进行了试验,得到了管涌破坏临界水力比降与尺寸的关系,初步研究了模型尺寸效应对试验结果的影响,但没有考虑模型宽度对试验的影响。

Silvis[25]采用大尺寸模型模拟了沟渠出口情况的管涌过程,且采用砂样上游水平段裸露进水的方式。试验渗径长度分别为6 m、9m和12 m,砂样厚度6 m。试验过程中出现了多条同时向上游发展的管涌通道,试验详细描述了管涌通道长度随水头增加而向上游扩展的过程,并明显观察到管涌发展过程中重复出现的平衡状态。通过不同渗径长度的试验,验证了渗径长度对临界水力比降影响较小的理论,尤其是渗径长度大于砂层厚度时,这种影响更小。

Schmertmann[26]采用10种不同的砂样,做了37组模型试验,结果表明,管涌通道末端的有效应力以及垂直渗流比降决定了管涌是否继续发展,管涌破坏的临界水力比降受土体的不均匀系数的影响,通道中的冲刷速度远大于管涌向上游发展的速度,同时给出了管涌破坏的临界水力比降。

Kohno[27]对一维垂直管涌以及二维水平向和竖直向管涌进行了试验研究,得到了不同砂(土)样管涌破坏的临界水力坡降和破坏模式。

王理芬[28]针对荆江大堤管涌进行了砂槽模型试验,得到了管涌破坏的临界水力比降,并提出管涌发生并不一定是管涌破坏的概念,同时采用可靠性分析方法建议了荆江大堤的保护范围。

张家发[29]通过模型试验研究了悬挂式防渗墙对渗透变形扩展过程的控制作用,表明悬挂式防渗墙对渗透变形的发生条件影响很小,但对渗透变形的扩展及模型破坏的条件影响显著,悬挂式防渗墙深入堤基中一定深度有利于堤防的安全。

毛昶熙[30-32]采用模型试验,给出了不同砂层和不同试验条件下管涌破坏的临界水力比降,同时采用有限元方法给出了管涌情况下渗流场的水头分布,提出了无害管涌的概念并建议了管涌的危害范围。另外,对悬挂式防渗墙控制管涌发展的效果进行了物模试验,得出了与张家发同样的结论。

丁留谦等[33-34]、姚秋玲等[35]、周晓杰等[36]分别采用堤后砂层裸露、堤后砂层封闭但预留管涌孔出流的方法对单层、双层、三层堤基情况进行了多方案的试验研究,试验观察到了与上述研究者发现的类似现象,即在一定水头条件下,管涌发展过程中会达到一个平衡状态;得出了不同堤基结构情况下管涌破坏的临界水力比降;对三层堤基管涌破坏的机理和特点则有新的发现。另外,对悬挂式防渗墙控制双层堤基管涌发展的效果进行了物模试验,除得到与张家发和毛昶熙相同的结论外,对防渗墙的合理位置又提出了新的研究成果。在物模试验的基础上,提出了允许堤内发生管涌但控制管涌通道离内堤脚一定距离从而保证堤防安全的新的控制原则和标准,并根据水力比降与管涌通道长度的关系对盖重合理宽度和管涌抢险的合理范围提出了初步的建议,同时提出了悬挂式防渗墙的设计新理念和相应的设计方法。

周健等[37]利用数码可视化跟踪技术、计算机信息实时处理技术和土体变形无标点量测技术,从细观层面上对不同层间系数的宽级配基料-滤层系统进行了渗透模型试验。从细观角度分析了不同层间系数的砂样在渗流过程中的水力特性、颗粒运动特点和系统破坏特征,研究了滤层的特性和管涌型土自滤自稳定的细观机理。其研究的是垂直方向的管涌,是堤基管涌发展过程的一小阶段,不能完全解释堤基管涌发展的过程。

Beek等[38-43]对各种不同砂样组成的单一堤基,采用斜坡式渗流出口的方法,分别进行小比尺、中型比尺、原型试验、离心机模型试验,对砂样的性质、模型尺寸等对管涌破坏临界水头的影响进行了深入研究,通过对试验结果进行多变量回归分析,对Sellmeijer模型提出了修订建议,认为应增大密实度对临界水头的影响,而减弱d70对临界水头的影响。在这些试验过程中,管涌一旦开始就无法停止,持续向上游发展。

王保田等[44]采用模型试验方法研究了双层堤基渗透变形与水位和渗流梯度等的关系,并研究了悬挂式防渗墙的类型、位置、深度以及河床切入透水性地层深度等对控制堤基发生渗透变形影响,得出了与丁留谦等相似的结论。

张挺等[45]通过砂槽模型试验研究,分析覆盖层模拟方式、压盖重量、悬挂式防渗墙、渗流出口型式等工程因素对渗流破坏的影响,研究表明覆盖层的模拟方式对渗流破坏坡降有较大影响;压盖重量增加可以提高渗流破坏的临界坡降;渗流出口进行反滤处理后防渗能力有很大提高。

梁越等[46]对双层堤基管涌发生发展过程进行了试验模拟,并研究了在多次渗透破坏作用下,地层抵抗渗透破坏能力的变化。

姚秋玲等[47-49]通过均质单层透水砂基的管涌模型试验,发现了管涌通道一旦形成就不再停止、持续向上游发展直至管涌贯通的现象;采用模型试验和数值模拟相结合的方法,分析了管涌过程中通道形成与发展所需的水头以及管涌通道前端水力比降的变化趋势,揭示了管涌通道形成后暂停发展的“自愈”现象和通道一旦形成就不停止直至管涌破坏这两种不同破坏模式的机理;进行了不同宽度和不同厚度的系列模型试验和数值模拟,对堤基管涌模型试验的尺寸效应进行了大量的研究,结果表明尺寸效应显著,建议了顺堤向模型宽度的合理取值;将显微摄像技术应用于管涌模型试验,观察到不同粒径的颗粒在相应水头下的起动流失的过程,验证和解释了堤基管涌发生发展的机理。

罗玉龙等[50-51]研制了渗流-侵蚀-应力耦合管涌试验装置,研究了应力状态对悬挂式防渗墙砂砾石地基管涌临界渗透比降的影响,得出围压越大管涌临界渗透比降越大的结论。罗玉龙等[52]还采用上述试验装置对长时间高水头下的渗透侵蚀进行了试验研究。

Chang等[53]也试验研究了渗透侵蚀的起动和发展以及应力状态对临界水力比降的影响,认为当应力状态接近破坏时压应力条件下的起动比降随着剪应力比先增大后减小;孔隙率相同时,围压状态下的起动和骨架变形水力比降最大。

物理模型试验方法相对其他方法更直观、且较能真实模拟堤基管涌的发展过程,通过上述试验研究成果,基本上在管涌现象的认识上获得了较为一致的结论。但由于物理模型试验受尺寸效应、模拟方法、砂样性质等影响,因此很难获得一致的定量参数,比如临界水头值的确定,且目前还未能通过试验方法,获得判断临界水头的标准方法。

2.4 数值模拟由于模型试验受试验条件和尺寸影响,随着计算机技术的发展,越来越多的学者采用数值模拟的方法来研究管涌。

曹敦履等[54]在随机模型的基础上,采用Monte-Carlo法来模拟渗流管涌的发生和发展。随机模拟的结果能很好地与实验室试验结果相验证。

Weijers等[15]将管涌区域与非管涌区域分开,管涌区域按平行板狭槽流考虑,通过管壁颗粒的受力极限平衡与渗流连续条件将这两个区域联系起来,进行二维有限元分析计算,得出了简单几何边界条件下管涌临界破坏条件的经验公式。

朱伟[55]结合日本阿武隈川地基渗漏防治工程中所遇到的问题,应用有限元饱和-非饱和渗流解析,对地基渗透破坏机理及其影响因素作了分析和讨论。

殷建华[56]采用有限元方法与饱和稳定渗流模型,计算研究了受管涌区域长度、渗透特性的影响机理。该方法将各种长度的管涌区作为稳定状态考虑,对管涌扩展的模拟未能完全切合实际过程。

陈建生等[57]对堤防渗流管涌发生后产生集中渗漏通道的机理进行了分析探讨,在管涌发生初期采用井流理论模拟河水向管涌口补给时地下水的流场情况,确定管涌开始发生时的范围以及逐步的发展过程,根据管涌的临界水力梯度,通过模型可以求出管涌初期的临界面。管涌初期涌砂区的范围较大,由于管涌离堤坝最近的地层中的水力梯度最大,被带走的砂也最多,涌水量增加而水力梯度减小,造成接近管涌初期临界面附近的水力梯度达不到地层颗粒移动的临界水力梯度,造成临界面向里缩小,最终形成了集中渗漏带。

张家发等[58]也采用了扩大渗透系数方法对管涌发生、发展进行了数值模拟。

毛昶熙等[59-60]采用井流理论对管涌进行了数值分析。

周晓杰等[61]采用无网格伽辽金法(element free Galerkinmethod,EFG)对二维管涌动态发展进行了数值模拟研究。

丁留谦等[62-63]用统一计算模式实现了管涌破坏区与非管涌区域流场的耦合计算,采用变渗透系数方法,模拟了堤基管涌发展的动态发展过程,深入分析了管涌渗流场的特点,获得了管涌通道前端水力比降变化的规律,合理解释了物模试验中管涌通道发展的特点和规律。

游碧波等[64]基于颗粒离散元理论,对管涌口颗粒逸出问题进行仿真模拟。张挺等[45]采用流体动力学有限体积方法对堤基管涌进行了数值模拟分析。梁越等[65]建立了考虑流固耦合作用的管涌发展数学模型,并利用分时步法对模型进行解耦,以有限差分法对模型进行离散。

倪小东[66]也采用离散元法对管涌进行模拟。

胡亚元等[67]考虑三相耦合,基于Galerkin有限元法对管涌过程进行数值模拟。

由于堤基管涌涉及渗流,管流,泥沙的起动、输移与沉积,管涌通道周边地层应力状态变化等,数值模拟目前也很难考虑全部过程,因此模拟的精确度难以保证,很多参数的确定也带有经验性。目前还没有一套成熟的数值模拟方法来真实模拟堤基管涌的发展过程。

3 堤基管涌破坏特性研究评述

目前国内外堤基管涌发展机理研究的成果,从宏观概念上揭示了结构简单的堤基结构的管涌发展过程、特点和危害性,根据这些研究成果,提出了管涌防治的一些设计准则和堤防安全评价的标准,推动了渗流控制领域的科技进步,但从目前管涌灾害防治理论技术支撑需求看,仍存在很多不足,亟待深入研究。

从研究方法上来看,模型试验、数学模型和数值模拟三种方法相结合并互相验证,综合运用多学科知识,从多尺度全面阐释管涌过程和机理,是未来研究管涌问题的主要趋势方法。

从已有的研究成果看,堤基管涌机理研究亟待开展的工作有以下几方面:

(1)复杂堤基管涌机理研究。堤基管涌的发展具有随机性,管涌发展与否,取决于管涌通道最前端土体强度、水流梯度、土颗粒级配和直径等,涉及到土力学、渗流力学、水力学和泥沙运动力学等多学科,受观察和测量手段的限制,目前对管涌通道前端土体破坏模式以及管涌通道内水流输送砂粒临界条件认识不清,需要更准确获取试验关键技术参数,综合多学科理论知识,准确认知管涌发展的内在机理。

(2)模型试验尺寸效应研究。大量模型试验研究结果表明,管涌模型试验受边界条件的影响非常大。目前还没有一套标准的模型尺寸来进行试验模拟。众多尺寸条件的试验结果的科学性如何,互相之间关系怎样,尚待验证。需要结合多尺寸模型试验,互相验证并推演出反映尺寸效应的经验关系,才能将模型试验结果应用或推演到工程实践中。

(3)流量和时间比尺研究。管涌模型试验中流量和时间比尺亦难以确定,不能实现模型流量和时间向原型的推演,因此在汛期抢险时无法定量预测管涌致险的程度和时间。

(4)管涌动态数值模拟研究。管涌通道的发展是一个动态的不断变化的过程,建立管涌通道发展的数学模型并开发有限元数值模拟软件,是实现管涌动态数值模拟的关键所在。如何实现达西流和非达西流的耦合,是管涌动态数值模拟的难点所在。

(5)管涌预测模型研究。管涌涉及多学科,物理参数多,发展机理特别复杂。有望结合数学模型、数值模拟和物理模型试验的方法,综合运用多学科理论,分析各参数对管涌发展过程的影响,建立一套综合的管涌预测模型。

[1]长江水利委员会.1998年长江防汛总结[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]丁留谦,孙东亚.堤防工程中几个关键研究课题[J].水利发展研究,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.渗流管涌的随机模型[J].长江水利水电科学研究院院报,1985,2(2):39-46.

[21]M iesel D.Vorträge 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 Dämmen und Stauanlagen[C]//Beitrag zum Talsperrensymposium,München,1978.

[23]Müller-Kirchenbauer H,Rank l M,Schlötzer 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.荆江大堤堤基管涌破坏[J].长江科学院院报,1991,8(2):44-51.

[29]张家发,吴昌瑜,朱国胜.堤基渗透变形扩展过程及悬挂式防渗墙控制作用的试验模拟[J].水利学报,2002,33(9):108-111.

[30]毛昶熙,段祥宝,蔡金傍,等.堤基渗流无害管涌试验研究[J].水利学报,2004(11):46-53.

[31]毛昶熙,段祥宝,蔡金傍,等.北江大堤典型堤段管涌试验研究与分析[J].水利学报,2005,36(7):818-824.

[32]毛昶熙,段祥宝,蔡金傍,等.悬挂式防渗墙控制管涌发展的试验研究[J].水利学报,2005,36(1):42-50.

[33]丁留谦,姚秋玲,孙东亚,等.三层堤基管涌砂槽模型试验研究[J].水利水电技术,2007,38(2):19-22.

[34]丁留谦,姚秋玲,孙东亚,等.双层堤基中悬挂式防渗墙渗控效果的试验研究[J].水利水电技术,2007,38(2):23-26.

[35]姚秋玲,丁留谦,孙东亚,等.单层和双层堤基管涌砂槽模型试验研究[J].水利水电技术,2007,38(2):13-18.

[36]周晓杰,丁留谦,姚秋玲,等.悬挂式防渗墙控制堤基渗透变形发展模型试验[J].水力发电学报,2007,26(2):54-59.

[37]周健,白彦峰,姚志雄.管涌型土滤层防治的细观试验研究[J].水利学报,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,陈勇.悬挂式防渗墙控制堤基渗透变形的机理与工程应用[M].北京:科学出版社,2010.

[45]张挺,詹杰民.堤基渗流破坏影响因素试验研究及数值模拟[J].水动力学研究与进展,2011,26(1):31-40.

[46]梁越,陈建生,陈亮,等.双层堤基管涌发生发展的试验模拟与分析[J].岩土工程学报,2011,33(4):624-629.

[47]姚秋玲,丁留谦,Beek V M v,等.非均质堤基管涌小尺寸试验模拟与预测模型研究[J].郑州大学学报:工学版,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试验与数值模拟研究[D].北京:中国水利水电科学研究院,2014.

[50]罗玉龙,吴强,詹美礼,盛金昌.考虑应力状态的悬挂式防渗墙-砂砾石地基管涌临界比降试验研究[J].岩土力学,2012,33(S1):73-78.

[51]罗玉龙,吴强,詹美礼,盛金昌.渗流-侵蚀-应力耦合管涌试验装置的研制及初步应用[J].岩石力学与工程学报,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.水工建筑物渗流管涌的Monte-Carlo模拟[J].人民长江,1997,28(6):11-13,46.

[55]朱伟,山村和也.堤防地基渗透破坏机制及其治理[J].水利水运科学研究,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]陈建生,李兴文,赵维炳.堤防管涌产生集中渗漏通道机理与探测方法研究[J].水利学报,2000(9):48-54.

[58]张家发,朱国胜,曹敦履.堤基渗透变形扩展过程和悬挂式防渗墙控制作用的数值模拟研究[J].长江科学院院报,2004,21(6):47-50.

[59]毛昶熙,段祥宝,蔡金傍,等.堤基渗流管涌发展的理论分析[J].水利学报,2004(12):46-50.

[60]毛昶熙,段祥宝,蔡金傍,等.悬挂式防渗墙控制管涌发展的理论分析[J].水利学报,2005,36(2):74-178.

[61]周晓杰,介玉新,李广信.基于渗流和管流耦合的管涌数值模拟[J].岩土力学,2009,30(10):3154-3158.

[62]刘昌军,丁留谦,吴梦喜,等.双层堤基管涌溃堤砂槽模型试验及渗流场特点研究[J].水利水电技术,2007,38(2):40-43.

[63]丁留谦,吴梦喜,刘昌军,等.双层堤基管涌动态发展的有限元模拟[J].水利水电技术,2007,38(2):36-39.

[64]游碧波,周翠英.双层堤基条件下管涌逸出的颗粒流模拟[J].中山大学学报:自然科学版,2010,49(6):42-48.

[65]梁越,陈亮,陈建生.考虑流固耦合作用的管涌发展数学模型研究[J].岩土工程学报,2011,33(8):1265-1270.

[66]倪小东.运用离散单元法研究土体管涌机理[D].南京:河海大学,2006.

[67]胡亚元,马攀.三相耦合渗流侵蚀管涌机制研究及有限元模拟[J].岩土力学,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

(责任编辑:李琳)

2013-11-19

国家国际科技合作项目(2010DFA74520);中国水利水电科学研究院科研专项(防集1132)

姚秋玲(1981-),女,安徽人,博士,高级工程师,主要从事渗流分析与控制研究。E-mail:yaoql@iwhr.com

丁留谦(1965-),男,河南人,研究生,教授级高级工程师,主要从事防洪减灾和渗流分析控制研究。E-mail:dinglq@iwhr.com

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