卢诏宇

（重庆交通大学，重庆 400074）

0 引言

抗滑稳定性与渗透稳定性是大坝工程中最常见的两大问题，研究大坝渗透破坏原因对于预防大坝失事具有重要的意义。管涌发展过程受到诸多因素的影响，是多种因素影响下的耦合过程，比如内部细颗粒含量，外部水力梯度，应力状态等，具有很强的随机性、隐蔽性，并且难以对其监测。根据调查结果表明，大坝因为失稳而发生渗透破坏失事的事故约占提防与大坝破坏实例总事件的一半[1]，足以见提防与大坝渗流失事的广泛性。

研究管涌破坏问题，首要任务便是解决管涌发生的条件，包括什么样的土体属于管涌型土体，在何种水力条件下会发生管涌。目前众多学者对管涌机理做了大量的研究，对管涌发生的原因及条件做了很多总结。

1 管涌发生机理过程

1.1 管涌发生过程

管涌是指土体中的可动细颗粒在渗流作用下，随着地下水从土体粗颗粒空隙中流出土体，随着细颗粒从粗颗粒的空隙中被带走，土体内部形成贯通的渗透通道，从而导致土体内部失稳，造成坍塌现象。

在管涌发生之前，外水位造成的静水压力作用在黏土覆盖层顶板下，上游水位与沙土层之间产生水头，形成压差，由于黏土覆盖层的渗透系数比砂层小2 个数量级以上 ,砂层与黏土覆盖层两点间的压差很大。上涨的外水头引起覆盖层底部压力增加，当该压力大到一定程度后，黏土覆盖层被静水压力顶穿冲决，砂层中的水都涌向管涌口。土体内部的细颗粒随之迁移，从而形成渗漏通道，最终引起提防溃决。

1.2 管涌渗透通道的形成

管涌发生后，土体中大量细颗粒随着渗流方向向外溢出，细颗粒的流失发过来影响土克利流失部位土体的渗透系数，渗透系数逐渐增大，形成主渗漏带。渗透系数的增加又引起涌水量的增加,造成管涌口水头的上升，但主渗漏带地层中的不均匀系数Cu 增大，主渗漏带上的临界水力梯度减小。我们分析靠近管涌临界面的渗流情况,管涌开始时,紧靠临界面附近地层中细颗粒的移动速度很低,当管涌发生后，管涌口水头逐渐上升,临界面附近地层中的水力梯度开始下降，从而造成临界面附近的水力梯度已经达不到产生管涌所必须的临界水力梯度。颗粒移动的临界面开始向里收缩,该过程一直持续到某一平衡状态为止，管涌临界面呈收缩趋势,最终收缩到中间一条渗透系数很大的带状区域，当主渗漏通道上的细颗粒基本被带走后,在较强的水流冲刷作用下主通道两侧的细颗粒进入主通道 ，使主通道逐渐变宽，管涌持续的时间越长，通道的宽度越宽[2]。

1.3 管涌发生机理研究

随着近些年来众多学者对管涌发展过程的研究，出现了基于颗粒流分析程序pfc 的数值分析方法，有限元分析方法等一些新的方法，但主要的研究方式还是通过试验研究。

如梁越[3]利用自行研制的渗透破坏试验仪研究双层堤基管涌发展过程，发现双层堤基管涌破坏过程可以分为上覆层被顶破过程和下伏层内细颗粒被带出从而造成破坏过程，上覆层在未被顶穿时承担主要的上下游水位差，破坏后水位差主要由下伏层承担，如果没有及时采取措施处理，大量的细颗粒将会被渗透水流带出土体，管涌通道规模不断扩大。

周健[4]结合小比尺细观模型试验,利用并开发基于离散元理论的颗粒流程序(PFC3D),充分考虑流固耦合作用,建立渗流理论模型,对不同层间系数下砂土管涌的基料-滤层系统进行离散元数值模拟,跟踪记录渗流过程中砂样运动、流失量、孔隙率、渗透系数、颗粒间接触力、水力梯度等参数的动态变化过程,从细观角度揭示管涌发展过程中颗粒的运动特性和滤层防治机理。

2 管涌发生条件及影响因素

在管涌渗流发展过程中，土体细颗粒从受力分析来说，受到了重力、水流拖曳力、土体颗粒间摩阻力等力的作用，但是由于渗流方向不同，重力对细颗粒运动产生的分力大小，方向不同，导致重力对细颗粒运动产生的作用也就大不相同，有可能起到阻碍或者促进运移的作用，影响到土体管涌的发生与发展。除此之外，管涌还受到诸如土体应力状态、土颗粒级配等众多因素的影响并具有较强的随机性。

2.1 细颗粒含量对管涌的影响

土体颗粒按照是否发生运移分为骨架粗粒与可动细颗粒，只要土体中有可动细颗粒，则就有可能发生管涌。发生管涌现象时可动细颗粒沿着骨架颗粒间孔隙被渗透水流带出土体。姚志雄[5]等自行设计模型槽进行垂直渗流下砂土管涌试验，通过精细化量测手段获取管涌发展中土体几何、水力学参数及颗粒运动特点，研究颗粒级配对管涌发生发展的影响，揭示管涌细观机理，他们发现管涌型砂土可动颗粒级配影响流失颗粒的最大粒径及颗粒流失量分布。由于可动颗粒潜在移动距离不同而产生的截留、填充效应，颗粒流失量沿渗流方向总体呈减小趋势。颗粒的流失导致土体结构疏松，土体渗透性显著增大。这说明，由于可动细颗粒的流失，土体内部结构发生了改变。土体是否为管涌型土主要与内部可动细颗粒含量，土体内部孔隙大小等因素相关。经过多年对管涌问题的研究，对于管涌型土的判别方法，国内外学者主要总结了几个方法，如细颗粒含量判别法、不均匀系数法等等。

2.2 水力条件对管涌的影响

除了土体内部细颗粒的含量对管涌的发生有影响外，土体外部所处的水力条件对土体有较大的影响。细颗粒发生运移的过程与其受力状态有着密切的关系，随着水位的增加，即水力梯度的增加，细颗粒受到的拖曳力逐渐增大，打破原本细颗粒受力平衡状态后开始出现运移现象，此时水力梯度称为临界水力梯度。

刘杰[6]基于土颗粒受力平衡状态原则，提出了临界水力梯度计算公式：

3 结论

管涌的发生是由于土体内部细颗粒发生迁移，形成渗透通道，进而导致土体内部失稳。由以上总结分析，管涌的发生主要原因是自身内部可动细颗粒含量过多，而土体外部的水力条件如水力梯度也是导致管涌发生的重要原因。