上覆压力下深厚覆盖层潜蚀发展过程试验研究

盛希璇　张肖肖　盛乔华　王璠　罗玉龙

摘要：为研究深厚覆盖层内防渗墙端部土体潜蚀发生发展规律，开展了不同上覆压力作用下深厚覆盖层内防渗墙端部土体的潜蚀模型试验研究。通过在防渗墙端部设置可示踪移动的彩砂区来直观反映潜蚀发展过程中细颗粒的运移轨迹，并以内部渗透梯度、渗流量为指标详细描述了土体潜蚀发生发展破坏的全过程。试验结果表明：不同上覆压力作用下深厚覆盖层内防渗墙端部土体潜蚀发展过程可分为渗透稳定阶段、发生阶段、发展阶段和破坏阶段;上覆压力越大，潜蚀发生时上下游水头差越大，且潜蚀发生一发展一破坏时上下游水头差与上覆压力呈线性关系。研究发现，在试验条件下，发生运移的细颗粒粒径主要在2 mm以下，上覆压力越大细颗粒向下游运动的距离越长，说明潜蚀发生时细颗粒的运移规律具有一致性。但不同上覆压力作用下，土体发生潜蚀的临界坡降不同，且渗径略有差异。

关键词：深厚覆盖层地基;潜蚀;上覆压力;模型试验

中图分类号：TV139.16

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.04.022

深厚覆盖层是指堆积于河床之中.厚度大于30 m的第四纪松散堆积物[1].是一种内部不稳定土，而潜蚀是指渗流携带内部不稳定土体中的部分细颗粒在骨架孔隙中运移流失，逐渐在地基内部形成局部被掏空、局部被充填的现象[2-3]。张文倬[4]提出深厚覆盖层的地层结构差异显著，地质成因多样，内部常存在块石架空层.建坝后在上下游水头差作用下会形成强渗透作用，这为深厚覆盖层坝基内部发生潜蚀提供了物质条件、渗流出口条件和水力条件。因此，有必要开展深厚覆盖层渗透稳定尤其是工程上关心的局部潜蚀的研究工作，为在深厚覆盖层建高土石坝基础处理设计等提供理论依据。

深厚覆盖层地基的渗透稳定性问题即潜蚀问题，潜蚀的发展将进一步加剧地基物理力学性质的不均匀性，进而造成地基不均匀沉降[5].破坏坝体或坝基防渗体[6]，威胁大坝安全。结合工程实践，潜蚀对大坝安全的威胁很大，如巴基斯坦的Tarbela大坝、加拿大的Three Sisters大坝、WAC Bennett大坝和南非的Mogoto大坝等因潜蚀的发展而导致水库蓄水后在不同部位出现了大量深坑和塌陷，严重威胁了大坝安全。巴基斯坦Tarbela大坝是一个以坝体填方量最大、不透水铺盖最长而著名的工程，1974年第一次蓄水，若干年后上游铺盖出现了362个塌坑，塌坑最大直径达12.2 m、深4.0 m，下游渗流量高达9.4 m/s.水库因此被迫放空[7]。大量的大坝事故表明，不稳定土体深厚覆盖层内的地基潜蚀对坝体或坝基的防渗结构危害极大，而防渗墙是控制坝体地下渗流的主要部位，能够增大墙体边界的渗透坡降，提高潜蚀发生的概率：由地质结构和颗粒组成决定防渗墙端部的渗流速度最大，这就决定了防渗墙端部是潜蚀极易发生部位：由潜蚀引起的坝体变形一局部塌陷及不均匀沉降会威胁大坝的安全稳定[8]。因此，研究不稳定土体深厚覆盖层内潜蚀问题，特别是防渗墙端部的潜蚀，对大坝安全和地基处理非常重要。

对于潜蚀发生条件的研究，最初仅考虑水力条件的影响。Skempton等[9]提出了应力折减因子的概念，并推测内部不稳定砂砾料的骨架可能承担了大部分有效应力，而填充料仅分担很小的有效应力，因此填充料可以在很小的坡降下发生移动。应力折减因子的提出为从细观角度认识内部侵蚀的机理提供了一条可行的路径。随着研究的深入，众多学者开始关注土体所处应力状态对内部侵蚀发生条件的影响。Moffat等[10-11]探讨了轴向压力对内部侵蚀发展的影响，指出内部侵蚀临界坡降与竖向有效应力呈线性关系。蒋中明等[12-13]的研究也表明，临界坡降与轴向压力之间呈线性关系。谢定松等[14-15]研究了深厚覆盖层土体渗透试验的缩尺原则，并探讨了土体密度、级配及轴向压力对抗渗坡降的影响，结果表明抗渗坡降与干密度、细颗粒含量、轴向压力之间均呈线性关系。罗玉龙等[16-17]研制了渗流一侵蚀一应力耦合内部侵蚀试验装置，开展了非稳定流条件下内部侵蚀发展规律的研究，发现非稳定流条件下内部侵蚀破坏坡降明显小于稳定流条件下的破坏坡降。Richards等[18-19]研制了真三轴管涌试验装置模拟土体的真实应力状态，指出内部侵蚀临界渗流速度能够更好地描述无黏性土的内部侵蚀发展过程，它与应力状态、孔隙水压力有关。冯树荣等[20]针对向家坝左岸坝基破碎岩体开展了原位渗透试验，结果表明岩体所处应力越大临界坡降越大。上述研究表明，土体所处应力、水力条件均会对管涌发展过程产生重要影响。

综上所述，砂砾石深厚覆盖层内部侵蚀问题，特别是防渗墙端部潜蚀的危害已经越来越多地被众多学者关注，而深入研究发现在潜蚀的发生发展过程中细颗粒始终在骨架孔隙中移动，土体所处应力状态显著影响骨架的孔隙特性和土体中粗细料的受力情况，进而直接影响潜蚀发生的几何和水力条件[10-12]。因此，本文以室内潜蚀流固耦合试验为基础，对不同上覆压力作用下深厚覆盖层潜蚀的发生、发展直至破坏全过程进行探讨，分析诱导潜蚀发生的潜在因素。

1 试验介绍

1.1 试验装置及材料

1.1.1 试验装置

本次试验采用河海大学自行研制的深厚覆盖层地基潜蚀流固耦合试验装置。该装置包括流失细颗粒收集系统、轴向压力系统、渗透压力系统及数据采集系统（见图1）。

流失细颗粒收集系统可实时收集试验过程中细颗粒的流失量，其设置在下游出口，运移出试样的细颗粒可通过多孔钢板进入漏斗形出水口，然后人工收集、烘干、称量等。上覆压力系统模拟深厚覆盖层地基的上覆荷载（如高土石坝的上覆压力等），最大上覆压力可达1000 kN（试样承受的最大上覆压力为3.0 MPa）。渗透压力系统模拟深厚覆盖层土体所承受的上下游渗透压力差，有低压和高压两种工作模式。低壓由移动水箱提供，最大水头3m，高压由上游水库容器输出，最大渗透压力可达0.5 MPa.能够实现高低水头的快速切换。数据采集系统能够实时监测上覆压力、沉降、渗流进出口水压力、模型内部测点孔隙水压力、土压力等。

1.1.2 选定颗粒级配

开展潜蚀试验每次装样工作量大，耗时长，为了提高工作效率，使大尺度内管涌试验的渗透破坏现象最明显，首先要采用常规渗流试验筒对5种不同颗粒级配（<5 mm颗粒含量分别为30%、25%、20%、18%、15%）的深厚覆盖层土料进行初筛。通过一系列渗流试验筒的管涌试验发现：小于5 mm的颗粒含量为30%的深厚覆盖层土料破坏后在出口端存在大量细颗粒跳跃现象，渗透破坏现象十分明显，且试验的延长时间明显较短。依据试验结果和大尺度管涌试验的土料初选标准，选择小于5 mm的颗粒含量为30%的深厚覆盖层土料作为本次潜蚀试验的土料。潜蚀试验装置的有效厚度为30 cm.根据土工试验的基本要求，试验装置长度最好大于模型土体的最大颗粒粒径的5倍，本试验装置允许的最大颗粒粒径为6 cm。根据《土工试验规程》（ SL237-1999），对于超粒径颗粒采用等量替代法进行处理，得到本次潜蚀试验所采用深厚覆盖层土料的颗粒级配曲线。计算得到本次采用的深厚覆盖层土的不均匀系数C=50。

1.1.3 判定土体内部稳定性

由于潜蚀只能发生在内部不稳定土体中，因此需要对试验所采用的深厚覆盖层土料的土体内部稳定性进行判别。文献[3，21-23]给出了不同土体内部稳定性判别方法。由土的不均匀系数C可知，本试验所采用的深厚覆盖层土料为宽级配的砂砾石土料，符合各判别方法中对土料的描述。由文献[3，21-23]中4种判别方法的判断结果可知，本试验采用的深厚覆盖层土料为内部不稳定土，可以应用于潜蚀试验研究。

1.2 试验过程

基于对深厚覆盖层地基中潜蚀的基本认识，开展不同上覆压力（工况- 0.2 MPa、工况二0.8 MPa、工况三1.6 MPa、工况四2.4 MPa）下防渗墙端部潜蚀试验，试验过程如下。

首先，进行试样填筑，如图2所示。试样填筑步骤：①土料准备，对不同粒径的土料进行烘干，利用筛分机按照颗粒级配曲线筛分，按照填筑干密度（2. 36g/cm3）及填筑体积（分层填筑高度为10 cm）计算所需土料质量，加少量水将土料拌匀：②黏土层的分层击实、深厚覆盖层土料的分层填筑，将深厚覆盖层土料分成几份倒人模型槽，利用击实装置击实土料至预定高度，以保证每层土料的密实度相同;③防渗墙的埋设，当填筑土样高度达到防渗墙端部高度时，开始放置防渗墙;④传感器的埋设，当模型填筑至传感器所在高度时，为消除边界效应影响，所有孔隙水压力探头和土压力计均埋设在装置中轴线上（见图3），以便更精确描述管涌发展过程中渗透坡降、水流状态、土压力的变化情况。分别在上下游进出口设置了相对不透水的黏土层边界，以便在防渗墙端部形成明显的渗流集聚效应。为了实现防渗墙端部细颗粒运移流失轨迹的可视化，方便实时监测内管涌发展过程中的细颗粒运动，在内管涌发生、发展的关键区域——防渗墙端部下游侧设置了彩砂区。这里将原试验土料中粒径小于1 mm的颗粒替换为彩色砂粒，而超过1 mm的颗粒仍然采用原土料。所选彩砂与原颗粒具有相同的比重和类似的颗粒形状，且颗粒分级和压实状况相似，以此期望最大限度地保持彩砂区物理力学性质与其他区域一致。

其次，分级施加上覆压力，记录施加上覆压力过程中压力及位移传感器的读数，施加至指定上覆压力后，保持后续试验中上覆压力始终不变。

再次，模型土体饱和，并保证模型在较低渗透压力差作用下缓慢饱和，避免模型在饱和过程中出现渗透破坏，模型饱和完毕后，记录各测点孔隙水压力。

最后，分级缓慢施加渗透压力，施加每一级渗透压力后保持不变，每隔10 min测量一次渗流量，注意观察出水的浑浊程度。同时，利用玻璃壁密切关注防渗墙端部及彩砂区的细颗粒移动情况，做好记录及现象描述。当渗流量变化不大时，说明模型已达稳定状态，可继续增大渗透压力，直至发生明显破坏时停止施加渗透压力，结束试验。

2 试验结果及分析

2.1 不同上覆压力下内管涌发展破坏的全过程

表1给出了不同上覆压力条件下模型土体在饱和、稳定渗流、潜蚀发生、潜蚀发展破坏的全过程中渗流量与上下游水头差的关系。可以看出，渗流量的变化过程能够很清楚地体现潜蚀的发生、发展破坏过程。初始状态为模型土体饱和状态，土体饱和之后且未发生潜蚀之前为稳定渗流阶段，此时水头差和渗流量都较小：当上下游水头差增大到一定程度时，渗流量有所增大，且渗流水由初始的清水变为微混浊状态，表明内管涌刚开始发生;当上下游水头差继续增大时，渗流量会发生剧烈的上下波动，且流出水呈现混浊状态，表明此时已发生明显的内管涌破坏。

图4为渗流量与上下游水头差关系曲线。可以看出：初始阶段的水头差较小，该阶段为试验的第一阶段，即模型土体饱和阶段，为保证模型完全饱和且不发生渗透破坏.该阶段时间较长。整个模型土体饱和过程中未发现防渗墙端部上下游附近区域的细颗粒运移现象（从玻璃壁面一侧观察），同时，下游出口的渗流水为清水，漏斗内未发现细颗粒流出现象。试验的第二阶段较第一阶段水头差略大，该阶段为潜蚀发生前的稳定阶段。试验过程中未发现防渗墙端部有细颗粒运移现象，下游出口的渗流水为清水，漏斗内也未发现细颗粒流出现象，说明此阶段潜蚀尚未发生。继续增大上下游水头差为试验的第三阶段，该阶段为潜蚀发生阶段，与上一阶段相比，该阶段渗流量显著提高，同时出口渗流水开始呈微混浊状态，说明潜蚀开始发生。到了试验的第四阶段，即潜蚀发展破坏阶段，水头差逐渐达到最大值，且分级施加渗透压力。在上下游水头差逐渐增大的过程中，首先，防渗墙端部上游侧有细颗粒向下游移动，而防渗墙下游侧彩砂区内及彩砂向上层土体中也有明显的细颗粒运移现象，表明潜蚀已处于发展阶段;其次，距离防渗墙端部较远的下游侧的孔隙水压力计的读数始终不能稳定，上下波动，表明该区域的水流状态已发生改变，防渗墙端部下游侧较远区域也已经发生明显的细颗粒运移;再次，继续施加渗透压力后，防渗墙端部的上游侧形成渗漏通道，出现明显的、时间较短的间歇性细颗粒跳动现象，同时防渗墙端部下游侧的彩砂区也出现明显的、持续的细颗粒跳动现象，渗出水依然呈微混浊状态，表明潜蚀依然处于发展过程中：最后，持续增大上下游水頭差和渗透压力后，防渗墙端部下游侧彩砂区上方的砂粒跳动更加明显、剧烈，下游出口处形成明显渗漏通道，下游出口处流出大量细砂，渗出水开始由微混浊状态转变为混浊状态，此时的流量明显大于潜蚀发生时的渗流量，说明潜蚀已处于发展破坏阶段。

对于工况一，潜蚀从发生到发展破坏阶段的渗流量并不是单调递增的，潜蚀发生后流量由10.7 mL/s突增到13.6 mUs.下游出口的渗流水也由清水变为微混浊状态。继续增大上下游水头差后，渗流量下降至11.2 mL/s，渗流水也由混浊状态变为清水。产生这种现象的原因可能是细颗粒的大量运移导致孔隙淤堵，暂时抑制潜蚀的发展。继续施加渗透压力后，下游出口处流出大量细砂，渗出水重新呈混浊状态。与上一级水头差相比，本级水头差作用下，流量骤增，清水变浑水，可能是大部分淤堵孔隙被重新冲开所致。在整个试验过程中，发现其他工况与工况一的潜蚀发展破坏阶段的流量变化十分相似，说明管涌的发展过程并不是一直持续的，而是存在细砂侵蚀运移、淤堵于孔隙中、重新冲开孔隙、重新运移等众多复杂现象[17]。随着上下游水头差的增大，下游出口处的细砂并不是一直增加的，而渗流水出现时清水时混浊的现象，原因是细颗粒在渗流通道的运移过程中，当遇到大于其直径的渗流通道时，细颗粒可以持续运移，而当细颗粒直径大于渗流通道时，细颗粒将堵塞孔隙，导致后面的细颗粒一起停留在堵塞位置，直到继续增大渗透压力，使得细颗粒冲开堵塞的孔隙时渗流水会带出更多的细砂，但之后孔隙通道可能继续堵塞。即管涌的发展破坏过程就是一个运移一堵塞一堵塞冲开一重新运移的缓慢的、循环往复的过程[17]。

工况二下渗流量变化趋势与其他工况的变化趋势略有不同，其潜蚀破坏时的渗流量小于潜蚀发生时的渗流量，原因可能是可移动细颗粒流向下游渗流出口段并堆积填实，改变了渗流量的变化趋势，这是潜蚀与常规管涌的不同之处。同时，工况三潜蚀发生之前，下游出口处出现较明显的渗漏通道，大量砂粒运移流失，但是这并不表明此时已发生潜蚀，而只是下游出口附近发生常规管涌导致的，防渗墙端部并未出现潜蚀。这也进一步证明潜蚀与常规管涌是有明显区别的。

分析渗流量变化与潜蚀发生、破坏的对应关系可以看出，潜蚀的发展过程具有一致性，均包括潜蚀发生前的稳定渗流阶段、潜蚀发生阶段、潜蚀发展和破坏阶段。同时，潜蚀发生和破坏时有一定预兆和标准。

潜蚀发生判别标准：防渗墙端部附近孑L隙水压力出现上下波动，防渗墙端部出现细颗粒移动现象，渗流量突然变化，渗出水变混浊等。潜蚀破坏判别标准：防渗墙端部发生非常剧烈的、大范围的细颗粒移动现象，渗流量再次突然变化，渗出水变混浊等。

整理不同工况下潜蚀发展全过程渗流量变化发现，上覆压力与上下游水头差呈现明显的线性关系（见图5）。按照线性关系拟合得到潜蚀发生和破坏时上覆压力与上下游水头差的关系分别为y= 702.2x -124.7（相关系数力0.79）、y=768.2x+439.6（相关系数为0.96）。

从拟合公式可以看出，上覆压力越大，潜蚀发生、破坏时的上下游水头差越大，深厚覆盖层越不容易破坏。

2.2 细颗粒运移轨迹分析

在前述潜蚀试验中观测到，细颗粒运移明显集中的区域有防渗墙端部上游侧、防渗墙端部下游侧的彩砂区及与其相邻的上层土体、下游出口附近区域。防渗墙端部上游侧的细颗粒运移主要有2种路径：沿着渗流方向，斜向下绕过防渗墙端部进入下游侧;沿着防渗墙端部上游侧的薄弱部位向上移动。

为了使深厚覆盖层地基中不同区域内细颗粒运移情况更加清晰，针对4种不同应力状态的试验，选择特定区域（防渗墙端部上游侧、彩砂区、与彩砂区相邻的上层土体、下游出口附近区域）进行试验前后的颗粒级配分析，整理之后得到不同工况下颗粒级配曲线。为了更直观地表现细颗粒运移规律，将不同工况下有明显差别的颗粒级配曲线段进行放大，见图6。

漏斗里收集的主要是粒径在2 mm以下的颗粒，结合图6发现，不同工况下流失细颗粒的特定区域有所不同。这说明潜蚀发生时细颗粒的运移规律具有统一性，渗出水带出的主要是粒径在2 mm以下的细颗粒，但潜蚀破坏时细颗粒运移一堵塞一冲开一再运移的循环过程因上覆压力的不同而略有差异。图6（a）为0.2 MPa上覆压力的试验前后颗粒级配曲线局部放大图，可见防渗墙端部上游侧、下游出口等区域的颗粒级配在试验后变化不大，彩砂区的颗粒级配变化相对比较明显，且1.0 - 2.0 mm的细颗粒含量有所增大、0.5 - 1.0 mm的细颗粒含量有所减小。产生这种级配变化可能是来自防渗墙端部的粒径为1.0 - 2.0 mm的细颗粒大量进入了彩砂区，而彩砂区中粒径为0.5 -1.0 mm的细颗粒大量运移出彩砂区所致。从图6（b）可以看出，工况二与工况一特定区域细颗粒移动现象类似。图6（c）为1.6 MPa上覆压力条件下试验前后细颗粒级配曲线局部放大图，可见试验后变化明显的区域是下游出口处，而防渗墙端部上游侧和彩砂区试验后变化相对较小。对于下游出口区而言，試验结束后.2 mm粒径以下颗粒的含量均有不同程度的减小，这与工况一和工况二的试验结果略有差异，造成这种现象的原因可能是随着上覆压力的增大，防渗墙端部发生潜蚀所需的渗透压力增大，在较大渗透压力作用下渗出水携带大量细颗粒向下游运移的距离较远，细颗粒运移一堵塞一冲开再运移的循环过程聚集的能量较大，致使细颗粒运移变化明显的区域由彩砂区变为下游出口处。图6（d）试验前后颗粒级配曲线局部放大图与工况三的类似，进一步证明了上述结论。

3 结论

（1）潜蚀发生发展破坏的全过程一般包括潜蚀发生前的稳定渗流阶段、潜蚀发生阶段、潜蚀发展阶段及潜蚀破坏阶段。①稳定渗流阶段中无细颗粒运移现象，下游渗出水为清水。②潜蚀发生阶段透过玻璃侧板可以观察到清晰的细颗粒运移流失现象，渗流量骤变，下游渗出水微混浊等现象，说明潜蚀发生阶段深厚覆盖层土体微观结构开始改变。③潜蚀发展阶段是潜蚀发生范围逐渐向下游扩展，带动更多、更大粒径的颗粒运移的阶段，深厚覆盖层土体内部结构发生变化，局部渗透通道经历堵塞的过程。④潜蚀破坏阶段是局部区域渗漏通道被冲开，防渗墙端部下游侧透过玻璃板可以观察到明显的渗透通道，渗出水为浑水且流量变化明显。

（2）在本试验条件下，运移流失的细颗粒粒径最大达到2 mm.主要在1 mm以下，同时彩砂区及下游出口区域细颗粒运移流失相对比较明显。

（3）在本试验模型中，上覆压力对潜蚀的发生条件和发展破坏过程均有非常显著的影响。随着上覆压力的增大，潜蚀发生、破坏时上下游水头差等均呈线性增大趋势。基于试验结果分别建立了潜蚀发生和破坏时上下游水头差与上覆压力的线性经验关系。

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（责任编辑张华岩】