砂土管涌机理的模拟试验研究

刘晓林，李 娜，张家泽

（1.河北工程大学 水电学院，河北 邯郸 056000；2.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

砂土管涌机理的模拟试验研究

刘晓林1，李 娜2，张家泽2

（1.河北工程大学 水电学院，河北 邯郸 056000；2.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

对管涌机理进行了砂槽模型试验研究，观察并分析了管涌发生、发展的过程。试验现象表明，管涌破坏发生在透水层上部，且砂样内部的颗粒移动是从进水口处和管涌口处向中间不断扩展的。当水头变化后，砂样内部的渗流需要较长时间才能重新稳定。

管涌；模型试验；机理；颗粒移动

我国长江中下游平原区频繁遭受洪水灾害，对人民生命财产和生产建设造成了严重破坏。而大量的洪灾资料表明，管涌是江河大堤在汛期的主要险情之一。因此研究管涌破坏的形成机理对管涌预防和整治有着重要的参考和借鉴价值。

管涌是土的渗透变形的一种形式。它是指在渗流作用下，土体中的细土粒在粗土粒之间形成的空隙通道中发生移动并被带出的现象。管涌的产生是水和土相互影响的结果。这是一个动态的过程，这就决定了它的复杂性。

当前研究管涌的方法有数值模拟法和模拟试验法。数值模拟法通过有限元软件模拟了管涌发生发展的过程，但此方法不能很好地考虑水土相互作用,无法全面地揭示管涌发生机理。而模拟试验法由于原理简单、现象直观,得出的结论具有一定的意义。本文通过室内模型试验，尽可能地从细观方面分析管涌通道形成的特点及砂土颗粒在管涌通道中移动的规律。

1 砂土管涌试验的装置

1.1 模型制作

如图1，2所示，砂槽总长1m，分为进水口卵石槽、砂样槽、出水口卵石槽。进水口设在进水槽玻璃壁中心处。为了使砂样进水面水流流速均匀，在砂样前设置一卵石槽，装满小直径的卵石。分界处用有机玻璃板隔开，有机玻璃板上均匀开孔，并用细纱网覆盖。

在砂槽模型中，砂样长60cm，宽30cm，高40cm，将砂装至设定高度后压实，并用刮板刮平。试验前先不加盖通水，等水漫过砂顶部后再放水，利用土中毛细管水产生的假粘聚力即毛管水压力迫使砂粒间相互挤紧密实，此时顶部会有一定的沉降，继续覆砂刮平。在有机玻璃板与侧壁的接触处用止水橡胶密封，然后加盖1m长的有机玻璃板，边处用螺母固定紧密，有机玻璃板顶部采用螺杆均匀加压，使有机玻璃板与砂样紧密接触。

从砂样槽进水口隔板处开始，在底部每隔10cm距离均匀布置6组测压管，每组测压管分高中低3根，垂直于中轴线。其中高管离砂槽边壁9cm，高30cm；中管离砂槽边壁6cm，高20cm；低管与中管相距3cm，高10cm；测压管直径6mm。试验过程中通过数码相机，肉眼观测，摄像机记录相关试验数据和试验现象。本试验模拟地下两个透水层中的上层不透水层出现薄弱环节后的管涌现象。

1.2 模型砂的基本性质

通过实验，测得模型砂的基本性质见表1，颗分曲线见图3所示。

表1 模型砂的物理力学性质

2 试验过程及现象

通过进水口进水，使试样饱和。保持进水流量稳定不变，逐级增加水头进行试验，增加的每级水头不大于4cm。当渗流量基本保持稳定，测压管水位保持不变，孔口处没有砂粒被水流带出即可认为已达到渗透稳定，记录相关数据，然后再施加下一级水头。平均20min记录一次数据，每隔1h抬高一次水头。N为抬高水头的次数，T表示距离试验开始时刻的总时间，Q为孔口处渗流量。水平平均比降J=H/L，H为水箱水位与管涌口水位之差，L为管涌口到进水口的距离，L=60cm。各阶段典型试验结果见表2。

表2 管涌模拟试验结果

2.1 无明显渗透变形阶段

开始阶段孔口处无明显渗透变形，孔口的渗透出水量和砂样内部的水压随着水头的升高而稳定增加。当水头达到15cm时，预留孔口处裸露的砂层出现较明显的砂眼，偶尔可见细砂粒从砂眼中带出。保持水头不变的情况下，该砂眼逐渐增大，最后保持不变。此时Q和J基本呈线性关系（见图4）。

2.2 砂槽内砂土局部渗透变形阶段

在此阶段，砂眼处不断有细小的砂粒被带出，并在孔口周围堆积，保持水头不变，直到孔口处渗透变形趋于稳定。接着，每抬高一级水头后，孔口处都可观察到砂粒被带出，并持续堆积在孔口周围，形成一环形砂丘（见图5）。细砂不断被水流带出，而孔口处的粗砂在砂眼里不断翻滚。从水槽侧面观察砂土上层，肉眼可捕捉到局部区域的细小砂粒，在以粗砂为骨架形成的空隙里向管涌口方向移动。可动颗粒的移动时断时续。试验现象显示，颗粒的移动是从两端开始向中间不断扩展的。同时，由于垂直渗透力的作用，孔口处的砂层被抬高一定的高度，产生了明显的渗透变形。当水头增大到20mL/s时，Q和J开始偏离线性关系，但最后渗透变形仍能够逐渐稳定下来（见图4）。

图5 管涌口处形成的砂环

2.3 砂槽内砂体整体破坏阶段

此阶段已接近砂体破坏的临界水头，水头的继续增加，使砂样中细小砂粒可移动的细微通道越明显，并相互贯通，最终形成细小的管涌通道。此时砂体已失去了抗渗破坏能力，在管流强烈的冲刷作用下，管涌通道的流量、带砂量和尺寸逐渐加速增大，最终从管涌发展成流土，从而导致砂样的破坏。此时，从上游隔板到管涌口处形成一沟槽通道，流量增大到30mL/s。取破坏前的最后一级水头，得到管涌的临界水力比降为0.550。

3 试验结果分析

3.1 管涌发展机理分析

试样内部可分为两种颗粒，一种是位置基本保持不变的骨架颗粒，主要起到支撑和传递力的作用；另一种是在骨架空隙中的可动颗粒。由于水流的冲击，可动颗粒随时在移动。但这种移动是不连续且不规律的。在水平渗透力的作用下，可动颗粒具有向渗流方向移动的趋势。当可动颗粒的粒径比骨架颗粒形成的空隙要小时，它们就会从一个空隙流入临近的空隙，直到被排出土体。

在某一水头，当部分运动的可动颗粒遇到比本身粒径更小的孔隙时，则该颗粒堵塞此孔隙，形成一个稳定的空间结构，阻止了其他可动颗粒的通过。虽然颗粒堵塞了孔隙，阻止了管涌的发展，但它产生了相对集中水流，该水流会冲击同一断面上的其他薄弱处，形成一个新的孔隙，孔隙内的水流流速和流量随着这种改变而变化。在砂样内部砂土局部渗透变形阶段，粗砂粒在砂眼处翻滚就是孔口处不断轻微变化的水流和粗砂粒自重相互影响作用的结果。在这种交替变化下砂样内部就逐渐形成了贯穿的通道。

每当水头增加时，可动颗粒群的突然移动会导致砂样系统内产生局部颗粒集中，内部局部结构重新调整。这会引起孔隙水压力的改变，试样内部原有的渗径都会重新分布。而这个过程比较缓慢，需要一定的时间才能稳定。选取管涌破环前的第九级水头时的3次测量数据，绘出3排测压管的沿程水头分布曲线。通过对比可以看出，测压管水位的沿程分布曲线是在轻微变动调整的，并且肉眼可观察到测压管中的液面有轻微的上下波动现象，可很好地佐证可动颗粒在骨架颗粒中的移动。

3.2 管涌通道形成位置分析

测压管3测得的数据变化最大，说明管涌通道主要发生在测压管3所代表的砂层。即砂样最上层靠近不透水层的浅层范围，深部砂层并未受到较强破坏。其主要原因是：不透水层下的砂层顶面是渗径最短的一条流线，沿此流线的水平水力比降最大。

4 结语

从试验数据和试验现象可知，管涌通道是在试样的顶端靠近不透水层处产生的。

每次水头改变时会导致砂样系统内产生局部颗集中，内部局部结构重新调整，主要表现为在同一水头不同时间段测得的沿程水头分布曲线在不断地改变，以及测压管液面的轻微波动。而当时间足够长时，砂样内部会逐级趋于稳定，这表明砂样内有一部分细砂粒没有紧密接触，或是处于无接触的自由状态，而粗颗粒无法制约这部分颗粒的移动。

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Experimental Study on Piping by Sand-bank Model

LIU Xiao-lin1,LI Na2,ZHANG Jia-zhe2
（1.College of Water Conservancy and Hydroelectric Power,Hebei University of Engineering,Handan056000,China;2.Hebei Designing Institute of Water Resources and Hydropower,Tianjin300250,China;）

Sand-bank model tests were conducted to simulate piping processes.The whole development of piping are obseved and the mechanisms are analysed.The observed phenomenons of the test shows piping occurred at the top of permeabile layer.The migration of grains in the sand-bank model continually developed from the water inlet and piping hole to the middle.When the waterhead is changed,it needs a long time to stabilize the seepage.

piping;model test;mechanism;displacement of grain

TV139.16

A

1672-9900（2011）05-0035-03

2011-07-28

刘晓林（1987—），男(汉族)，安徽蚌埠人，硕士，主要从事水工结构工程专业研究，（Tel）13832072104。