内管涌室内试验及数值模拟研究现状综述

曹文振，倪小东

(1.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098；2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；3.河海大学岩土工程研究所，江苏 南京 210098)

大量的洪涝灾害资料表明，堤基管涌是江河大堤在汛期的主要险情之一，其不仅发生的数量多而且分布范围广，重要的是易于诱发溃堤险情。98洪水之中，长江中下游堤防堤基较大险情中，52.4%是管涌，占各种险情之首。由于土体的复杂性及多样性，使得渗透变形产生、发展过程也极为复杂并具有随机性。河道堤防得不到有效加固，以至于每年都不得不在汛期投入大量的人力、物力和财力，长期以来由于管涌引起的坝体破坏及堤防溃决给社会造成了重大损失。据水力部统计资料显示，质量问题是造成坝体失事的主要原因，其占比为42.5%，由质量导致的溃坝案例中，管涌占比超过60%。侵蚀性内管涌发生的水力及几何条件是当前研究的热点和难点，现有的研究表明，管涌发生的水力条件与级配、细料含量、应力状态等多因素相关，然而具体关系如何目前尚未形成统一结论。当前针对侵蚀型内管涌机理研究尚处于探索阶段，十三五期间，我国将在金沙江、雅鲁藏布江、雅砻江、大渡河、乌江等流域的深厚覆盖层上建设更多大型水电工程，这些区域地层的共同特点是具有深厚覆盖层，在高水力条件下，侵蚀型渗透破坏对于堤基稳定是高坝建设需要特别关注的科学问题，因而加强对侵蚀型内管涌的研究具有十分重要的现实意义。

1 研究现状

目前，国内外关于管涌的研究主要从理论分析、数学模型、数值模拟和物理模型等方面展开。一方面，大多数的研究人员采取室内试验，因为现场的试验常常被大面积的破坏伪装起来不易发现，而室内试验原理简单明了，现象十分直观。潜在内管涌土体的组成不均匀性导致其内部应力传递机制极为复杂，影响因素十分复杂，研究人员常采用室内试验针对某一因素进行试验研究。为了进一步揭示内管涌机理，学者们结合相关先进技术，从可视化领域进行了积极尝试。另一方面，数值模拟在管涌的研究中，以其独有的特点，起着愈来愈重要的作用。本文将从管涌数值分析、管涌影响因素研究和内管涌发生机制可视化研究三个方向对管涌研究现状进行详细的归纳和评价。

1.1 管涌数值模拟研究

早期，囿于技术手段的限制，研究人员多采用基于连续介质方法来模拟管涌，朱伟(1999)等[1]结合日本阿武隈川的地基渗漏防治工程中遇到的问题，应用有限元饱和-非饱和渗流解析，对地基渗透破坏发生机制及其影响因素做了分析和讨论；张家发(2000)[2]针对长江中下游堤防工程现状概化出典型条件，采用有限元数值模拟方法对堤身堤基渗流场进行了模拟计算。即便当前，该方法及其改进方法在管涌研究中仍占有一席之地，如徐有缘(2007)[3]利用大型通用有限元分析软件ANSYS为平台，分析了管涌的渗流场问题，并关于进一步工作的方向进行了简要的讨论；周红星(2011)[4]依据对渗透破坏发展实质的认识，并基于破坏区域相对整个区域较小的特点，采用二维轴对称有限元分析土体渗流场，并引入扩展有限元法对覆盖层的破坏进行了数值模拟；刘昌军等(2012)[5]针对堤基管涌侵蚀破坏过程的复杂渗流场模拟问题，采用无单元galerkin法研究管涌动态发展过程及机理；任鹤等(2015)[6]将自然单元法用于管涌发展过程的模拟，以替换原先的EFG方法，相对于无网格伽辽金法(EFG)，自然单元法的形函数符合Kronecker条件，能够更准确地施加边界条件等。

侵蚀型内管涌发生的本质是颗粒在孔隙通道中的运移，颗粒离散元法源于基于分子动力学，其基本研究单元是离散的颗粒，显然，将该方法运用于管涌模拟分析更具针对性，因此越来越多的学者尝试采用颗粒离散元法以进行管涌机理研究，相应获得了许多积极的成果。

Kenichi等(2006)[7]采用DEM开展内管涌研究，分析显示：针对不同GSD曲线试样，细颗粒流失后，即使边界应力状态保持恒定，构成力链网络的细观颗粒结构仍将发生改变。

倪小东(2014)[8- 9]考虑流体作用，利用颗粒流软件PFC，建立非稳定流作用下管涌发生、发展数值分析方法(图1为非稳定流作用下管涌的数值模拟渗透破坏模型示意图)；揭示薄弱区对渗透变形的影响机制，并基于渗透变形颗粒运移基本特征，依托颗粒流特质，建立统一达西-非达西流态的相似准则，并提出多尺度、宏细观三维离散-连续耦合方法。

图1 破坏模型示意图

张刚(2007)[10]在其所开展室内试验的基础上，利用并开发PFC2D和PFC3D计算软件，对管涌现象形成与发展过程中土颗粒的移动规律以及水流在土体孔隙中的过程进行细观仿真模拟(图2为PFC2D管涌模拟试样)。并与堤防工程中的管涌险情实例结合以进行分析研究，为预测和治理管涌险情提供理论支持。

图2 PFC2D管涌模拟试样

图3 均匀颗粒接触冲刷模型a

常利营等(2016)[11]对五组由均匀颗粒组成的土层间的接触冲刷现象进行了颗粒流数值模拟(均匀颗粒接触冲刷模型a长为7mm、宽5mm、高7mm，中细粒层高度为2mm，模型a如图3所示)，从细观角度研究了接触冲刷的发生机理。由数值模拟结果发现发生了接触冲刷时，细颗粒与粗颗粒之间的位移关系。

李晓庆等(2017)[12]为了研究具有不同级配特征的管涌型土(连续级配、间断级配)对管涌机理的影响，基于颗粒流理论和流固耦合效应，利用PFC3D程序内置的FISH语言编程，建立了基土-滤层渗流模型，分别进行不同层间系数情况下的系列数值模拟试验，得到基土-滤层渗滤系统的层间系数值在最优范围时，土壤具有较好的保土性与透水性，连续级配特征的基土自反滤能力较强等结论。

为对管涌过程中的渗流场进行精细模拟，Sibille Luc等(2015)[13]采用全耦合的离散元素格波耳兹曼方法(DEM-LBM)对渗流和管涌侵蚀进行了分析(图4为数值模拟的示意图)，采用离散元法描述了固体颗粒相间的粒子间相互作用，利用格玻尔兹曼方法求解了水的动力学问题。数值模拟的结果表明，该固相的内部侵蚀可以从水力剪应力或由渗流所消耗的能量来描述。

图4 数值模型示意图

图5 CFD-DEM建立的模型

JunliangTao，Ph.D等(2017)[14]采用耦合计算流体动力学(CFD)和离散元法(DEM)对影响管道阻力的比重、初始孔隙比、粒径分布(PSD)、砂样的纵横比、摩擦系数进行了重新研究(图5为用CFD-DEM建立的模型)，与已有文献的试验结果比较吻合，并为太沙基理论的实验结果偏差提供了实证解释。并在数值分析结果的启发下，建立了考虑了摩擦阻力的管涌理论模型。

Y.Guo，S.M.等(2017)[15]利用耦合的CFD-DEM方法，测试和比较了具有不同高宽比的球形颗粒和非球形颗粒(图6)，由模拟结果得出：颗粒的角度(grain angularity)对侵蚀阻力的形成起着重要的作用。分析得出砂粒形状对土壤侵蚀性的影响。

图6 数值模拟中不同粒子的形状

颗粒离散元法因为可以模拟离散颗粒，最早被学者们使用在模拟土的受力情况，但并未直接运用于侵蚀型内管涌的研究中。内管涌是涉及土体与流体相互作用的现象，早期研究者通过对分析对性进行一定的简化，成功将其运用于内管涌的研究中，取得了一系列的成果，但对渗流场求解仍有不足，无法实现固液两相间相互作用的精细模拟，使得试验结果存在一定误差。为了实现固液两相间相互作用的精细模拟，当前学者们多依托联合颗粒流与其他流体分析方法对管涌进行研究，此为当前从细观层面开展精细化研究管涌的趋势。

1.2 针对管涌影响因素开展的室内试验

管涌的发展是个非常复杂的过程，涉及多种因素，管涌破坏的发生发展过程实质上是土体内部渗流场、应力场和应变场的多相多场耦合过程，目前尚未完备且被公众接受的物理模型试验方案。研究者们分别从各个方面针对管涌进行了室内模型试验。

(1)针对管涌通道

赵辉(2013)[16]对堤基截面管涌通道冲刷扩展进行了深入的研究，设计制作了砂槽模型箱(图7)，针对冲刷因素及出溢因素在管涌通道扩展中的作用分别开展了定量试验研究；针对冲刷、出溢两种因素对管涌通道冲刷扩展的影响规律做了分类归纳，总结得到了管涌通道冲刷扩展的表象规律。

图7 设计制作的试验砂槽示意图

图8 流速、渗透力影响试验模型的示意图

贾恺等(2014)[17]采用两个砂槽模型如图8所示，试验研究冲刷水流和边壁渗流力的不同组合对管涌通道扩展的影响，并且基于一维渗流试验揭示了渗流溢出面附近的实际坡降远小于平均坡降的现象。研究获得了冲刷和渗透力对通道扩展的影响规律，并进而提出采用渗流力有效比以简化相关问题分析。

曹洪等(2017)[18]考虑到管涌通道四周破坏扰动松散层的影响，通过一维渗流作用下的渗透试验研究了临空面表层土体的松散过程和它的渗透特性变化情况，通过分析试验数据和现象揭示了管涌通道边壁松散层对管涌发展的积极影响，这对管涌发展机制的认识至关重要。

(2)针对上覆层

陈震宇等(2007)[19]在砂槽模型试验中，在二元堤基条件下，用水泥砂浆、陶泥、膨润土和水袋压重等一些不同刚度的材料模拟覆盖层进行试验，结果表明，不同材料的试验现象有一定的区别，其中水袋压重得到的试验现象与堤防的管涌破坏现象最为接近。(文献中并未提及原因)

梁越等(2010)[20]利用室内试验对刚性上覆层(完全不变形)和柔性上覆层(始终协调变形)两种极端情况进行模拟，通过对试验过程土体的破坏情况、涌砂量、渗流量等数据的分析后发现，柔性上覆层的抗渗破坏能力要高于刚性上覆层，并建议在以后的建设中多增加柔性上覆层。

何海清等(2015)[21]对堤基管涌的发展与上覆黏土的关系进行了研究，在室内模拟双层堤基进行试验，发现上覆黏土的厚度会提高临界水力梯度，但管涌发展速度却加快，根据涌砂规律通过假定通道宽度反演出管涌通道的发展过程，阐明了上覆黏土层对试验过程中的出现间断性涌砂的影响。

(3)针对颗粒组成

Mandie S.Fleshman等(2014)[22]为了评估砂土中管涌侵蚀过程的机理，在不同的等级(gradation)、晶粒大小、颗粒形状和比重下的土样中进行室内模型试验，对试验过程进行观察和监测，将观测到的行为与样品中测量的孔隙压力状态联系起来，建立了管涌发展力学模型。

Mohamed Elkholy等(2015)[23]为了研究土壤组成对土堤管涌的影响，在试验室砂槽中，用不同的砂、粉砂和粘土混合料建造了堤坝，并且利用边缘检测算法的图像处理技术进行研究，结果表明，粘土含量对侵蚀速率有显著影响，并提出了一种基于时间函数和土壤侵蚀系数的指数方程来估计侵蚀深度。

姚志雄等(2015)[24]为了研究颗粒级配对管涌发生发展的影响，揭示管涌细观机理，利用自行设计的模型槽(图9)对不同颗粒级配进行垂直渗流下的模型试验，揭示了不同颗粒级配对管涌的影响，并提出要判别缺失中间粒径的管涌型砂土是否会发生渗透破坏及其临界水力梯度大小，除了采用经典公式或经验曲线判断外，还需要针对实际土体情况进行更进一步的试验。

图9 自行设计的模型槽

陈建生等(2017)[25]利用室内试验砂槽，通过改变堤基的细颗粒含量，对含有悬挂式防渗墙的双层堤基管涌破坏进行了模拟，阐明了堤基细颗粒含量的变化对含有悬挂式防渗墙的双层堤基管涌发展与破坏的影响。

内管涌发生、发展过程受颗粒组成、颗粒分布、密实度、应力条件影响显著，存在动态耦合效应。目前已经建立了一些物理模型，但相关模型仅能考虑影响内管涌的某一因素，无法综合考虑管涌通道、上覆层、颗粒组成等因素对管涌的影响。

1.3 内管涌发生机制的可视化研究

当前国内还未严格区分常规管涌和侵蚀型内管涌，从细观层面上分析两者发生、发展的机理可知，虽然两者本质较为一致，均为细颗粒在骨架孔隙中移动，但常规管涌发展呈现出自渗流出口逆游侵蚀特征，而侵蚀型内管涌则表现为顺流侵蚀。相对于常规管涌，侵蚀型内管涌则更具隐蔽性、危害性，其发生不易察觉。内管涌的隐蔽性使得通过常规技术手段无法直接观察到土体内部的一些细观变化特征，为此，学者们结合相关先进技术，做了积极尝试(图10展示了常规管涌与内管涌差别)。

图10 常规管涌和内管涌示意图

Okita和Nishigka(1993)[26]提出了采用γ射线密度计通过测量土体的密度以反映颗粒的运移。Garner和Scbkowicz(2002)[27]在WAC Bennett大坝性能和安全的研究中，采用CT进行内管涌试验观测。

陈建生等(2003)[28]采用环境同位素与人工示踪的方法来研究北江大堤某处频发管涌的原因。利用稳定同位素δD(‰)与δ18O(‰)确定了地面涌水来源后，结合孔中的人工示踪方法确定管涌频发的原因。

随着数码摄像可视化跟踪技术和数字图像处理技术的发展和进步，学者们也将其运用与管涌试验中，展开了一系列的研究。

图11 高清管涌试验装置

张刚(2007)[10]将数码摄像可视化跟踪技术和数字图像处理技术(数码采集设备如图11(a)所示)引入管涌的室内模型试验，摄录土颗粒(试样如图11(b)所示)的移动轨迹，确定形成管涌的临界参数和识别分析管涌过程中管涌通道形成的机理。在室内试验的基础上结合数值模拟，对管涌进行细观研究。周健等(2007)[29]利用显微摄像可视化跟踪技术进行管涌模型试验，从细观角度观察到管涌发生发展破坏的全过程。基于试验数据，从孔隙率对临界水力梯度的敏感角度验证了模型的有效性，在分析孔隙率对临界水力梯度的影响度上，这个模型比太沙基模型要好。

姚秋玲等(2014)[30]利用显微镜和数码成像系统对管涌土体的局部进行放大摄录，通过试验现象和数字图像识别分析不同水头下管涌土体颗粒级配，分析了管涌发展过程中随水头变化的土体颗粒位移和流失规律，并从宏观和微观角度共同阐释了管涌发生、发展的机理。

姚志雄等(2015)[24]自行设计了模型槽进行垂直渗流下砂土管涌试验。通过体视显微镜，从细观尺度揭示临界细颗粒含量的砂土在管涌过程中，可能产生自滤反滤现象而使系统自稳定，并揭示了导致这一机制的原因。

本世纪初，透明土及图像处理技术快速发展，透明土技术被引入渗流领域。孔纲强等(2017)[31]针对熔融石英砂与混合油、溴化钙及蔗糖等孔隙液体制配成的3种透明土试样，开展了常水头渗透试验，测得不同情况下的渗透率和水在三种透明土中的渗透过程，并跟标准砂相关试验结果进行对比，初步探讨了孔隙液体、渗透率等因素对电渗过程与机理的影响规律。

CT和射线等相关技术可获得颗粒内部变化特征，但无法有效区分粗细骨料，且较为昂贵，对试验设备和试验技术亦有较高要求，因而未得以普及；数码摄像可视化跟踪技术和数字图像处理技术虽然克服了“经济可操作”这一问题，但仅能观测表面或内部散点信息，无法全局把握。满足“直接深入观察”及“经济可操作”基本特征将成为土体内部渗透变形研究趋势。因此，尝试融合透明土、平面激光诱导荧光显像及粒子示踪技术，从细观尺度深入土体内部直观地揭示内管涌细颗粒运移特征，具有重要的物理意义。

2 结论与展望

(1)数值仿真在当前管涌的研究中占有很重要的位置，是学者们研究管涌的重要手段，可以解释管涌试验中难以解释的一些现象。学者们对颗粒流法起初是进行了利用和开发，去研究管涌的发生，并与模型试验结果进行对比来验证可行性，有些学者也利用模型的结果来辅助数值模型的建立。随着技术的成熟和学者们的努力，颗粒流法逐渐的发展成当前的数值模拟中的主流，对模拟管涌更有适应性。学者们当前多依托联合颗粒流与其他流体分析方法实现固液两相耦合作用的精细模拟，这也是当前从细观层面研究管涌的趋势。

(2)影响管涌发生的因素众多，当前尚无法提出最有效的模型试验方法。众多学者针对影响管涌的各种因素，设计出特定的模型，逐步开展研究，获得了诸多积极的成果。但模型试验有些难以发现的现象和难以解决的问题，依托非介入式可视化模型试验获取基本特征进而建立相当的数值模型，可以使分析结果更加准确，数值结果也可以用来解释物模不易揭示的一些现象。因此，结合具有透视功能试验，获取颗粒组成及孔隙分布特征，建立细观离散模型以开展扩展性研究更具积极意义。

(3)对管涌发生过程的可视化这一问题，学者们进行了很多尝试，从用射线、CT和元素追踪等方法来间接观察管涌发生时的内部细颗粒变化特征，随着数码摄像可视化跟踪技术和数字图像处理技术的发展和进步，这些技术有机融入模型试验具有摄录追踪细颗粒的变化和观察管涌的发展过程等作用，但是获得的往往是模型边界面(表观)或内部少量离散点信息，无法对细颗粒运移及流失规律进行动态、全息的获取，因而设计出具有透视功能从而实现全息展示细颗粒动态运移的试验对解释管涌的发生发展具有更加理论与实际意义。

(4)管涌的发生、发展显然是颗粒-孔隙尺度的范畴，潜在管涌土体的组成的不均匀性导致其内部应力传递机制及其复杂，在持续渗透强度作用下(孔隙尺度相间作用)粗料与细料承担的应力呈现时空演化特征，当前尚不清楚细料在该过程中扮演的角色及其与管涌发生的内在联系，因而可以从颗粒孔隙尺度探讨土体应力传递及其在粗、细颗粒间的动态转化这个角度来解释管涌的发生机理，对于颗粒间力链的模拟离散是颗粒流方法的基本特性，显然，颗粒离散元在侵蚀型内管涌研究中将持续发挥其潜能。

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