土体“管涌”现象的相关研究现状

赵琪 高浩 张童月 卢姝洁

西南科技大学 621000

摘要： 管涌渗水是城区土体具有渗透性和变形的一个重要排水现象,关系着受到土体地基的持续渗流和被破坏,是严重威胁城区土石坝与河道堤防安全的重要排水隐患。目前还没有形成一种公认的研究理论。本文基于管涌无化学粘性土中管涌洪水侵蚀的当前细观内在力学应用机制问题开展实验研究,在充分总结过去实验研究的基础上,首先对管涌的内在力学含义问题进行深入探讨,提出当前管涌的主要相关科学研究应用现状及当前发展趋势现状,再通过反观管涌历史,结合当前过去的管涌实验调查资料、研究成果,进行定量分析及对比性质的研究,最后详细说明管涌侵蚀研究应用方法的当前发展趋势,能更好地在汛期即将到来之前彻底查清安全隐患,做到未雨绸缪。

关键词：管涌；渗透；侵蚀；无粘性土

引言

管涌另一种说法就是"翻沙滚水",从表面上就可看出,管涌是江河大堤在洪灾期间常见的情况之一。管涌的沉陷产生机理过程中,由于管涌土体中细砂质颗粒的不断流失,土体的某些重要力学物理特性性比如:稳定性、渗透性和力等会发生变化,加上水土流失的进一步持续发展,不同流失类型和后期发展的不同流失过程模式都会对管涌的产生机理结构有不利性的影响,若未及时予以解决,伴随着当地雨水的持续冲刷,堤基下层的大量泥沙将不断地向涌出,管涌的沉陷直径就越大,导致管涌堤基上层发生不均匀性的沉陷,最终形成崩堤。管涌的发展过程受诸多因素影响,不同走向孔隙内的细颗粒受到的水流拖力各不相同,运移过程也有显著差异;还有土体颗粒的所处的水利条件、应力状态、级配、压实度、密实度等。到现在推行为止,管涌临界发生水流渗透梯度的破坏理论基础研究还不成熟,因为临界发生管涌的水流渗透破坏机理还未在科学理论上可以进行重大突破,况且科学实验难以使预测准确,国内外关于管涌的理论研究大多从管涌渗流梯度破坏的科学角度进行出发,主要目的在于对临界管涌渗流梯度破坏所在条件的准确判别。可见研究渗流方向等诸多因素对土体管涌的影响很有必要,能为涉水岩土工程安全管理和抗洪抢险等提供理论和科学依据,奠定坚实的基础。

1 管涌现象的研究现状

1.1管涌及其特点

堤防建设工程中,渗透性和破坏的各种形式基本上也都是从一个宏观上的角度出发来进行分类的。其中接触堤身墙体渗流渗水破坏的三种常见情况分别认为是:墙体渗水集中造成的接触堤坡墙体冲刷、漏洞和渗水集中墙体渗流渗水造成的墙体接触堤坡冲刷。堤基的动力渗流造成破坏常见地表现在因为流水泡泉、沙沸、土层中的隆起、浮动、膨胀、断裂等,统称管涌,指的也就是地下水在水向砂性土中方向渗流时,土中的一些细小砂性颗粒在水的动力力和水的综合作用下,可能通过粗细小颗粒的孔隙被动力水流推动带走这种破坏现象。管涌的异常发生与水壤土性、水力学性质特性、渗流流动方向、结构物流体型式等因素紧密联系着,因此其涌的发生出现机理极其复杂,管涌的发生出现过程有着多变、很难准确预测等基本特征,治理工程难度相对较大。从本质上看,随着土质不断变化,形成集中渗流管道的原则也会相应地变化。许多年的工程科学理论研究以及实践分析结果表明:一般上是依据不同墙体渗流土的不同破坏组成灾害模式形成以及发生条件机理的不同,渗流土的不同破坏条件形成灾害可以大致划分三类为主要为墙体渗水后的流土、管涌两种破坏组成灾害形式。流土土的流失现象指的也就是在这些土体土壤渗透力强的挤压作用下,土体各种颗粒结构中的某一部分固体粘土颗粒群同时由于停止粘土起动而不断粘土流失的一种自然现象,发生这些固体流土流而受到严重破坏的土体就是这些土体,土体的各种颗粒间相互作用而能紧密结合,能同时持续承受的压力就是土体水头压力大和土壤压力大。但一个针对流土体的整体综合破坏对其整体造成的流土整体破坏危害性也是相当严重的,它就是一个属于我们针对整块土体的一个流土整体破坏流土综合破坏,如果我们实施整体抢修不及时,实施整体保护措施不恰当,就会造成土体结构破坏,从而造成溃堤。当进入水流或移动水时的水流压力太大不一定足以完全将水带走整个微小轻质混凝土块,而将其中细小的带有水淤泥颗粒全部被水带走的一种管涌现象则很有可能认为是管涌,大多数都只能发生在分散性的带有水颗粒粘性轻质混凝土以及其他一些无水的轻质粘性土中。

1.2 管涌发生的条件及现状

管涌的现象发生往往受诸多客观因素直接影响,例如混凝土层的细砂颗粒密度级别分配、颗粒的地层空间间隙分布、水头差等,管道渗涌现象一旦会发生,许多没有细砂颗粒涌现出来的地面,地层在水中的渗透系数就会发生不均匀性的变化,之前整个地层的渗透系数主要由细小的颗粒所渗透决定,而管涌这种现象一旦发生之后渗透系数就由大集中颗粒的地层渗透性能所决定,并且将来会产生许多有危险的集中颗粒渗漏排水通道。管涌洪水发生时泵需要一定的动力条件,首先粗小细颗粒的两个孔隙滚动直径必须不得大于细小粗颗粒的孔隙直径,另外一个重要条件也就是泵的动力排水力量可能能够带动细小粗颗粒在两个孔隙间垂直滚动或横向移动,只有满足以上两个条件,管涌才有可能发生。

颗粒从管涌区移出是繁杂的现象,与土层砂土颗粒的形状、尺寸以及相对密度、结构、砂土沉积层有密切关系。提前模拟预测某一出水区域管涌梯度开始进入水头管涌梯度在实际上来说是不太可行的,目前很多实验室的应用试验对管涌梯度模拟很难完全实现而且很少做到能准确反映现场的实际使用情况。若经过全面的试验工作未检测出现场的局部渗流水水头压力,建立可能发生管涌的渗流水头压力梯度,也基本没有任何意义,这仅仅是因为在现场局部小积水区域没有渗流水的情况下也是很难检测得到的。

2 对于管涌的防范措施

综上上述分析及根据历史多年实践经验分析表明:防治出现发生流砂管涌的重要防治前提条件是流砂动水时时压力的稳定大小和动水方向,因此,防治出现流砂管涌的重中之重也就是实施治水,主要防治切入点就是及时消除、减少或调整平衡流砂动水时的压力(顶托水压力),具体实施治水措施方案如下:

(1)在管涌后的水塘处处管涌可采用抛大量的大理石块或粉碎后的砂石及大块卵石制成袋子并用土堆砌建筑管涌池塘平台,以此两种方式可用来有效控制平衡堤内水流动涌的池塘水压,若堤内管涌后的水塘内部同时出现管涌,可可以考虑同时采用大型管式虹吸管将堤外的管涌塘水进行分流后再引入管涌后的水塘内部以有效减小管涌池塘水位差。

(2)及时检查摸清当年水涌管冲管流江涌堤外洪水整体防洪渗水处的缺口处,用少量新鲜大米、黄豆、或者用少量粘土袋对其进行渗水堵压,从而有效控制减少当年防汛洪水对管涌管冲江堤堤外整体洪水渗透的最大可流动水量和最大压力。

(3)在堤内长江溢流管道下涌处堤外两侧分别打造一道石板桩,增加长江管道下涌水溢流活动管道渗入堤内的管涌水力量和渗流活动管道墙壁长度,减小管涌处的水力活动溢流管道坡度,从而大大控制减小向堤内长江下涌堤堤外两侧渗透的管涌水溢流活动和洪水溢流管道压力,防止管涌洪水渗入流砂管涌。

(4)对于管涌堤身是在地质环境条件、构造复杂的特殊情况下,采用特殊土壤冻结法,形成的土壤冻结层和防渗透的水幕,可大大有效防止管涌。

(5)采用化学物质注水灌浆的方法,采用防水粘土泥浆固化化学注浆法,建立地下水的防渗洞或帷幕墙以防渗洞口堵漏,还有也可考虑采用先行浇灌一些大米、黄豆等一些遇地下水不易膨胀的化学物质后先灌住堵漏缝眼,再进行浇灌地下水泥浆。

(6)对于填土基地范围距离城区堤防堤坝大堤100m以上工程管理范围内的污水池塘和养鱼池、水沟、水井、土坑等低洼处,全部及时进行开挖运土并然后用大型分层填土压力工具碾压土层进行填平,加大填土基层的占地面积和土壤土层覆盖率和降低土层的综合堆积利用重量。

(7)堤外防水利用硬质防水层和耐腐蚀性材料对高压堤进行防渗。

3. 结论

本文通过对过去有关管涌现象的研究,对当今采取有效的防范措施来治理堤坝坍塌等现象是至关重要的。放眼未来,在推进土体管道水涌处理方面学术研究进展方面,可以及时引入更多细观土体力学的基础理论知识,并充分运用现代计算机图像摄影、可视自动化图像观察及土体数字信息图像处理分析技术等先进科学技术,运用土体颗粒物和流体等相关的处理软件,模拟大面积变形和室内水土相互作用的变化过程,将室内力学实验、理论数据分析和土体数值物理模拟有机结合进行起来,全面研究并反映管涌发生过程的真实状态。

管涌治理是造成大堤堤坝破坏的常见形成原因,实践经验表明只要采取合理的管涌治理大堤方法应该是切实可行的。大江两岸大堤区的地质生态条件虽然十分复杂多样,同时它也会不断产生不同地质形式的自然灾害,因此,抗洪防汛需要积极采取多种新的科学救灾方法,不仅仅是要求依靠组织水利电力等相关部门的专业科技人员,也同时需要积极组织建筑土木、机械与微电子、矿物处理加固、地质物理工程等诸多相关学科的专业科研人员积极参与大江抗洪防汛抗险救灾工作。