悬挂式防渗墙控制管涌发展的试验研究

在试验室水槽中进行了有悬挂式防渗墙的砂质堤基的渗流模型管涌试验，取得了不同贯入度悬挂防渗墙防止管涌效果的系列试验成果，论证了悬挂式防渗墙对覆盖土层下粉细砂地基发生管涌时有截断通道、控制管涌发展的显著功效。根据试验资料确定了悬挂式防渗墙及其前后水平段的渗流临界坡降，给出了管涌险情是否会影响大堤安全的估算公式。     

安庆广济江堤双层地基渗流分析及工程措施

渗流破坏特别是管涌，是江堤失事的重要原因。安庆广济江堤部分堤段堤基上层是弱透水覆盖层，下层是强透水砂层，为典型的双层结构地基。1998年汛期多处发生管涌。设计采用规范公式和有限元进行渗流分析，结合实际情况，不同的堤段分别采取了垂直截渗墙、减压井和盖重等工程措施，对堤基进行加固处理。     

双层堤基产生管涌的防治

双层堤基管涌产生的局部冒水孔实属承压自流井,由此形成的管涌实质为井涌。依据管涌冒水孔具有的承压井流特征,以堤后管涌点为中心,再向外追索管涌影响范围和扩展方向的管涌探测新思路。同时通过预测性探测,管涌可能发生的主要部位和管涌可能发生的最大范围可以被预测到,从而提高对双层堤基管涌的地质认识。双层堤基渗流呈静水承压状态,它具有特殊的水文地质结构。认识双层堤基静水承压渗流的特征,加强认清双层堤基管涌的地质特征,从而讨论预测性探测通过的方法,预测出管涌可能发生的主要部位和管涌可能发生的最大范围。通过仁怀市九仓河月亮湖防洪堤治理的设计,阐述双层堤基产生管涌的防治。     

基于球状井非稳定井流理论的管涌流场分布研究

渗流场分布确定是管涌研究的基础与关键。双层堤基管涌时土体破坏范围仅局限于管涌口周围,且在管涌口形成后土体中的渗流场会经历一个动态的变化过程。基于此,将管涌口概化为半球状的涌水井,结合非稳态渗流方程和叠加原理,对定水头条件下双层堤基管涌口形成后地层中的流场分布进行了研究,得到了管涌口形成以后的渗流场分布。通过算例,研究了管涌口形成以后堤基内水头以及水力梯度随时间的变化规律;通过与稳定条件下完整井流的对比,得到了球状井与完整井条件下水头与水力梯度的分布规律。研究表明:管涌口形成时的非稳定渗流是造成细砂突涌的重要原因之一;利用稳定完整井条件下的渗流场分布进行管涌判别时,会明显夸大管涌的发生范围。     

多层堤基结构管涌动态发展的数值模拟

针对多层堤基结构管涌动态发展过程,利用有限元分析软件模拟了管涌发展不同阶段堤基内部渗流场分布,对比分析了各区域水力梯度与各区域土体侵蚀临界水力梯度,从而确定管涌发展各阶段颗粒流失的区域和范围。结果表明：细砂夹层埋深为1m的多层堤基,管涌发生的标志是管涌口下端的细砂夹层冲破,发生竖向流土破坏;管涌发展过程中,堤基内土颗粒不断流失,局部土体渗透性随之发生变化,渗透性的变化影响渗流场的分布,继而又会影响土颗粒的流失,管涌动态发展是土颗粒流失与土体渗流相互影响、相互耦合的过程;同时管涌发展过程中存在多种类型的破坏形式,深层管涌破坏与浅层管涌破坏同时作用,产生的管涌通道深度很大,对大坝安全产生重大影响。     

堤基管涌机理及防治设计准则研究

堤基管涌抢险和防治是堤防工程安全的心腹之患,水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心自成立以来,持续开展堤基管涌机理和防治设计准则方面的研究。系统深入研究了典型堤基结构管涌破坏机理和模式、管涌自愈现象,发现了不同堤基结构管涌发展机理和破坏模式的特点和区别;提出了管涌抢险合理范围和盖重合理宽度的确定方法建议;提出并论证了悬挂式短墙布置在背水侧更能有效控制管涌发展的作用机理和设计方法;研发了管涌动态模拟数学模型和软件。提升了对管涌机理的认识,发展了传统渗流控制理论,对管涌防治和抢险有重要指导作用,成果已应用于堤防设计和抢险中。     

单层和双层堤基管涌砂槽模型试验研究

针对典型的单层和双层堤基进行了管涌机理的砂槽模型试验研究,观察并分析了管涌发生、发展并导致溃堤的机理和过程。试验结果表明,单层和双层堤基管涌发展的机理、通道形状和位置均相似,管涌破坏均发生在透水层的顶面,低于临界水头时,管涌仅在一定范围内发展并最终停止,管涌通道不会与江(河)水连通,一旦超过临界水头,管涌通道持续发展并最终与江(河)水连通,连通管流的强力冲刷最终导致堤基整体破坏和溃堤。但是,单层和双层堤基管涌破坏的水平平均临界水力比降不同,且前者大于后者,对试验用粉细砂,前者为0·278,后者为0·214。     

二元堤基结构堤防管涌机理模型试验

为了科学解释二元堤基结构堤防管涌致灾机制并揭示其形成、演化过程和致溃规律,在考虑堤基强、弱透水层之间壤土过渡层作用的基础上,通过室内模型试验完整地模拟了二元堤基管涌从单个泡泉发展至管涌群并最终造成堤基塌陷溃决的全过程。试验结果表明:上部黏土及壤土层在渗流的顶托作用下向上隆起并在堤基内部产生层间水平渗漏通道,导致发生潜层砂沸,最终向上发展为表面砂沸的渗透破坏；二元堤基结构管涌发展可分为裂缝发展、潜层破坏、上覆层破坏、管涌通道上溯、堤基破坏和堤基溃决6个发展阶段；表面砂沸由潜层砂沸发展而来,潜层砂沸是由于土层内竖向坡降所引起的渗流力大于上部土体浮容重时造成的土层结构破坏所致,临界竖向坡降处于0.9~1之间；壤土层的存在会加快堤后自由边界区域管涌群的发展速度,但可以延缓管涌通道的上溯,对堤基具有保护作用。     

北江大堤典型堤段管涌试验研究与分析

用北江大堤典型堤段的堤基粉细砂砾在玻璃水槽中模拟不同砂层厚度、埋深、层次结构及接触面粗糙度等条件下的管涌试验。论证了接触面加糙后能使临界坡降由光滑面的0．10提高到0．13～0．20。较细的上层砂和较粗的下层砂砾将有可能使临界坡降减小30％左右。最后，根据多层地基渗流理论推导出堤基渗流管涌发展的计算公式，并用三维有限元计算进行了验证。该公式可以用来估算管涌突发时的涌砂范围和继续向上游冲蚀发展的距离，以便判别危害大堤安全的程度。     

堤基渗流无害管涌试验研究

在室内水槽中进行几何比尺1∶20及1∶40的堤基渗流引起的管涌试验，论证了双层地基粉细砂层发生管涌通道时影响大堤安全的水平渗流临界坡降平均值为0.1左右。试验结果表明，管涌与砂层厚度、砂层顶面接触糙度、出口水头损失、堤前冲深以及砂基结构性质等有关，管涌有害与否与沿程承压水头分布的不断调整和渗流量变化密切相关。文中还讨论了模型比尺问题。     

论堤防管涌的危急性及其分类的意义

通过回顾荆江大堤的管涌实例和已经围绕管涌开展的模型模拟研究工作,得到了一系列启示;建立了管涌危急性和致溃型管涌概念,并分别展开了讨论,认为管涌危急性概念的提出有利于开展各影响因素对管涌规律作用的定量研究;对管涌危急性具有特殊影响的因素包括洪水过程、堤内水位、管涌位置、管涌附近及其扩展路径上的地层结构条件和土体性质、渗流控制措施等;根据危急性对管涌进行分类,是管涌分类施策的重要基础,也是提高管涌险情处置针对性与科学性的重要途径。一般情况下,可以将堤身管涌,以及管涌扩展过程没有收敛迹象、短期内可能扩展至堤身附近的堤基管涌划归为致溃型管涌,需要立即采取抢险处置措施遏止其进一步演化,或者立即启动应对决堤的预案。     

荆江沙基堤防的管涌险情抢护与防治

介绍管涌险情的成因，“外截内导”的指导原则，“围井导滤”和“蓄水反压”的抢护方法，“出清水不带泥沙”的管涌险情控制标志．防止管涌的主要方法是前堵后排（ 导） 或前堵后压，以排为主，截、排、压兼施，延长渗径，改变堤基的渗流状态．采用填筑堤内平台，使覆盖层的厚度与水头差相等，是防止管涌险情发生的有效方法．     

存在高渗透区域的堰塞坝渗流稳定性分析——以红石河堰塞坝为例

堰塞坝是由滑坡体土石材料快速堆积而成,没有经过充分固结,坝体结构松垮、组成物质松散,材料分布极不均匀,局部很可能存在由大颗粒组成的高渗透区域,在堰塞湖蓄水的高水头作用下可诱发渗流破坏(如管涌),进而导致坝体失稳。本文以汶川大地震中形成的红石河堰塞坝为例,通过分析高渗透区域对红石河堰塞坝渗流特性的影响规律,提出一种考虑高渗透区域存在的堰塞坝渗流稳定分析方法。该方法将渗流失稳定义为管涌和边坡失稳的循环发展过程,并针对土体材料和水力学参数设置管涌和边坡失稳临界条件用于判断渗流失稳发展情况。通过对红石河堰塞坝的分析发现,高渗透区域的存在对堰塞坝的渗流稳定是不利的。高渗透区域越长、渗透性越高、其位置越靠近坝体下游坡脚,堰塞坝的渗流稳定性越差。由于红石河堰塞坝坝宽坡缓,高渗透性区域的存在可引发局部管涌,但不会发生管涌及边坡失稳破坏;当坝顶宽度较小、下游边坡比较大时,坝体发生管涌和失稳连续破坏,最终导致漫顶溃坝。     

堤防管涌产生集中渗漏通道机理与探测方法研究

本文对堤防渗流管涌发生后产生集中渗漏通道的机理进行了深入的分析探讨，在管涌发生初期采用井流理论模拟河水向管涌口补给时地下水的流场情况，确定管涌开始发生时的范围以及逐步的发展过程，根据管涌的临界水力梯度，通过模型可以求出管涌初期的临界面，管涌初期涌砂区的范围较大，由于管涌离堤坝最近的地层中的水力梯度最大，被带走的砂也最多，涌水量增加而水力梯度减小，造成接近管涌初期临界面附近的水力梯度达不到地层颗粒移动的临界水力梯度，造成临界面向里缩小，最终形成了集中渗漏带。本文还对管涌渗漏探测的天然示踪与同位素示踪方法进行了论述。     

三层堤基管涌砂槽模型试验研究

对由弱透水表土层、细砂层和强透水砂砾层组成的三层堤基进行了管涌发展的砂槽模型试验,观察并分析了管涌发生、发展并导致溃堤的机理和过程。试验结果表明,强透水砂砾层的存在将使堤基管涌破坏的水平平均临界比降降低,当细砂层相对于砂砾层的厚度较薄时这种影响会很大,试验得到的最小值为0·078,而且堤基管涌发展的机理与双层堤基有很大区别。     

荆江大堤观音寺堤段减压井灌淤现场试验研究

本文阐述在荆江大堤观音寺堤段进行的现场灌淤试验。通过对地下水动态的分析,阐明减压井中氧化还原电位和溶解氧含量随江水位的变化规律,由于荆江大堤的特定工程地质、水文地质条件以及长江水流动态决定了荆江大堤堤基减压井灌淤的发生和发展。由此提出在汛期高水位时流向井的水只来自江水,汛期减压井应全部投入运行。文中列举渗流量的变化,氧化还原电位的分布以及试样各部位铁含量的变化等,论证所提电化学方法是一种防治减压井灌淤的有效方法。文中还提出,为防止减压井失效,应选择适应荆江大堤特定水文地质条件的材料以及尺寸等。     

江河大堤双层地基渗透破坏机理模型试验研究

本文通过模型试验研究了双层地基的渗透破坏问题。在模型设计中不仅考虑下层地基中承压水头的大小,而且考虑土的渗透稳定性,并以下层出现的承压水头大小按两土层渗透系数比值,将其细分为4种地层结构,分别研究其渗透破坏机理。试验结果表明,渗透破坏都是开始于上层土,上下两种土层渗透系数之比大于100的地层为最危险结构,最终控制地基渗流稳定的是下层管涌型土层。整个破坏过程可描写为上层流土穿孔—下层管涌—上层流土破坏向堤脚发展—上层整体破坏。下层管涌型土的允许水力比降应采用水平允许水力比降,以此确定双层地基不允许的渗透破坏范围。