刘 杰，谢定松，崔亦昊

(中国水利水电科学研究院，北京 100048)

摘 要：江河大堤中下游堤基双层地基中下层渗透系数k>0.02 cm/s的砂砾石土层居多数，这是一种管涌型土。研究了双层地基中这类土管涌破坏后的危害性，结果表明管涌破坏的后果，将在砂砾石层上部形成纯砾石的渗流通道，细颗粒的带出程度可达80%～100%。细料含量小于20%时带出程度可达100%，土骨架的结构不会产生明显变化，但渗流通道的渗透系数变为纯砾石的渗透系数，显著增大；细料含量大于20%时，渗流通道形成后将影响上部土层的稳定性。

关键词：砂砾石层；管涌破坏；破坏危害性

中图分类号：TV1 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2009)08–1188–04

作者简介：刘 杰(1933–)，男，教授级高级工程师，主要从事岩土工程渗流控制及安全评价方面研究。E-mail: xieds@iwhr.com。

Destructive tests on piping failure of sandy gravel layer of river dikes

LIU Jie, XIE Ding-song, CUI Yi-hao

(China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China)

Abstract: The sandy gravel layer at the lower part of the double foundation of river dikes is dominant, its permeability coefficient is larger than 0.02 cm/s, and it is a kind of piping material. The destructive tests on piping failure of this material are performed. Experimental results indicate that the seepage passages occur at the upper part of the sandy gravel layer, and the percentage of fine particle carried out reaches 80% to 100%. When the percentage of fine particle is smaller than 20%, it reachs 100%. The structure of soil skeleton doesn’t change, but its permeability coefficient becomes larger. When the percentage of fine particle is larger than 20%, the seepage passages will affect the stability of the upper layer.

Key words: sandy gravel layer; piping failure; failure destructiveness

0 概 述

20世纪50年代B C依斯托美娜根据渗透破坏机理将渗透稳定分为流土和管涌两大类。60年代初期，刘杰提出以细料含量判别砂砾石渗透稳定的方法，明确提出当细料含量小于25%时为管涌型土，大于35%时为流土型土[1]。砂砾石在我国江河大堤双层堤基中广为分布，以细粒含量小于25%，渗透系数大于0.02 cm/s的居多，荆江大堤、同马大堤、汉江大堤以及珠江的北江大堤等堤基中最为典型[2]。管涌型土的主要特征是可以明确地将其视为由骨架和填料两个部分组成，填料是可以自由移动的，破坏水力比降很小，容易渗透破坏。这类土中的细颗粒被渗流带走后对工程有哪些危害性，提问者较多，但研究者较少。前苏联专家E A鲁巴契柯夫认为，细颗粒的带走不会影响土的结构性状，因而由他编制的全苏水工建筑物反滤层设计规范是保护土中的粗颗粒，不考虑细颗粒的流失[3]。他在我国岳城水库坝基反滤层设计的现场试验中是以允许细颗粒流失而骨架不动的原则确定试验结果，建议的反滤料很粗，未敢采用[4]。

上述情况表明，在水利工程中如何对待和使用管涌土，是有争议的问题。为了查明管涌土的危害性，我们结合江河大堤中双层地基的渗透稳定问题，专门研究了砂砾石管涌后的危害性。内容包括：①管涌土中的细颗粒带出后土层结构及渗透系数有何变化；②对水工建筑物的整体稳定有何影响。试验结果表明，管涌土骨架中填料的移动并带出土体后不会影响土骨架的结构，渗透破坏的后果是土体孔隙变大，因而渗透系数加大，导致渗流量加大。对于上部为弱透水层的双层地基，则引起渗流场势能分布发生新的变化，使上部土层进一步破坏，导致整个地基渗透破坏。如果是理想的均匀地基，而且是管涌型土，则管涌破坏的后果，仅仅是地基中渗流量的加大而已。本项研究───────

基金项目：国家自然科学基金委员会、二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金项目（50639060）；“十一五”国家科技支撑计划项目（2006BAC14B04）

收稿日期：2008–01–22

第8期 刘 杰，等. 江河大堤堤基砂砾石层管涌破坏危害性试验研究 11

前后进行了4组试验，下层砂砾石中小于2 mm 的细料含量分别为25%、23%、20%、17%，渗透系数均小于0.02 cm/s ，渗透破坏试验结果均为管涌型土。由于4组试验管涌破坏后的结果是相同的，本文仅以细料含量为23%及17%两组试验结果为例加以论述，其它资料可见文献[5]。

1 试验方法

1.1 模型尺寸、试验土样及模型制造方法

用玻璃水槽进行江河大堤双层地基渗流的模拟试验，模型槽的尺寸为5.38 m ×0.65 m ×0.8 m ，大堤堤底宽1.25 m ，堤身不透水，用刚性盖板来模拟。双层地基的上部土层为低液限黏土，下层为砂砾石。砂砾石直接采用江河中常见的缺乏中间粒径的管涌型土。

模型设计原则见文献[5，6]，试验模型见图1，试验土料的颗粒组成曲线绘于图2，砂砾石样基本性质及试验结果见表1。黏土的基本性质：颗粒组成小于0.005 mm 为23%，小于0.1 mm 为90%，小于0.2 mm 为96%，w L =29%，w P =16.5%，I P =12.5%，渗透系数ρd =1.70 g/m 3，

k =1.93×10-4 cm/s ，临界界水力比降为2.48（按文献[7]确定）。

图1 砂槽试验模型纵剖面示意图

Fig. 1 Longitudinal profile of sand trap

图2 试验土料的颗粒组成

Fig. 2 Granular composition of test materials

1.2 试验过程中采集的各类数据

（1）各个阶段各土层中的测压管水位及相应的渗流量。

（2）观察并记录模型中出现的各种异常现象，如表层黏土层有无沉降；砂砾石层中何时细颗粒开始移动、停止或带出地基以外；土层层面有无变化等。

（3）试验停止后拆除模型进一步观察黏土层有无变化，描述砂砾石层中管涌通道的位置，大小及骨架颗粒有无移动。

（4）在砂砾石层的管涌通道中取样进行颗粒分析，确定细料的带出量。

2 试验结果

2.1 试验1（下层砂砾石的细料含量为17%） （1）模型特点

上层黏土层的k =1.93×10-4 cm/s ，下层砂砾石为料5，细料含量p =17%，渗透破坏试验结果破坏型式为管涌型土，渗透系数0.75 cm/s k =，J KP =0.19。两土层渗透系数之比为380倍。模型在上部黏土层中距堤脚21 cm 处，相当于原型8.4 m 处预先设置了一个φ10

cm 的出水孔，

直达砂砾石层表面，使砂砾石层提早承受较大水头，保证尽快渗透破坏。

（2）渗透破坏情况

由于黏土层已经穿孔破坏，砂砾石层中的承压水头显著减小。当黏土层中的垂直水力比降为1.71时，砂砾石层中的平均水力比降达0.37，孔内大量冒出浑水，由砂砾石层中带出的砂粒不断堆积在孔口以外的四周。砂砾石层的不断渗透破坏，经23 min 后使黏土层在孔口上游偏右侧的堤脚处重新穿孔破坏，水力比降由1.71降至0.97，从此渗透水流从新的破坏孔洞中集中外流，砂砾石层中的细颗粒也改从新的出口不断流出。历经70 min 后，砂砾石层表层的细粒基本流失干净，除堤脚处的黏土层与堤基脱开长度约为30 cm 外，其它部位二者仍接触良好，未发现其它不良后果。

（3）模型拆除情况

开挖模型中上层黏土层比较完整，与盖板紧密结合，未发现下沉、塌陷及其它渗透破坏现象。开挖到

表1 砂砾石料基本性质及试验结果

Table 1 Test results of engineering properties of sandy gravel materials 颗粒组成特性

渗流特性

水力比降

试验 用料 d 60 /mm

d 20 /mm

d 10 /mm

C u <2

mm ρd

/(g ·cm -3)

k /(cm ·s -1

)开始渗透

变形

破坏前 破坏时临界

料3 36 0.68 0.27 113 23% 2.05 0.12 0.15 0.24 0.27 0.26 料5

34 10 0.4 85 17% 2.00 0.75 0.14 0.18 0.20 0.19

砂砾石表面后，发现在砂砾石层中形成了一条无砂粒的纯砾石通道，宽10 cm，高度5 cm，出口与预留孔口相对应，以斜向左侧的方向向上游发展。通道表面平整，无塌陷迹象，粗颗粒间相互呈紧密接触状态。在砂砾石层中取样品3个，两个位于砾石通道上，一个在无渗透破坏处。颗粒分析结果，位于通道出口砂砾石层中的细粒平均带出量为16%，进口为5%。图3为砂砾石层试验前后的颗粒组成，图中未管涌处的颗粒组成与装样时的相一致。图4为堤基破坏示意图。

图3 试验1试验后砂砾石层颗分曲线（p=17%） Fig. 3 Granular composition of sandy gravel of experiment No.1

图4 试验1堤基破坏示意图

Fig. 4 Foundation failure of experiment No.1 （4）试验结果

尽管砂砾石层中的细颗粒全部流失，但其外部结构仍然稳定。管涌形成的砾石通道表面依然平整，保证了上部土体的稳定性。图5表明管涌破坏的主要危害表现在地基中的渗流量不断加大，同时使表层黏土层的冲刷破坏加剧，上层的穿孔破坏由远处向堤脚发展，威胁大堤安全。

图5 试验1 J–Q曲线

Fig. 5 Variation of Q with J of experiment No.1 2.2 试验2（下层砂砾石的细料含量为23%）

（1）试验特点

试验有如下特点：①上部黏土层中在距堤脚10 cm处（相应于原型4.0 m处），预设一个10 cm×8 cm 的出水孔；②在堤脚处设一道板墙，深入砂砾石层 1 cm，以防止堤基黏土层的渗透破坏；③砂砾石的细料含量为23%，接近填满尚未完全填满砾石层的孔隙，管涌试验结果为管涌型土。

（2）渗透破坏情况

由于黏土层中已经有孔，因而当砂砾石层中的水平水力比降达J=0.2时，预留孔连续不断出现浑水，经65 min渗水又变清。当砂砾石层中的水平水力比降增大到0.3时孔内又连续不断地涌出浑水，75 min后看到孔底部渗水呈股涌出，不断带出砂粒。在砂砾石层中形成的集中渗流通道出口位置在模型出口的中部，与预留孔口相对应。随后，上游作用水头不变，但渗流量不断加大，同时黏土层承受水头的能力也不断下降，在水力比降为0.66时和试验1一样，预留孔上游侧堤脚处的黏土层穿孔破坏，出现新的孔洞，大量渗水从新的穿孔处流出，渗流量骤增。图6为试验2的水力比降与渗流量的关系曲线。

（3）模型拆除情况

由于黏土层在出口设有板墙，试验过程中未发现黏土层与堤身之间有脱空问题，也未看到泥浆状的渗流，表明堤底黏土层完好。拆除模型进一步观察渗透破坏情况，发现黏土层表面有一条比周围土体较软的条带，最大带宽15 cm，上游进口宽约6 cm，出口与堤脚穿孔破坏处相毗邻。下部土体含水率无明显变化，但砂砾石层表层冲刷严重，有一条管涌形成的纯砾石通道，宽约10 cm，深度达6～7 cm，走向与上部软土条带相一致。取试样进行颗粒分析，砂砾石渗透破坏通道上细颗粒的带出量，堤脚出口高达18.5%；左侧进口段最少，为14%。以细颗粒本身而论，细颗粒最大带出量为80%，小于1.0 mm的细颗粒基本被流失。仔细观察砾石通道表面，无塌陷迹象，保持原始高度。被带出砂的颗粒级配曲线与砂砾石层中粒径<2 mm砂的级配曲线相一致，试验前后的颗粒级配曲线绘于图

7。图8为堤基渗流破坏示意图。

图6 试验2 J–Q曲线

Fig. 6 Variation of Q with J of experiment No. 2第8期刘杰，等. 江河大堤堤基砂砾石层管涌破坏危害性试验研究

1191

图7 试验2试验后砂砾石颗分曲线

Fig. 7 Granular composition of sandy gravel of experiment No. 2

图8 试验2堤基破坏示意图

Fig. 8 Foundation failure of experiment No. 2 （4）试验结果

试验结果有以下几点：①砂砾石中<2 mm的细颗粒≤23%时仍填不满粗骨架的孔隙，管涌破坏后细颗粒的流失量只达80%左右，其它20%的细颗粒夹挤于粗料缝隙中，不易被渗流带走。管涌形成的砾石通道洞径达10 cm×7 cm，未破坏骨架的整体结构，土体表面平整，保持原始高度；②随着骨架中细颗粒不断流失，土体的渗透系数不断增大，最终变成砾石的渗透系数，渗流量大增，出口冲刷能力加强，促使上部土层的渗透破坏向堤外发展，出现新的孔洞；③尽管砂砾石层中的细颗粒不参与构成土体结构，但细颗粒带出后将影响上层土体的接触状态，使上层土的抗渗强度降低，加剧了上部土体的渗透破坏。

3 结 论

（1）砂砾石中细料含量达23%时仍填不满粗料的孔隙，是一种管涌型土，细颗粒很容易被渗流所带走，但带出量只达80%，有20%的细颗粒仍夹挤在粗粒孔隙中。当细料含量为17%时，渗透破坏后细粒全部被流失。

（2）管涌型土中的细颗粒在土骨架中处于自由状态，被渗流带走后不影响骨架结构的稳定性，但渗透系数显著增大，进一步的渗透破坏将变为骨架的流土破坏，即整体破坏。

（3）双层地基中砂砾石层的渗透破坏部位主要在上部，在砂砾石层上部形成一条由纯砾石构成的管涌通道，使地基的渗流量剧增，因而加剧了上部黏土层的破坏，导致上部土层在堤内的渗透破坏由远到近很快向堤外发展。如果细粒含量大于20%，细粒流失后上部土体还会塌陷，导致整个地基渗透破坏。

（4）地基结构往往是不均一的，管涌土的渗透破坏可能会影响地基的整体稳定，故不应允许细颗粒的大量流失。因而在防止管涌土的渗透破坏方面建议采用保护细料不允许流失的原则设计反滤层[4]。

参考文献：

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出版社, 1992. (LIU Jie. Seepage stability and seepage control of soil[M]. Beijing: Water Resources and Electric Power Press, 1992. (in Chinese))

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京: 中国水利水电出版社, 2006. (LIU Jie. Seepage control of earth-rock dams theoretical basis, engineering experiences and lessons[M]. Beijing: China Water Power Press, 2005. (in Chinese))下载本文