管涌发生条件分析

管涌发生条件分析

刘贺军

浙江省地矿勘察院有限公司 浙江杭州 310000

【摘 要】近些年来，随着工程项目的增多和工程规模的不断增大，基础工程所暴露出的问题越来越多。管涌作为基础工程中常见问题之一，研究其发生机理和条件，对未来基础工程的开展有着重要作用。

【关键词】管涌；地质；基础工程；措施

水利工程关乎国计民生，关系着国家发展和人民群众生命财产安全。在水利工程建设中，堤坝建设更是重中之重，目前虽然我国的水利工程建设取得了突破性进展，但也出现了各种新问题，这些问题影响着工程效益的发挥，威胁着周围居民生命财产安全。管涌作为水利工程建设中常见隐患之一，如何减少其发生是当今业界研究重点。下面我们就管涌的发生条件作了分析。

一、管涌概述

管涌主要指的是土颗粒群体在渗透水压的作用下发生的相对涌动，是骨架空隙中填充颗粒被渗水冲走的现象。由于管涌发生的征兆并不明显，预防难度大因而极容易被忽视。但这种现象却又存在着发展迅速、维修困难的现象，一旦发生，匆忙间难以及时修补甚至会伴随时间的流逝隐患逐渐加大，从而造成更大的损失。因此，对管涌问题进行准确分析，及时、有目的进行处理，尽可能的将管涌危害降到最低，使得周边临近建筑物得到保护、周围民众生命财产安全得到保障是目前工作的重点。

通常情况下，水利工程大坝和堤防的基础均为二元结构，最下层是与水流相同的强透水层，在上面则是由细小砂石组成的防护层，在上面则是透水性能较差的土壤或者粘性土。在长期运行中，当河流遭遇汛期或者水位校稿的时候，由于强透水层的沿程水头损失比较小，导致渗透水的速度和压力急剧上升，渗透的坡度也变陡，此时由于没有反过滤保护，当渗透坡度大于堤基的允许渗透坡降时，一些堤基当中的砂石会随着水而流出，堤基发生渗透破坏，从而形成管涌。或者在背水坡脚外面，由于基坑的开挖，取土等原因破坏土层表面的覆盖，在较大的水力冲击的作用下，将底层当中的砂石带出而形成管涌。管涌可能发生于局部范围，也有可能进一步的扩大其危害范围，最终导致地堤防的溃决，其具体的过程一般来说有土颗粒以及沙石颗粒的流出，通道的形成等。当无粘性土壤承受的水压力达到一定值的时候，一些粒径比较小的颗粒移动，随着水压力的慢慢增大，一些粒径比较大的颗粒也慢慢的开始移动，随后有更多的颗粒随着水流出，出现管涌的现象比较的严重。一些粒径较大的颗粒会随着颗粒流走而被土壤的骨架阻挡下来，随着颗粒积累的越来越多，水受到颗粒的阻力会去寻找其他比较容易的出口，进而形成新的颗粒通道，导致其他的颗粒流走。

管涌过程中颗粒的流失就是在水寻找其他比较容易的通道的过程中发生的。当土颗粒受到的水压力不足够大的时候，颗粒基本上保证不动的状态；当遭受的水压力大于土颗粒之间的相互作用力的时候，一些颗粒慢慢逐渐的产生移动，受到的水压力越大，移动的颗粒也就越多。

二、管涌产生的机理

1、流砂现象

实践经验表明，具备下列性质的土在一定动水压力作用下，就可能发生流砂现象。首先，土的颗粒组成中，粘粒含量小于10%，粉粒（颗粒为0.005～0.05mm）含量大于75%；其次，颗粒级配中，土的不均匀系数小于5；再次，土的天然孔隙比大于0.75；最后，土的天然含水量大于30%。因此，流砂现象常发生在细砂、粉砂及粉土中。流砂产生的原因如图1所示。

图1流砂产生原因示意图

由图可知，由于高水位的（水头为h1）与低水位的（水头为h2）之间存在压力差，水经过长度为L，断面面积为F的土体由左向右渗透，作用于土体上的力有：Vwh1F——作用于土体左端a-a截面处的总水压力，其方向与水流方向一致（Vw为水的重度）；Vwh2F——作用于右端b-b截面处的总水压力，其方向与水流方向相反；TLF——土骨架对水流的阻力（T为单位土体阻力）。由静力平衡条件得:Vwh1F-Vwh2F-TLF=0，将此公式作为公式（1），式中h1-h2L为水头差与渗透路程长度之比，即为水力坡度以Ⅰ表示，式（1）写成T=IVw，由于T与水在土中渗流时对单位土体的压力GD大小相等、方向相反，所以GD=-T=-IVw，将此公式作为公式（2）；在公式2中GD称为动水压力，其作用方向与水流一致，见图2。当GD≥V′W时（V′w为土的浸水容重），土颗粒失去自重，处于悬浮状态，土的抗剪强度等于零、土颗粒能随渗流的水一起流动产生流砂现象。

图2、流砂产生原理图

2、管涌发生机理

当大堤堤身含有细颗粒,且颗粒为均匀松散的非粘性土层时,在长期高水位浸泡下,其土层变成饱和土时,极容易产生管涌冒砂现象,随着堤外洪水的上涨,即压力水头H加大。当HVw>hV(式中Vw、V分别为水和土的重度),即水的渗透作用对堤内不透水地表土层的顶托力大于地表土的重量时,产生管涌或管涌群,冒出大量泥砂,且管径不断加大,如不及时处理则造成溃堤决口,后果不堪设想。

3、管涌发生过程

在管涌发生之前，外水位造成的静水压力作用在黏土覆盖层顶板下，上游水位与沙土层之间产生水头，形成压差，由于黏土覆盖层的渗透系数比砂层小 2 个数量级以上 ,砂层与黏土覆盖层两点间的压差很大。上涨的外水头引起覆盖层底部压力增加，当该压力大到一定程度后，黏土覆盖层被静水压力顶穿冲决，砂层中的水都涌向管涌口。土体内部的细颗粒随之迁移，从而形成渗漏通道，最终引起提防溃决

4、管涌险情的判别

首先，一般而言，我们会根据出现管涌现象的位置与堤坝的举例来进行相关的灾情判断，如果发生管涌的位置距离堤坝较近，那么这就说明这次灾情较为严重，根据相关的数据调查，距离堤坝距离在15倍水位的范围内的管涌险情是最为危险的，但是如果超出这个范围危险系数就会相应减少。其次，管涌险情出现的区域如果在坑塘中，那么水面上相应的就会出现带有泥沙的水花，具体的深度可以通过相应的专业手段进行探测，观察管涌口是否出现了沙环。再次，如果管涌灾情出现在农田中，那么就有可能会形成管涌群，会出现类似于“煮汤”翻涌的现象，如果从中涌出的是清水，那么情况可以判断为较为稳定，暂时可以不用进行紧急处理，但是却仍然需要进行持续的观察，并且时刻做好应急救险的准备。最后，有些管涌出现的位置距离堤坝较远，但是范围却在不断扩大，带出的流沙量也不断增多，那么这就应该判断为重大灾情，应该进行紧急处理，及时做好应急救险准备。

三、结束语

管涌的发生大多是由于内部结构颗粒发生迁移引起内部渗透通道，逐渐出现内部失稳的现象，从上述就可以发现，管涌的出现主要原因是自身可移动颗粒过多，使得结构受到外部水力条件和内部迁移出现质量隐患，因而在未来工程建设中这点需要高度重视。

参考文献

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[3] 张 勇. 浅析堤坝管涌形成机理及防治措施[J]. 建筑工程技术与设计, 2017(10).