第六章堤坝管涌和接触冲刷破坏机理

Q?2?K(H0?H)M (6.49)

?2a?ln??r???w?式中：rw—接触冲刷引起的砂井的半径；M—含水层的厚度；H0—外江水位；

H—渗透破坏处水位。

将总流量分配到各个单元，假设在?t时刻内每个小单元内的渗透系数各点相同并保持不变，于是通过各单元的渗透系数与水力坡降可以求出渗透流速与实际流速。如果该单元中的流速达到了细颗粒的起动速度，将有细颗粒被带出该单元，假设在多孔介质中输砂量与流速的1 次方成正比，假设第i单元被带走的细砂体积为?Vi，则式(6.45)可表示为[16]：

K?K1??Vi??t?Vi??t?K2?(1?) (6.50)

?Si??Li?M?Si??Li?M式中：?Si—单元的长；?Li—单元的宽；M—砂砾石层的厚度。

如果单元中的渗透流速小于细颗粒的起动速度，则渗透系数将发生变化，按

前一时刻段的渗透系数算得t时刻末各点处的水头以及各单元的渗透系数，然后进行下一次迭代，这样可以计算出经?t时刻后管涌新的出水量、渗透系数以及水头分布。

6.3.2 算例分析

假设地基土层为粘土层，粘土层水平分布，其中夹有一薄层砂砾石层，该砂砾石层裂隙宽度为2cm，其渗透系数为140.94cm/s,砂砾石层中细砂的直径为

1.2mm, 其渗透系数为0.078cm/s，水头差5m，接触冲刷破坏处距离堤坝为10m。接触冲刷破坏处的半径假设为0.5m。经过计算，得到结果如下。

接触冲刷发生后接触冲刷附近的水头及渗透系数的分布[16]：

图6.20（a）接触冲刷发生初期夹层中的水头分布

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图6.20（b） 接触冲刷发生中期夹层中的水头分布

图6.20（c） 接触冲刷发生后期夹层中的水头分布

图6.21（a）接触冲刷初期阶段夹层中渗透系数分布

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图6.21（b） 接触冲刷中间阶段夹层中渗透系数分布

图6.21（c） 接触冲刷形成通道夹层中渗透系数分布

通过模型计算可得到接触冲刷发生前后地层中水头的变化，接触冲刷发生初期地层中的渗透系数相等，地层水头变化，见图6.21，近似为偏心的圆形分布，靠近堤坝一侧的水力坡降较大。随着接触冲刷的发展，大量的细砂被水流带出，地层中的渗透系数发生变化，靠近接触冲刷破坏的渗透系数逐渐变大并逐步向江堤方向发展，接触冲刷破坏处附近的流场发生畸变，水头分布如图6.21(b)所示，接触冲刷破坏处的水位升高，靠近堤坝一侧的渗透系数明显增大。当接触冲刷进一步发生直至水量基本稳定后，水头分布，见图6.21(c)，接触冲刷破坏处的水位进一步升高，接触冲刷破坏处靠近堤坝一侧的细砂都基本上被带出，最终形成了集中渗漏通道。模型研究发现，接触冲刷从发生到形成集中渗漏通道经历的时间很短，计算得到的经历时间一般仅为几分钟到十几分钟。由于计算中没有考虑颗粒间的摩阻力、水流与颗粒间的摩擦力、孔隙通道形状的复杂性等原因，实际情况可能比计算的经历时间要长一些，但一般形成集中渗漏通道的时间也只会增加几倍，也就是说，一旦夹层中的水力坡降超过临界，就可能产生接触冲刷，通过模型可以看到这个破坏过程经历的时间非常短。因此在洪水期应注意加强堤坝附近的巡视，特别是靠近堤坝段的巡视，发现隐患，应立即进行处理，否则一旦形成管涌或接触冲刷破坏，在几分钟到几十分钟内就可能在地层中形成通道，最终造成溃堤事故[16]。

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(a)接触冲刷初期 (b) 接触冲刷后期稳定

图6.22接触冲刷渗透系数分布

如果其它条件不变，只是在接触冲刷发生初期，夹层中的渗透系数较小，设为0.0096cm/s，渗透系数如图6.22(a)、(b)所示，虽然在破坏处渗透系数也发生改变，但不会形成渗漏通道，因此，在该情况下，就不会发生溃堤事故。

如果把接触冲刷破坏处与堤坝的距离改为15m，其它条件不变，其结果，见图6.23，由渗透系数分布图可以看出：接触冲刷能否形成通道不仅与接触冲刷发生前夹层的渗透系数有关，而且还与堤坝后薄弱处至堤坝的距离有关。如果薄弱处离堤坝越远，则发生接触冲刷的可能性越小。

图6.23（a）接触冲刷发生初期夹层中渗透系数分布

图6.23 (b) 接触冲刷发生中期夹层中渗透系数分布

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