堤防工程中管涌的形成及防治探究

堤防工程中管涌的形成及防治探究
【摘要】就我国目前的水利工程来说，提防工程是水利防洪体系的重要的组成部分。

新中国成立以后，国家在防洪方面投入了大量的人力，财力和物力，并且在工程的防洪方面取得了巨大的成就。

但是近几年来由于受到自然条件，经济条件的影响，导致我国江河提防的防洪能力普遍的下降，不少工程达不到国家的相关的标准，当遭遇洪水的时候，时常会发生管涌，漫溢，滑坡等险情，严重者导致堤坝溃决。

本文首先介绍国内外对提防工程中管涌情况的出现进行的研究，其次介绍地方工程中管涌的形成机理以及相关的防治措施。

【关键词】堤防工程：管涌：防治措施
0 引言
提防工程是江河防洪的主要体系。

提防工程质量的好坏直接影响到下游人民的生命和财产的安全，严重威胁着国家的经济建设。

由于我国的江河较多，所以防洪的主要任务由提防来承担。

我国现有提防大约26万km，遇到洪水的时候，经常发生管涌，漫溢，滑坡等险情，其中发生管涌的概率最大。

管涌是在渗流水的作用下，携带土体骨架中的土壤颗粒而最终导致溃坝现象出现的过程。

管涌现象如果发现不及时处理的话会直接影响到整个坝堤的安全，造成严重的经济损失和财产损失。

1提防工程中管涌形成
在堤防工程中，管涌的形成是多方面的。

一般来说，提防的地基基础为二元结构，最下层是与河水相通的强透水层，再上面是一些颗粒比较小的砂石，最上面是透水性能特别差的壤土或者是粘性土，在背河的提防的地基下有强透水层的砂石。

当河流遭遇汛期高水位的时候，由于强透水层的沿程水头损失比较的小，导致渗流的速度和压力增大，渗透的坡降变陡，在没有反过滤层保护的情况下，当渗透坡降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谁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。

2 管涌的机理分析
2.1管涌临界水力梯度
目前在管涌中水力梯度确定的方法按照土的渗透实验确定的，还有的按照经验和半经验公式计算，常用的由以下几种：
根据可移动土壤在水中的渗透水流和有效重力对土壤颗粒的上举力平衡的原理，有以下的公式;
2)(5.4cv B cn d d I =
B d ——允许可移动的颗粒的粒径
cv d ——隙的平均直径
中国水利水电研究院刘杰根据土壤颗粒的自重，渗透力以及浮力建立了平衡方程，确定了发生管涌的水力临界梯度：
2052)1)(1(29.2d d n G I N cn --=
2.2 管涌的判别
管涌的发生主要与土体自身的情况和承受的水压力有关，目前按照不同的实验和理论知识得到了判断管涌的多种方法。

基于反滤层的理论，按照任意的粒径将颗粒分成两组，将颗粒为基土，粗颗粒视为反滤层，当满足：
B F B F D D D D 15158515/4/<< （F 分别表示基土和反滤层）
时则颗粒不会外移；否则有可能发生管涌。

发生管涌的条件和水压力的大小和水力条件是密切相关的。

许多学者对临界水力梯度进行分析，认为当达到临界水力梯度是会发生管涌现象。

3 管涌的防治措施
某市的天然气管道穿越河道长400m，最大的埋深为12m，地表高程为30.1-34.3m,河堤高度为6m，河床比较的宽缓，出土高程为37.2m。

3.1管涌发生过程
在堤防工程建设的时候，由于和当地的居民发生土地纠纷问题，工程未按期进行。

在回拖管道的时候，钻头在河堤50m处发生断裂，6月3 日对产生的断裂进行相关的施工处理，在距河堤50米处形成了宽为2 米，长为10米，深为2米的坑，5日导向孔内涌水，涌水的流量曾一度达到2s
m/3.针对流量大，水柱高的特点，用沙卵石袋填压涌水坑，等到水势稳定后，再用沙卵石袋抢筑围堰，经过漫长连续几个小时的奋战时间，管涌现象减小了，但是在随后的时间里，在堤防的坡脚处发生坍陷，冒出的水柱高度到1-2m，当时利用沙卵石袋抬高水位2m，将水势稳定住，再想围井内填粗颗粒的砂石，最后用卵石进行处理，基本控制了险情。

3.2渗透指标的确定
在实验室内，按照现场的水试验将计算的断面分成几个区，各材料的渗透系数根据相关的勘察确定，如表1 和2所示：
表1 开挖前各地区渗透系数
表2 开挖后各区域土地渗透系数
3.3管涌的治理措施
根据管涌产生的机理和当地的地质条件，最后确定以下的治理措施;
(1)在迎水面设置防渗系统，清除地面的杂草，在堤防的外侧设置黏土墙；
（2）在黏土墙的的底部采用高压喷射的方法形成防渗帷幕；
（3）在堤外的肩线内沿着天然气管道布置2 排灌浆孔，按照梅花形式布置，对堤防自身以及堤基进行水泥的灌浆。

在实际的堤防工程中，管涌的发生不仅仅在堤脚和堤身，有的管涌常常发生在堤基和堤内，并且堤内发生管涌的距离距堤坝几百米，管涌在如此远的处理发生，在进行堤防检查的时候，常常觉察不到，往往没有发现而引起重大的事故，酿成严重的灾难。

在管道施工的过程中，选择的出土点要防止管涌的产生，即使管涌产生时对堤防的安全不构成威胁。

管道施工的时候，应该尽量避开汛期，施工的时候注意施工的水位，一般选择在枯水位季节进行施工。

管涌一般在管道施工的过程中容易产生，因此在进行管道施工的时候，在出口周围布置反滤井，反滤井的大小不影响施工为原则，如图1 所示
图1 反滤井的布置
反滤井布置的时候，现将左右两侧和靠近堤防的一侧布置围堰，清除围堰内的杂草以及疏松的表层土壤，两侧用砂石袋做成围堰，围堰的标高与设计的水位一致。

当河外的的水位达到警戒水位的时候，应该马上撤出有关的施工设备和仪器，做好反滤管道，施工结束后，应该对孔眼进行灌浆。

结语
江河的堤防安全关乎到人民的财产安全，在江河防洪的过程中，堤防起到至关重要的作用，保证堤防的安全是防止洪灾的有效措施。

由于管涌的发生是一个复杂的问题，其发生的因素与土壤的成分，土的颗粒级配，水力梯度，以及土壤的内摩擦角等因素有关，管涌的治理和研究需要从影响其发生因素的几点出发，在有条件的情况下，可以做一些相关的模型实验，结合分析软件，对管涌的发生进行探讨。

在堤防检测的过程中，要注意管涌发生的地点，对一些不能确定的管涌发生的位置要进行探析，直到找到发生的位置为止。

参考文献
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