有機玻璃材料的試驗達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)
隨著上游水位提高，水力坡降增大，3種材料覆蓋層的表現(xiàn)不同：（1）水泥砂漿材料的試驗表現(xiàn)為，砂沸泉眼數(shù)量增多，規(guī)模變大，滲流出口內(nèi)砂面“涌高”，形成懸浮層，可看見孔口上游側(cè)砂漿板下砂層被沖掏成空腔。
上游水位進一步升高，空腔向上游擴展。升高水位，水量及砂量增加，穩(wěn)定水位則水量及砂量也穩(wěn)定，還未達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)。只有擴展到一定程度后，滲流量急劇增加，細(xì)砂大量涌出，才是真正的貫通破壞。
（2）有機玻璃材料的試驗有沖淘，但沒有明顯空腔，而是很早就出現(xiàn)被水流沖蝕形成的彎曲小溝通道（這可以在有機玻璃面下直接觀察到）。隨著上游水位進一步升高，覆蓋層下砂土形成擺動不定、彎彎曲曲的沖刷通道，逐漸向上游上溯，同樣也未達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)。最后當(dāng)通道抵達(dá)上游，流速增加，通道內(nèi)砂急劇淘刷。
（3）柔性水袋施壓下的試驗，當(dāng)上游水位低于水袋水位時，既無空腔又無沖蝕小溝通道（這也可以從透明的水袋下直接觀察到）。只有當(dāng)上游水位升至接近或略高于水袋水位時，水袋塑料薄膜自上游向下游逐漸與砂層脫離，并快速發(fā)展到滲流出口，會出現(xiàn)與水泥砂漿覆蓋相類似的破壞，但這已不是要討論的范疇。
用上游隔板和滲流出口孔邊的水頭差比兩點間的距離作為試驗的平均坡降，發(fā)生貫通破壞時的平均坡降定義為平均臨界坡降Jx，則在已做的幾組試驗中，有機玻璃覆蓋層，J=0.10；水泥砂漿覆蓋層，=0.13；柔性水袋模擬的覆蓋層，J的大小則隨著隨著水袋內(nèi)的壓力大小而變化，當(dāng)水袋內(nèi)壓力為=0.17，當(dāng)水袋內(nèi)壓力為150mm水柱時，J=0.28.它們都是發(fā)生在上游水位升至接近或略高于水袋水位時，因此，實際要達(dá)到貫通破壞需要的水頭差應(yīng)該更大。
對試驗現(xiàn)象的討論（1）試驗開始時，砂沸出現(xiàn)的位置在滲流出口不限定在上游側(cè)，說明此時的水頭分布基本與出口中心對稱，可近似將出口看成一個淺井，便于分析、計算。實際工程中，出口往往是覆蓋層在高水頭作用下的破壞口，在其第一次出現(xiàn)時，水頭差會很大，滲流通道空腔滲流出口滲流通道覆蓋層（水泥砂漿）砂層滲流方向周紅星等：雙層堤基滲透破壞機制和數(shù)值模擬方法研究可能會超出本試驗的第一步。但若是在已有破壞點出口，則會經(jīng)過這一步。
（2）整個區(qū)域可分為兩部分：一是滲流集中通道，二是通道以外土體。通道類似于水平放置的具有近似半圓形截面的非完整井，其截面尺寸隨通道的發(fā)展而變化。滲透破壞發(fā)展的過程，是集中滲流通道形成和上溯的過程。
（3）覆蓋層特性對堤基滲透破壞發(fā)展影響顯著。有機玻璃試驗貫通時水平臨界坡降最小，水泥砂漿次之，柔性水袋最大。這與材料和砂層接觸特性相關(guān)。有機玻璃表面光滑，易形成接觸沖刷。一旦局部薄弱點砂層顆粒被沖走，由于有機玻璃的剛度使該處架空，成為壓力為0的自由表面，更易被進一步?jīng)_刷。水泥砂漿與砂面接觸好，避免了接觸沖刷。當(dāng)集中滲流通道形成并上溯時，通道以外區(qū)域仍保持受壓，但由于水泥砂漿板的剛度大，通道內(nèi)會脫空。柔性水袋變形適應(yīng)強，可與砂層表面充分接觸，施加壓力，約束砂層不被沖刷。實際工程中的覆蓋層有一定剛度，應(yīng)該是居于水泥砂漿板和柔性水袋之間，因此其對滲透破壞的發(fā)展過程的影響也應(yīng)該在兩者之間。
堤基滲透破壞機制探討堤基滲透破壞首先是從滲流出口開始，不論是已有的滲流出口（如前述試驗），還是由高水壓頂破覆蓋層薄弱處的新出口，在出口都具有很大水力坡降，出現(xiàn)砂沸或噴砂。但此時尚不是最終的貫穿破壞。進一步的破壞是形成集中滲流通道并上溯的過程。集中滲流通道上溯的尖端，通道內(nèi)流量較小，但砂土內(nèi)水力坡降較大，而在出口處水流量最大。
從側(cè)壁觀察試驗可見，通道與砂土的交界面由于滲透水力坡降大，砂顆粒從土體中松動脫離，在通道的尖端由于坡降最大表現(xiàn)得最明顯。而后在水流沖刷下，松動的砂粒沿通道向滲流出口方向滾動。通道與砂土的交界面砂粒處于平衡交換狀態(tài)，流速大則砂粒被沖動，流速小則砂粒就會沉積，這在試驗中通過改變模型上游水位即可清楚地看到。
由于流速與通道內(nèi)的過水?dāng)嗝娉煞幢?，砂粒沖動則斷面增大，流速降低；砂粒沉積則斷面減小，流速增加，在過水流量穩(wěn)定時會達(dá)到斷面穩(wěn)定，對應(yīng)的流速由砂土的抗沖刷能力決定。因此通道的規(guī)模受水力坡降大小的控制，也受周邊土體抵抗沖刷能力的控制。
上述試驗現(xiàn)象說明，當(dāng)滲流強度大到使土體破壞松動，還不足以使集中滲流通道上溯，還必須形成砂粒在集中水流作用下沖蝕平衡的條件，使破壞后土顆粒能在水的作用下運移。因此，滲透破壞發(fā)展過程是2種作用的組合：一是在滲流作用下土體結(jié)構(gòu)的破壞，實質(zhì)是達(dá)到土體的極限強度；二是集中水流作用下，土體表面砂粒的沖刷平衡，主要運動形態(tài)為滾動，已屬于泥沙運動力學(xué)范疇。
集中滲流通道對于通道內(nèi)的水、砂而言是過水運砂的管道，對于周邊砂土而言，是臨空的邊界，對土中的水而言是滲流的出口。集中滲流通道本身應(yīng)滿足水力學(xué)關(guān)系，通道以外的土中水應(yīng)滿足滲流控制方程，通道的邊界由水壓連續(xù)、水量平衡、砂土量平衡等關(guān)系控制。
通道界面的2個判斷依據(jù)滲透破壞發(fā)展包括在滲流作用下土體結(jié)構(gòu)的破壞和在集中水流作用下，土體表面砂粒的沖刷平衡2個過程。以下給出相應(yīng)的判斷依據(jù)。
（1）土體強度破壞的判據(jù)堤基滲透破壞最終形式是流土破壞，其實質(zhì)是土體骨架不能承受荷載。大多數(shù)研究者基于水力學(xué)角度研究滲透破壞現(xiàn)象，破壞判斷準(zhǔn)則一般采用臨界水力坡降，其值多為經(jīng)驗值，也過于簡單。事實上，土體受多種作用力控制，臨界水力坡降描述的僅為滲透力的大小與重力的關(guān)系，不能涵蓋復(fù)雜的應(yīng)力分布。采用考慮滲透力作用的土體有效應(yīng)力強度更為合適。本文僅考慮土體特性滿足莫爾？庫侖條件，故土體應(yīng)力必須滿足的強度條件為式中：′分別為沿單元滲流方向的剪切力和正應(yīng)力；c′為有效黏聚力；′為有效內(nèi)摩擦角；′為土體最小主應(yīng)力。
只要式（1）中任一個條件不滿足，且具有臨空面的土體即破壞。式（1）中判據(jù)第二式′≥，即要求土體不能受拉，適用于臨空面接近水平時。例如，當(dāng)臨空面為水平時，滲流方向向上，采用判據(jù)第二式，即為太沙基公式；而臨空面傾斜，沒有滲流時，對于砂土，由第一式控制，穩(wěn)定條件是傾角小于休巖石力學(xué)與工程學(xué)報止角；有滲流時，正應(yīng)力減小，穩(wěn)定角會小于休止角。因此，采用式（1）考慮滲透力作用下沿滲流方向土體應(yīng)力強度公式，能準(zhǔn)確地反映了滲透破壞的本質(zhì)，體現(xiàn)了土體性質(zhì)和應(yīng)力環(huán)境對堤基滲透破壞發(fā)展的影響。
（2）集中水流作用下，砂顆粒運移的平衡判據(jù)從試驗現(xiàn)象觀察，“水中土”在集中滲流通道中其運動形式是沿通道與下臥砂層接觸面在水流帶動下滾動前進。砂粒已脫離土體骨架。因此，此時砂粒平衡條件已不能通過應(yīng)力平衡關(guān)系推導(dǎo)。但可以運用泥沙水力學(xué)方法進行推導(dǎo)。考慮到砂顆粒滾動往往位于底面砂層頂部，而此處滲透力較小，故忽略其作用。假設(shè)土體顆粒是圓形（見圖4），由顆粒滾動力矩平衡條件有式中：F為流體拖曳力，為阻力系數(shù)；F為流體上舉力，u為作用于集中滲流通道與穩(wěn)定土體接觸面上砂粒的流速，C為上舉力系數(shù)；W′為顆粒浮重力；為滲流通道橫剖面與水平方向的夾角，取圖中方向為正值；為土顆粒接觸角，可采用土體摩擦角計算。
C取值與集中滲流通道和土體接觸面砂土顆粒的繞流流態(tài)有關(guān)，C取值分別為0.1～2.0和0.5～10.0.因此，式（1），（2）分別為土體顆粒和水中土顆粒的極限平衡條件，兩者只要有一個滿足，土顆粒是平衡的，不會運動。只有這2個條件同時不滿足，集中滲流通道才開始擴展。
數(shù)值模擬方法堤基滲透破壞是三維問題，但從現(xiàn)場和試驗觀察，堤基滲透破壞區(qū)域在整個堤基所占比例較小，若采用三維方法進行模擬，就比較難以集中關(guān)注于較小的集中滲流通道區(qū)域。若采用二維平面應(yīng)變方式計算，則擴大了集中滲流通道影響范圍，需要對計算進行修正根據(jù)堤基在滲透破壞過程的應(yīng)力特性，以無滲透時的應(yīng)力場作為初始應(yīng)力場，滲流引起的應(yīng)力變化作為附加應(yīng)力疊加到初始應(yīng)力場，而滲流場的計算可通過軸對稱模式進行，這樣就可以較好地解決計算分析問題。
最關(guān)鍵的問題是解決好滲流通道的水力學(xué)關(guān)系與砂土中的滲流關(guān)系的界面協(xié)調(diào)和平衡。
集中滲流通道內(nèi)的水頭流量關(guān)系集中滲流通道內(nèi)的水流沿程變化較復(fù)雜，水由砂中滲出到通道，流向出口，沿程流量增大，截面積也變大。在試驗中觀察到通道斷面形狀近似為稍偏淺的半圓，為便于分析，假定通道截面形狀為半圓形。
通道外砂土體中的應(yīng)力分布和滲流場根據(jù)雙層堤基土層結(jié)構(gòu)滲流場的特點，將砂層土體應(yīng)力分解為3個部分：（1）砂層本身的自重應(yīng)力，按等厚度均勻分布覆蓋層通道與穩(wěn)定土體接觸面水流方向周紅星等：雙層堤基滲透破壞機制和數(shù)值模擬方法研究考慮，實際是側(cè)限條件的應(yīng)力；（2）覆蓋層壓重在砂層中產(chǎn)生的應(yīng)力，按平面應(yīng)變條件考慮，可利用土力學(xué)中條形基礎(chǔ)的相關(guān)公式計算應(yīng)力；這2個部分經(jīng)一次計算即可作為初始應(yīng)力，以后不再變動。
