堤防管涌啟動與發展機理研究進展

http：//www.renminzhujiang.cn

DOI：10.3969/j.issn.1001-9235.2024.03.016

廖志浩，陳豪，朱少坤，等.堤防管涌啟動與發展機理研究進展［J］.人民珠江，2024，45（3）：146-156.

摘"要：管涌是造成堤防潰決的主要原因之一，研究管涌啟動與發展機理對堤防工程的除險加固和水災預防有著深遠意義。通過回顧國內外堤防管涌的相關研究，從幾何和水力2個方面概括了管涌的啟動條件，論述了土體顆粒級配、土層結構、密實度、滲徑、防滲墻、水頭變化、水流流態、滲流方向等因素對堤防管涌的影響規律，總結了描述管涌發生發展過程的毛管模型、滲流-管流耦合模型、滲流概化模型、三相耦合模型、瞬態管涌模型、局部侵蝕模型、固液耦合模型。在現階段研究基礎上，討論了管涌數學模型的局限性，揭示了管涌影響因素研究的不足，并對管涌啟動與發展機理未來的科研工作提出了展望。

關鍵詞：堤防；管涌機理；滲透破壞；數學模型；臨界水力梯度

中圖分類號：TV871""文獻標識碼：A""文章編號：1001-9235（2024）03-0146-11

Research Progress on Initiation and Development Mechanism of Embankment Piping

LIAO Zhihao1，2，CHEN Hao1，2，ZHU Shaokun1，2*，LI Mao1，2

（1.Pearl River Water Resources Research Institute，Guangzhou 510611，China;

2.Pearl River Water Resources Research Institute，Engineering Survey and Design Co.，Ltd.，Guangzhou 510611，China）

Abstract：Piping is one of the main causes of embankment failure，and studying the initiation and development mechanism of piping has profound significance for the reinforcement and the prevention of water disasters in embankment engineering.By reviewing the relevant research on embankment piping in China and abroad，the initiation conditions of piping are summarized from both geometric and hydraulic aspects.The influence of factors such as soil particle size distribution，soil layer structure， compactness，seepage diameter，anti-seepage wall，water head change，water flow pattern，and seepage direction on embankment piping is discussed.The capillary model，seepage-pipe flow coupling model，seepage generalized model，three-phase coupling model，transient piping model，local erosion model，and solid-liquid coupling model that describe the occurrence and development process of piping are summarized.Based on current research，the limitations of mathematical models of piping are discussed，and the shortcomings of research on the influencing factors of piping are revealed.Moreover，prospects for future research work on the initiation and development mechanism of piping are proposed.

Keywords：embankment;piping mechanism;seepage failure;mathematical model;critical hydraulic gradient

近年來，受極端氣候條件的影響，全國各地洪澇災害頻頻發生，給人民生命財產造成了巨大的損失。以2021年河南特大暴雨為例，受災人數1 481.4萬，直接經濟損失達1 337.15億元。災情的發生也對中國的防洪體系提出了更加嚴峻的挑戰。堤防工程是江河防洪體系中最基本的設施，中國已建各類堤防總長41萬km。由于修建年代久遠，堤基結構較為復雜，堤身填土不均勻，再加上河流沖刷，人與動植物活動等因素的影響，很多堤防內部存在安全隱患，汛期時便會出現險情。2020年汛期，長江中下游堤防工程累計出現了各類險情4 335處，其中管涌1 439處，占比33.2%，遠高于滑坡（6.8%）、漏洞（3.9%）、裂縫（1.8%）等其他險情^［1］。管涌險情若不及時處理，很容易發展成貫穿堤基的滲漏通道，進而導致潰堤的發生。因此，開展堤防管涌機理的相關研究對于有效認識和避免災害，保障人民生命安全和城市穩定發展具有重大意義。

本文將針對國內外有關堤防管涌的定義、啟動條件、影響因素、數學模型進行歸納綜述，提出總結與展望，以期能為深入探索管涌發生發展機理，有效避免潰堤災害提供參考價值。

1"管涌的定義

管涌俗稱“泉涌”“泡泉”，是指在滲流作用下無黏性土中的細小顆粒通過粗大顆粒的孔隙，發生移動或被水流帶出的現象^［2］。實際上，土力學中的“流土”“潛蝕”“管涌”3種滲透破壞形式統稱為管涌。流土是指在滲流作用下土顆粒的群體運動。潛蝕又稱“內管涌”，是指土體中的細顆粒在滲流作用下沿粗顆粒之間的孔隙通道移動流失的現象^［3］，見圖1a。從定義上來看，潛蝕與管涌成因相同，但二者發生位置及發展方向完全不同。發生內管涌時，由于滲流作用，土體中的細顆粒首先達到啟動條件，沿滲流方向穿過大顆粒間的孔隙移動并形成通道，隨著滲流流速加大，此通道由內而外擴張至壩基外部，逐步形成貫穿壩基的通道；而管涌的發生始于壩基下游薄弱土體處，滲流速度較大時，該處細顆粒首先將薄弱土層頂起，緊接著較大粒徑的土顆粒不斷被帶出，出口沿滲流相反的方向持續向上游擴張并形成貫穿堤基的通道^［4］，因此也叫做“向后侵蝕管涌”，其發展過程見圖1b，本文所述管涌均基于此定義。也有學者^［5］把管涌分為堤身管涌和堤基管涌。堤身管涌開始于壩體軟弱土層，在滲流作用下形成細小的滲漏通道，通道直徑逐漸變大并向下游延伸直至貫通；堤基管涌存在于砂礫石或粗砂等高滲透性地基中，由于存在較高的水力梯度，高速水流會侵蝕土壤并帶走細小顆粒，逐漸形成管狀通道。本文所論述的管涌屬于堤基管涌。

2"管涌的啟動條件

管涌的發生必須具備幾何和水力2個條件，幾何條件（即內因）包括堤基土層組成、各層土顆粒級配、物理力學性質及是否存在裂隙孔洞等，水力條件（即外因）是指滲透力能夠帶動細顆粒在孔隙間移動^［6］。

2.1"幾何條件

幾何條件是管涌發生的必要條件，土體內部穩定性的判別方法主要基于土體顆粒級配或不均勻系數。Kenney^［7］指出無黏性砂的內部穩定性取決于在滲流作用下，細顆粒能否穿過由粗粒部分所形成的土骨架被水流帶出，根據顆粒級配曲線上各點的H/F比值，提出了一種判別土體管涌的方法。其中，F代表土體中任意粒徑d對應的累積質量分數，H表示d與4d之間的累積質量分數的差。在陳群等^［8］的研究中，他們考慮了細料對粗料孔隙的填充程度和缺級顆粒的百分含量，并建立了一種判別缺級粗粒土管涌的方法。Chang等^［9］提出了一種判別土體管涌的方法，該方法結合土體級配中粒徑小于0.063 mm的細顆粒含量和H/F的比值這2個指標。

蘇聯學者伊斯托明娜通過試驗研究得出，當土的不均勻系數C_u＞20時易發生管涌。實踐證明這樣的觀點是不確切的，中國學者對此做了大量的改進和完善。劉杰^［10］認為當細料含量P＜25%時，C_u＜5的不均勻土易發生管涌；齊俊修等^［11］收集了48個工程472個無黏性土試樣開展滲透變形試驗，得出C_u≤5的碎礫石土滲透變形類型為管涌，而砂土滲透變形類型為流土；陳亮等^［12］利用自制三軸儀進行壓縮試驗，發現管涌臨界水力梯度與細顆粒含量呈負相關的關系。

在水利工程中，區分粗粒（骨料）和細粒（填料）的界限粒徑df可由式（1）計算：

式中"d_f——粗細顆粒的區分粒徑，mm；d₇₀——小于該粒徑含量占總土中70%顆粒的粒徑，mm；d₁₀——小于該粒徑含量占總土中10%顆粒的粒徑，mm。

管涌發生的幾何條件與土體本身的性質密切相關，目前，對于管涌的判別方法仍存在不足，通常只依靠顆粒級配曲線來做判斷，未考慮到相對密實度、土體原狀結構等重要因素的影響。另外，各種判別方法也存在各自的限制，一些只適用于缺乏中間級配土體，一些則僅適用于寬級配土體。因此，在面對重要工程時，建議進行滲透穩定試驗，這仍然是評價堤防土體內部穩定性最直接且最可靠的方法。

2.2"水力條件

除了土體本身的性質，土體外部所處的水力條件對管涌的發生也有著巨大的影響。隨著水位的上升，堤防內外產生較大的水頭差，即水力梯度增加，土體受到的拖拽力增大，細顆粒打破原本的受力平衡狀態開始發生運移，此時的水力梯度稱為臨界水力梯度。基于毛管模型^［13］，分析單個細顆粒的受力情況，假定滲流方向自下而上，忽略顆粒之間的相互作用力，阻止細顆粒啟動運移的只有自身重力：

式中"γ_w——水的重度；d_s——土粒相對密度；α——顆粒半徑。

圓管中液體和顆粒的受力狀態見圖2。在半徑為R₀的圓管中，與管中心相距b的單個顆粒以速度v沿軸向運動時，所受的拖拽力表示為式（3）：

式中"v₀——管中心處的流速；μ——顆粒-流體的表觀黏滯系數，與純流體的黏滯系數μ₀滿足μ=μ₀（1+2.5s）^［14］，其中s為顆粒的體積含量。

當顆粒受力平衡時，F=G，則：

式中，λ為非圓球顆粒的修正系數，取值為0.85～1.00。

上述管涌啟動流速僅通過對單個顆粒的受力分析得出，但管涌發生的環境往往極其復雜，當前判斷管涌的發生大多以臨界水力梯度（i_c）為依據。試驗表明：砂礫石填料含量在20%以下時，i_c為0.07～0.10；填料含量處于20%～30%時，i_c為0.15～0.30。1935年Terzaghi^［16］以單位體積的土壤為研究對象，通過分析均勻顆粒在滲流力和重力作用下的極限平衡，提出了臨界水力梯度表達式，由于形式簡單、應用方便被沿用至今。國內方面，毛昶熙^［17］、吳良驥^［18］、沙金煊^［19］、劉杰^［10］等提出的臨界水力梯度經驗公式極具指導意義。

表1總結了國內外學者提出的一些常用計算公式及其適用對象和應用條件。梁越等^［20］通過進行滲透破壞試驗，驗證了典型計算公式的準確性。結果表明，毛昶熙、劉杰和沙金煊的計算結果與試驗值相差較大，實際應用上存在許多限制。吳良驥的計算結果約為試驗值的一半左右，康德拉且夫的計算結果是試驗值的2倍左右，均無法準確評估樣品的臨界水力梯度。雖然已經進行了許多試驗研究，但目前仍無公認的能夠準確預測管涌發生的臨界水力梯度公式，一些重要工程的臨界水力梯度仍需通過試驗獲得。

3"影響管涌發生和發展的因素

管涌的發生和發展均與土體條件和水力條件密切相關，見表2，土體條件包括顆粒級配、土層結構、密實度、滲徑、防滲墻等，水力條件包括水頭變化、水流流態、滲流方向等。

3.1"影響管涌發生的因素

3.1.1"土體因素

Aberg^［24］最早將砂子分為細顆粒和骨架，并根據級配曲線形狀判斷管涌的發生。顆粒級配分布越廣，其抗移動能力越差，管涌的臨界水力梯度越小。對粒徑分布較寬、級配不良的砂土，采用經典公式初步判斷之后，有必要開展綜合考慮顆粒級配、水力學條件、自濾過程等的試驗論證^［25-26］。當雙層堤基表面的砂礫石層中夾雜著一層極薄無黏性細砂時，在管涌破壞之前，流量會變得很小，并且所需的臨界水力梯度也相對較低。然而，當砂礫石層的一定深度內夾雜了一層細砂時，堤基管涌破壞所需的臨界水力梯度將明顯增加。多層堤基夾砂層由細砂構成時，水壓力較大，臨界水力梯度較高，夾砂層為細礫時，臨界水力梯度較小?？紫堵实拇笮∨c臨界水力梯度呈負相關，這是因為骨架有效孔徑的減小，會導致細顆粒在移動過程中更容易發生碰撞，從而增強了顆粒間的離散力，一定程度上限制了顆粒的運移，因此密實程度越低的砂發生管涌時臨界水頭越低，啟動時間也越短^［27］。滲徑長度（堤身寬度）與發生管涌破壞的臨界水力梯度近似呈線性正相關關系，這意味著對于透水的土石堤壩而言，水平平均比降（水頭與堤身寬度的比值）相等時，堤防寬度越大，抵御管涌破壞的能力就越強^［28］。防滲墻作為有效的防滲加固措施在堤防工程中被廣泛應用。雙層堤基中設置防滲墻時，管涌破壞發生于防滲墻上游側砂礫層內部，相比于無防滲墻的堤基，臨界水力梯度提高0.51倍；三層堤基中設置防滲墻時，管涌破壞發生于防滲墻上游側砂層頂面，相比于無防滲墻的堤基，臨界水力梯度提高1.38倍^［29］。防滲墻端部的水力梯度最大，更易發生滲透破壞，壩基平均滲透坡降與防滲墻高度呈負相關關系^［30］。

3.1.2"水力因素

堤壩會因洪水等短期高水頭以及長期的小范圍水頭波動導致管涌險情更加易發。水頭一次性增加到某一值比逐級增加時管涌啟動時間要短，管涌的臨界水頭更小，因此汛期洪水時管涌災害頻發。滲流方向與重力方向的夾角越大，管涌臨界啟動流速及臨界水力梯度也越大，細顆粒在骨架中移動的難度也越大^［31］。水流發散時，管涌口流量較小，管涌破壞較難發生，臨界水力梯度較大，水流匯聚時則相反。

3.2"影響管涌發展的因素

3.2.1"土體因素

管涌型砂土可動顆粒的級配對流失顆粒的最大粒徑以及顆粒流失量有很大的影響，可動顆粒在移動過程中的截留、填充效應，使顆粒流失量沿滲流方向逐漸減小。土壤混合物中黏土^［32］和有機物含量^［33］的微小變化也會顯著影響管涌侵蝕速率，前者呈正相關關系，后者呈負相關關系。在雙層堤基中，由于上覆黏土層與下伏透水砂層間滲透系數相差較大，黏土層會承受相對更大的水頭，若水壓力達到足以頂破黏土層時，則形成管涌口。黏土層越厚，土顆粒抵抗上游水頭的能力就越強，但管涌一旦發生，砂層上部細顆粒逐漸流失，形成滲流通道并向上游發展，發展速度隨黏土層厚度的增加而增加^［34］。黏土層會發生輕微的沉降變形并產生裂縫，在水流的沖刷下裂縫逐漸擴大，導致黏土層的破壞，加速管涌的發展，而管涌向上游擴展又會促進黏土層的破壞，2種過程相互影響、相互促進。管涌通道邊壁四周松散薄層密實度較低，其滲透系數遠大于通道整體滲透系數，由于松散層的存在，管涌通道尖端坡降并不會無限增大。防滲墻的存在能夠顯著降低管涌破壞時的涌砂量及破壞范圍。

3.2.2"水力因素

當滲透水頭較小時，增大水頭會導致滲流速度明顯降低（實際上是通道截面在擴大），而當水頭增大到一定程度時，流速不再明顯下降，直到管涌通道被破壞^［35］。在正弦水頭條件下，土體滲透系數隨時間逐漸增加，當增加到一定范圍后，慢慢趨于穩定；滲透系數與正弦水頭的周期大小呈負相關，與正弦水頭的峰值大小呈正相關^［36-37］。水流發散時，管涌侵蝕速度較慢，通道發展深度較淺，水流匯聚時則相反。

管涌的發生和發展是一個多元非線性的復雜問題^［38］，除了上述主要影響因素外，還與深厚覆蓋層、下游濾層以及復雜的地質條件密切相關。廣泛調研工程建設背景和運行條件，探明水土協同驅動下的管涌發展規律是保障工程安全的重要途徑。

4"管涌的數學模型

管涌涉及孔隙水滲流、顆粒運移和多孔介質變形等眾多力學行為，是一種多相、多場耦合的現象。當前，管涌數學模型大體分成2類：連續介質模型和散體介質模型。管涌動態發展的數學模型包括4個方面：①管涌通道內的水流輸沙模型；②非管涌區的達西滲流場模型；③管涌出口段含沙水流和水力損失模型；④管涌通道尖端過渡區和土體破壞模型^［39］。其中達西滲流場模型已經相對成熟，水流輸沙模型也發展得比較完備，但出口段水力損失和尖端過渡區土體破壞的數學模型建立起來相對困難，并且需要大量試驗數據作為支撐，尚未形成統一觀點，因此只能近似模擬管涌發展及滲流場特點。

4.1"連續介質模型

在連續介質模型方面，國內外學者提出了毛管模型、滲流-管流耦合模型、滲流概化模型、三相耦合模型、瞬態管涌模型、局部侵蝕模型等，形成了有限元法、無網格法伽遼金法、無單元法、解析法等模型計算方法。

4.1.1"毛管模型

劉忠玉等^［15］通過對骨架孔隙中細顆粒的受力分析，建立了毛管模型以描述無黏性土中管涌的發生和發展，分析了可動顆粒啟動的臨界水力梯度和管涌過程中滲透系數的變化規律；陳生水等^［40］在毛管模型的基礎上，考慮管涌發展過程中孔隙率的變化，采用水流運動能量方程描述了流量、流速的發展變化過程，分析了筑壩材料性質對潰口發展的影響。

4.1.2"滲流-管流耦合模型

周曉杰等^［41-42］提出用滲流-管流耦合模型描述管涌發展的基本規律，即非管涌區滿足達西定律，而在管涌區滿足管流理論，二者的公共邊界上有相同的水頭，流入和流出的流量大小也是相等的。基于水平管道泥沙起動理論和垂直井桶攜砂理論計算臨界流速，判斷管涌通道是否向前發展，采用無網格伽遼金法（EFG）求解滲流場，相比于有限元方法和離散元方法，此方法更加合理且簡便；在此基礎上，任鶴等^［43］用自然單元法替換EFG方法，進一步優化了邊界條件。

4.1.3"滲流概化模型

丁留謙等^［39］提出了模擬堤基管涌動態發展的滲流概化模型，即認為管涌區和非管涌區均滿足達西定律，并利用有限元的方法對滲流場進行了計算分析；吳夢喜等^［44］在此基礎上，引入水流剪切力和邊壁土壤侵蝕速率的關系建立輸沙平衡方程，用有限元方法求解滲流方程和輸沙平衡方程，以此描述管涌動態發展過程。

4.1.4"三相耦合模型

Stavropoulou等^［45］將管涌機理視為可動顆粒、土骨架和水流之間的三相耦合作用，并建立了SPV三相耦合控制方程，其基本方程包括彈塑性本構關系、土體平衡方程、三相質量守恒方程和達西定律；胡亞元等^［46-47］提出管涌穩定孔隙率的概念，修正了三相耦合的管涌控制方程，采用 Newton-Raphson 求解法和傳導矩陣調整法對壩體侵蝕問題進行了有限元數值分析。羅玉龍等^［48-49］基于水相滲流與骨架相侵蝕之間的耦合效應，結合三相質量守恒方程、侵蝕本構方程建立了滲流-侵蝕耦合管涌數學模型；之后考慮有效應力對土體滲流和骨架侵蝕的作用與反作用，對滲流-侵蝕耦合數學模型做了改進，提出了滲流-侵蝕-應力耦合的管涌數學模型。

4.1.5"瞬態管涌模型

Wewer等^［50］提出了一種將二維達西地下水流方程與Exner一維輸沙質量守恒方程相結合的數學模型來描述管涌過程，所提出的模型不僅可以預測管涌通道在時間上的進展，還可以識別由于侵蝕過程引起的孔隙壓力變化。

4.1.6"局部侵蝕模型

Rotunno等^［51］基于多孔介質中局部侵蝕問題的新方程，分別對管道侵蝕和多孔介質滲流建立數學模型，提出了考慮管涌通道前進和擴展以及三維效應的局部侵蝕模型。

4.2"散體介質模型

相比于其他計算方法，基于離散元方法的顆粒流程序（PFC）分析更能從微觀角度研究介質的力學特性，因而得到了不少學者^［52-53］的青睞。張剛等^［54］采用力-位移平衡方程描述砂土顆粒的運動，采用Navier-Stokes方程描述飽和砂內部孔隙水流動，采用壓力梯度形式表示流-固相互作用力，提出二維孔隙率與三維孔隙率的轉換公式，運用PFC求解固液耦合模型，對管涌發展過程進行了模擬；倪小東等^［55］從細觀角度分析管涌試驗中流體及土樣的變化規律，并與顆粒流數值模擬結果進行對比，二者呈現良好的一致性；Wang等^［56］基于模型試驗，使用PFC3D開發出相對應的數值模型，準確再現了管涌發展過程。

隨著對管涌發展過程的深入研究，許多新的數學模型及計算方法被相繼提出^［57-62］。近年來，將離散元（DEM）與計算流體力學（CFD）耦合起來解決滲流問題為管涌的數值模擬研究提供了新的思路^［63-64］，首先在CFD模塊中求解連續性方程、Navier-Stokes方程，計算網格單元的滲流速度、流體壓力和顆粒-流體間的相互作用力，并將結果傳輸給DEM模塊；然后在DEM模塊中求解牛頓第二定律和力-位移方程，計算顆粒位置和孔隙率，通過2個模塊的交互耦合計算，模擬出管涌發展過程中顆粒運動狀態及流體流動狀態。與傳統的連續介質模擬方法相比，CFD-DEM模擬可以考慮每個顆粒的個體運動及其與周圍顆粒的相互作用，能夠準確地反映土體中顆粒的不連續空間分布隨時間的變化，并且更精確地模擬顆粒的滲流行為。Nie等^［65］采用CFD-DEM耦合數值模擬分析了鵝卵石和碎石堤壩在水力坡降增加條件下微觀和宏觀特性的變化，不斷增大的水力坡降促使堤壩內部顆粒接觸力和水動力重新分布，在堤壩發生管涌破壞的瞬間，顆粒的總接觸數和逃逸率發生了明顯的變化。倪小東等^［66］基于DEM-CFD方法，構建了顆粒-孔隙尺度耦合分析模型，開展了不同水力梯度下深厚覆蓋層管涌的數值模擬，從骨架顆粒接觸力鏈網絡的角度揭示了水力梯度對管涌發生發展的影響。

各種數學模型的特征見表3。由于管涌機理十分復雜，現階段的數學模型均基于一定程度的簡化處理和假設條件，有些僅針對管涌發展過程中的某個階段，很難完全考慮到影響管涌發展的各種因素，只能近似反映管涌發生和發展的機理；另一方面，現階段的數學模型均是在二維水流條件下通過力學分析得到的，然而實際上管涌的發生與發展是由于三維滲流場的作用，因此對于管涌真實物理過程的刻畫不夠客觀，很難直接應用于工程實際。在模型的計算方面，有限元法因其較強的求解能力仍是目前應用最廣泛的方法，離散元顆粒流方法更能反映宏觀現象下的微觀機理，但計算量過大，且對于顆粒形狀的描述較為困難，相比之下，CFD-DEM耦合的方法將顆粒和流體運動分別應用合適的方法進行計算，能更準確地描述顆粒運動情況及其與流場的相互影響?！糐Z〗表3"管涌數學模型及其優缺點

5"結論與展望

管涌是汛期堤防工程最常出現的險情之一，其發生與發展是一個復雜且動態的過程，必須同時滿足幾何和水力2個啟動條件。描述管涌發展過程的數學模型分為連續介質模型和散體介質模型。管涌的發生和發展受顆粒級配、土層結構、密實度、滲徑、防滲墻等土體因素和水頭變化、水流流態、滲流方向等水體因素的影響。未來關于堤防管涌機理的研究應著重考慮以下方面。

a）現階段的數學模型只能近似反映管涌發生和發展的機理^［67-68］，對于復雜的管涌過程，應依據不同尺度，不同維度的模型試驗對現有的數學物理方程進行修正，必要時可分階段、分區域進行深入研究，提高模型的工程應用價值。

b）目前對土體管涌的判別方法未充分考慮原狀結構的影響。一些研究者已經發現土的原狀結構對其滲透穩定性評價至關重要^［69］，因此應該加強對原狀土體管涌相關試驗和理論研究的開展。

c）目前的研究主要集中在一維和二維的滲流模型上，而無法準確地描述堤壩內部復雜的三維滲流狀況^［70］。此外，覆蓋層的復雜層次結構也對管涌的發生和發展起到重要的影響，因此有必要加強對復雜滲流條件和復雜地層條件下土體管涌的相關試驗和理論研究。

d）中國的長江和黃河兩大河流沿岸堤防是汛期管涌頻發的地段，與長江不同的是，黃河泥沙含量較大，但目前所有解決渾水滲流的方法實質上是基于清水的滲流理論，其中忽略了泥沙的影響，結合渾水滲流和泥沙動力學理論^［71-72］，分析水流中泥沙作用對管涌發生和發展的影響應引起重視。

e）溫度作為水的基本物理性質，會對其黏滯性產生影響^［73-75］，進而影響水流在土體骨架中的流動，中國南北方溫差較大，分析水溫對于管涌發生發展的影響規律，對于不同地域的管涌險情預警具有一定的指導作用。

參考文獻：

［1］馮源.2020年長江中下游堤防險情特點分析與思考［J］.人民長江，2020，51（12）：31-33.

［2］RIHA J，PETRULA L.Experimental Research on Backward Erosion Piping Progression［J］.Water，2023，15（15）.DOI：10.3390/w15152749.

［3］劉陽，侍克斌，毛海濤，等.土石壩壩基內部侵蝕規律研究現狀述評［J］.人民珠江，2019，40（5）：1-7.

［4］武娟，張鳴，李巖松，等.深厚軟土地基上堤防變形特性分析研究［J］.人民珠江，2022，43（4）：122-126.

［5］OMOFUNMI O E，KOLO J G，OLADIPO A S，et al.A Review on Effects and Control of Seepage Through Earth-fill Dam［J］.Current Journal of Applied Science and Technology，2017，22（5）.DOI：10.9734/CJAST/2017/28538.

［6］MITSU O，YUSUKE T，NORIHIRO I，et al.Centrifuge modeling of scale effect on hydraulic gradient of backward erosion piping in uniform aquifer under river levees［J］.Soils and Foundations，2022，62（5）.DOI：10.1016/j.sandf.2022.101214.

［7］KENNY T C.Soil Mechanics-New Horizons［M］.New York：American Elsevier Publishing Company Inc.，1974.

［8］陳群，劉黎，何昌榮，等.缺級粗粒土管涌類型的判別方法［J］.巖土力學，2009，30（8）：2249-2253.

［9］CHANG D，ZHANG L M.A stress-controlled erosion apparatus for studying internal erosion in soils［J］.Soils and Foundations，2013，53（4）：569-583.

［10］劉杰.缺乏中間粒徑砂礫石的滲透穩定性［C］/ /水利水電科學研究院論文集（第一集）.北京：中國工業出版社，1963.

［11］齊俊修，趙曉菊，劉艷，等.不均勻系數C_u≤5的無黏性土的滲透變形類型統計分析研究［J］.巖石力學與工程學報，2014，33（12）：2554-2562.

［12］陳亮，張哲，陳成，等.不同細顆粒含量土體管涌三軸試驗研究［J］.河北工程大學學報（自然科學版），2019，36（2）：1-4.

［13］KOVACS G.Seepage hydraulics［M］.Amsterdam：Elsevier Scientific Publishing Company，1981.

［14］HAPPEL J，BRENNER H.Low reynolds number hydrodynamics［M］.Leyden：Noordhoff，1973.

［15］劉忠玉，樂金朝，苗天德.無黏性土中管涌的毛管模型及其應用［J］.巖石力學與工程學報，2004，23（22）：3871-3876.

［16］TERZAGHI K.Theoretical soil mechanics［M］.New York：John Wcley and Sons，Inc.，1943.

［17］毛昶熙.管涌與濾層的研究：管涌部分［J］.巖土力學，2005，26（2）：209－215.

［18］吳良驥.無黏性土管涌臨界坡降計算［J］.水利水運科學研究，1980（4）：90－95.

［19］沙金煊.多孔介質中的管涌研究［J］.水利水運科學研究，1981（3）：89－93.

［20］梁越，曾超，儲昊，等.散粒土滲透破壞判別方法試驗研究［J］.人民長江，2015，46（18）：75-79.

［21］王霜，陳建生，鐘啟明，等.散粒土管涌臨界水力梯度的研究［J］.水電能源科學，2018，36（9）：114-117.

［22］BENDAHMANE F，MAROT D，ALEXIS A.Experimental parametric study of suffusion and backward erosion［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2008，134（4）：57-67.

［23］KHILAR C，FOGLER S，GRAY H.Model for Piping-Plugging in Earthen Structures［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1985，111（7）.DOI：10.1061/（ASCE）0733-9410（1985）111：7（833）.

［24］ABERG B.Hydraulic Conductivity of Noncohesive Soils［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1992，118（9）：1335-1347.

［25］ROBBINS B，GRIFFITHS D.A two-dimensional，adaptive finite element approach for simulation of backward erosion piping［J］.Computers and Geotechnics，2021，129.DOI：10.1016/j.compgeo.2020.103820.

［26］ZHENG G，TONG J B，ZHANG T Q，et al.Visualizing the dynamic progression of backward erosion piping in a Hele-Shaw cell［J］.Journal of Zhejiang University-SCIENCE A，2022，23（11）：945-954.

［27］劉昌軍，丁留謙，孫東亞，等.單層堤基管涌侵蝕過程的模型試驗及數值分析［J］.土木工程學報，2012，45（8）：140-147.

［28］梁越，張強，曾超，等.變向滲流下的無黏性土顆粒起動機理研究［J］.重慶交通大學學報（自然科學版），2016，35（2）：89-92.

［29］詹美禮，閆萍，尹江珊，等.不同軸壓下懸掛式防滲墻堤基滲透坡降試驗［J］.水利水電科技進展，2016，36（3）：36-40.

［30］尹子學，陳亮，蔡國棟，等.不同黏粒含量土體管涌試驗研究［J］.河北工程大學學報（自然科學版），2021，38（2）：19-23.

［31］張超，陳建生，張華，等.懸掛式防滲墻控制管涌發展的模型試驗研究［J］.河北工程大學學報（自然科學版），2015，32（4）：52-57.

［32］ADAMS B T，XIAO M，WRIGHT A.Erosion Mechanisms of Organic Soil and Bioabatement of Piping Erosion of Sand［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2013，139（8）：1360-1368.

［33］王霜，陳建生，萇坡.非均勻流與顆粒組成對管涌影響的試驗研究［J］.四川大學學報（工程科學版），2015，47（6）：24-31.

［34］賈愷，曹洪，李興華.雙層堤基管涌通道擴展機制和計算方法研究［J］.巖石力學與工程學報，2013，32（11）：2368-2376.

［35］張哲，陳亮，雷崇武，等.不同形式變水頭作用下土體的管涌特性［J］.河南科學，2019，37（7）：1116-1121.

［36］CHEN L，ZHAO J C，LI G，et al.Experimental study of seawall piping under water level fluctuation［J］.European Journal of Environmental and Civil Engineering，2013，17.DOI：10.1080/19648189.2013834582.

［37］ZHOU H X，CAO H，ZHANG W.Experimental studies on seepage failure of the top stratum at a weak spot in double-layer dike foundations［J］.Advanced Materials Research，2011，368/369/370/371/372/373：2387-2393.

［38］LUO G Y，RICE J D，PENG S G，et al.Modelling Initiation Stage of Backward Erosion Piping through Analytical Models［J］.Land，2022，11（11）.DOI：10.3390/land11111970.

［39］丁留謙，吳夢喜，劉昌軍，等.雙層堤基管涌動態發展的有限元模擬［J］.水利水電技術，2007，38（2）：36-39.

［40］陳生水，鐘啟明，任強.土石壩管涌破壞潰口發展數值模型研究［J］.巖土工程學報，2009，31（5）：653-657.

［41］周曉杰，介玉新，李廣信.基于滲流和管流耦合的管涌數值模擬［J］.巖土力學，2009，30（10）：3154-3158.

［42］周曉杰，介玉新，李廣信.堤防管涌的數值模擬［J］.水力發電學報，2011，30（2）：100-106.

［43］任鶴，費建波，介玉新，等.用自然單元法模擬管涌發展過程［J］.水力發電學報，2015，34（7）：21-26.

［44］吳夢喜，鄧琴芳，黃艷北.堤基管涌動態發展的數值模擬［J］.鄭州大學學報（工學版），2012，33（5）：66-71.

［45］STAVROPOULOU M，PAPNASTASIOU P，VARDOULAKIS I.Coupled wellbore erosion and stability analysis［J］.International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，1998，22（9）：749-769.

［46］胡亞元，馬攀.二維堤壩管涌的數值模擬研究［J］.工程力學，2015，32（3）：110-118.

［47］胡亞元，馬攀.三相耦合滲流侵蝕管涌機制研究及有限元模擬［J］.巖土力學，2013，34（4）：913-921.

［48］羅玉龍，彭華，張晉.基于SUPG穩定有限元技術的純對流耦合管涌模型［J］.巖土工程學報，2010，32（7）：1072-1078.

［49］羅玉龍，速寶玉，盛金昌，等.對管涌機理的新認識［J］.巖土工程學報，2011，33（12）：1895-1902.

［50］WEWER M，AGUILAR J，KOK M，et al.A transient backward erosion piping model based on laminar flow transport equations［J］.Computers and Geotechnics，2021，132.DOI：10.1016/j.compgeo.2020.103992.

［51］ROTUNNO A，CALLARI C，FROIIO F.A finite element method for localized erosion in porous media with applications to backward piping in levees［J］.International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，2019，43：293-316.

［52］張鳳德，楊云超，榮冠，等.某多層結構堤基土體滲透變形機理模擬研究［J］.水電能源科學，2018，36（2）：80-84.

［53］黃海均，毛海濤，嚴新軍，等.上覆粗粒土層對堤基管涌破壞的細觀機制研究［J］.水資源與水工程學報，2020，31（2）：147-154，160.

［54］張剛，周健，姚志雄.堤壩管涌的室內試驗與顆粒流細觀模擬研究［J］.水文地質工程地質，2007（6）：83-86.

［55］倪小東，王媛，王飛.管涌的砂槽試驗研究及顆粒流模擬［J］.四川大學學報（工程科學版），2009，41（6）：51-57.

［56］WANG Y，NI X D.Hydro-mechanical analysis of piping erosion based on similarity criterion at micro-level by PFC（3D）［J］.European Journal of Environmental and Civil Engineering，2013，17（1）：187-204.

［57］VERA B，BRYANT R，ESTHER R，et al.3D modelling of backward erosion piping experiments［J］.Geomechanics for Energy and the Environment，2022，31.DOI：10.1016/j.gete.2022.100375.

［58］MRAHIMI M，SHAFIEEZADEH A.Coupled backward erosion piping and slope instability performance model for levees［J］.Transportation Geotechnics，2020，24.DOI：10.1016/j.trgeo.2020.100394.

［59］ABIMAEL L，NEBIYOU K.Dam breach analysis using HEC-RAS and HEC-GeoRAS：The case of Kesem Kebena Dam［J］.Open Journal of Modern Hydrology，2019，9（4）：113-142.

［60］BI J F，ZHANG H T，LUO X Q，et al.Modeling of internal erosion using particle size as an extra dimension［J］.Transportation Geotechnics，2021，133.DOI：10.1016/j.compgeo.2021.104021.

［61］ANTHONY K，EDUARDO D，ALAIN L，et al.Meshless modeling of flow dispersion and progressive piping in poroelastic levees ［J］.Fluids，2019，4（3）.DOI：10.3390/fluids.4030120.

［62］CHEN S S，ZHONG Q M，SHEN G Z.Numerical modeling of earthen dam breach due to piping failure［J］.Water Science and Engineering，2019，12（3）：169-178.

［63］樊茹玉，羅玉龍，張興杰，等.基于DEM-CFD耦合的潛蝕細觀數值模型研究［J］.水電能源科學，2021，39（2）：64-68.

［64］陳聞瀟，石崇，單治鋼，等.基于PFC-CFD的土體管涌數值模擬研究［J］.三峽大學學報（自然科學版），2021，43（3）：60-64.

［65］NIE Y P，SUN D Y，WANG X K.Quantitative analysis of the erosion process in horizontal cobble and gravel embankment piping via CFD-DEM coupling method［J］.Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering，2022，44（12）.DOI：10.1007/s40430-022-03922-z.

［66］倪小東，寇恒綺，史志鵬，等.深厚覆蓋層侵蝕型管涌細觀機理研究［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2023，51（10）：134-141.

［67］HOFFMANS G.Influence of erosion on piping in terms of field conditions［J］.Journal of Hydraulic Research，2021，59（3）：512-522.

［68］XIAO Y P，CAO H，LUO G Y，et al.Modelling seepage flow near the pipe tip［J］.Acta Geotechnica，2019，15（7）.DOI：10.1007/s11440-019-00878-8.

［69］曹敦履.葛洲壩工程大江圍堰地基滲流控制［J］.水利學報，1988（2）：49-55.

［70］CALLARI C，JOHANNES P.Numerical interpretation of regressive localized internal erosion in a real-scale levee physical model［J］.Geomechanics for Energy and the Environment，2022，32.DOI：10.1016/j.gete.2022.100395.

［71］毛海濤，張超，何濤，等.渾水滲流對粗粒土滲透特性的影響［J］.農業工程學報，2022，38（9）：140-150.

［72］何濤，毛海濤，張超，等.渾水滲流對黏性土內貫穿性裂縫修復演化研究［J］.巖土力學，2023，44（9）：2628-2638.

［73］馬朝陽，任杰，南勝豪，等.土石堤壩滲漏病險試驗裝置的研制及初步應用［J］.巖土工程學報，2023，45（11）：2268-2277.

［74］TENG Y T，WANG Y F，LI Z H，et al.Temperature effect on non-Darcian flow in low-permeability porous media［J］.Journal of Hydrology，2023，616.DOI：org/10.1016/j.jhydrol.2022.128780.

［75］HE F F，CHEN J，LI C Z，et al.Temperature tracer method in structural health monitoring：A review［J］.Measurement，2022，200.DOI：10.1016/j.measurement.2022.111608.

（責任編輯：程"茜）

基金項目：廣東省自然科學基金（2023A1515010754）

收稿日期：2023-08-06

作者簡介：廖志浩（1991—），男，碩士，工程師，主要從事水利工程設計和水利工程咨詢工作。E-mail：sevenk483@163.com

通信作者：朱少坤（1993—），男，碩士，工程師，主要從事水利工程設計和水利工程咨詢工作。E-mail：zsk192909@163.com