有機(jī)玻璃材料試驗(yàn)達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)是什么原因

　　隨著上游水位提高，水力坡降增大，3種材料覆蓋層都有不同的表現(xiàn)：

    一、水泥砂漿材料的試驗(yàn)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(jiàn)孔口上游側(cè)砂漿板下砂層被沖掏成空腔。

　　上游水位進(jìn)一步升高，空腔向上游擴(kuò)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(kuò)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。

　　二、有機(jī)玻璃材料的試驗(yàn)有沖淘，但沒(méi)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(jī)玻璃面下直接觀(guān)察到）。隨著上游水位進(jìn)一步升高，覆蓋層下砂土形成擺動(dòng)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。

　　三、柔性水袋施壓下的試驗(yàn)，當(dāng)上游水位低于水袋水位時(shí)，既無(wú)空腔又無(wú)沖蝕小溝通道（這也可以從透明的水袋下直接觀(guān)察到）。只有當(dāng)上游水位升至接近或略高于水袋水位時(shí)，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(huì)出現(xiàn)與水泥砂漿覆蓋相類(lèi)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(diǎn)間的距離作為試驗(yàn)的平均坡降，發(fā)生貫通破壞時(shí)的平均坡降定義為平均臨界坡降Jx，則在已做的幾組試驗(yàn)中，有機(jī)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(shí)，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(shí)，因此，實(shí)際要達(dá)到貫通破壞需要的水頭差應(yīng)該更大。

　　有機(jī)玻璃材料對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行討論

    （1）試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，砂沸出現(xiàn)的位置在滲流出口不限定在上游側(cè)，說(shuō)明此時(shí)的水頭分布基本與出口中心對(duì)稱(chēng)，可近似將出口看成一個(gè)淺井，便于分析、計(jì)算。實(shí)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(shí)，水頭差會(huì)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(jī)制和數(shù)值模擬方法研究可能會(huì)超出本試驗(yàn)的第一步。但若是在已有破壞點(diǎn)出口，則會(huì)經(jīng)過(guò)這一步。

　?。?）整個(gè)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(lèi)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(guò)程，是集中滲流通道形成和上溯的過(guò)程。

　　（3）覆蓋層特性對(duì)堤基滲透破壞發(fā)展影響顯著。有機(jī)玻璃試驗(yàn)貫通時(shí)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(jī)玻璃表面光滑，易形成接觸沖刷。一旦局部薄弱點(diǎn)砂層顆粒被沖走，由于有機(jī)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(jìn)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(shí)，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(huì)脫空。柔性水袋變形適應(yīng)強(qiáng)，可與砂層表面充分接觸，施加壓力，約束砂層不被沖刷。實(shí)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(duì)滲透破壞的發(fā)展過(guò)程的影響也應(yīng)該在兩者之間。

　　堤基滲透破壞機(jī)制探討堤基滲透破壞首先是從滲流出口開(kāi)始，不論是已有的滲流出口（如前述試驗(yàn)），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(shí)尚不是最終的貫穿破壞。進(jìn)一步的破壞是形成集中滲流通道并上溯的過(guò)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(guān)察試驗(yàn)可見(jiàn)，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(dòng)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(dòng)的砂粒沿通道向滲流出口方向滾動(dòng)。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(dòng)，流速小則砂粒就會(huì)沉積，這在試驗(yàn)中通過(guò)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(guò)水?dāng)嗝娉煞幢?，砂粒沖動(dòng)則斷面增大，流速降低；砂粒沉積則斷面減小，流速增加，在過(guò)水流量穩(wěn)定時(shí)會(huì)達(dá)到斷面穩(wěn)定，對(duì)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(yàn)現(xiàn)象討論說(shuō)明，當(dāng)滲流強(qiáng)度大到使土體破壞松動(dòng)，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(yùn)移。因此，滲透破壞發(fā)展過(guò)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(shí)質(zhì)是達(dá)到土體的極限強(qiáng)度；二是集中水流作用下，土體表面砂粒的沖刷平衡，主要運(yùn)動(dòng)形態(tài)為滾動(dòng)，已屬于泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)范疇。

　　集中滲流通道對(duì)于通道內(nèi)的水、砂而言是過(guò)水運(yùn)砂的管道，對(duì)于周邊砂土而言，是臨空的邊界，對(duì)土中的水而言是滲流的出口。集中滲流通道本身應(yīng)滿(mǎn)足水力學(xué)關(guān)系，通道以外的土中水應(yīng)滿(mǎn)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。