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(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。

　　（2）有機(jī)玻璃材料的試驗(yàn)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(jī)玻璃面下直接觀察到）。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)。后當(dāng)通道抵達(dá)上游，流速增加，通道內(nèi)砂急劇淘刷。

　?。?）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(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。

　　對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象的討論（1）試驗(yàn)開始時(shí)，砂沸出現(xiàn)的位置在滲流出口不限定在上游側(cè)，說明此時(shí)的水頭分布基本與出口中心對(duì)稱，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)的步。但若是在已有破壞點(diǎn)出口，則會(huì)經(jīng)過這一步。

　?。?）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(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)水平臨界坡降小，水泥砂漿次之，柔性水袋大。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，而在出口處水流量大。

　　從側(cè)壁觀察試驗(yàn)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(dòng)脫離，在通道的尖端由于坡降大表現(xiàn)得明顯。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(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)象說明，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(gè)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(gè)過程。以下給出相應(yīng)的判斷依據(jù)。

　?。?）土體強(qiáng)度破壞的判據(jù)堤基滲透破壞終形式是流土破壞，其實(shí)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(yàn)值，也過于簡單。事實(shí)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(qiáng)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(qiáng)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；′為土體小主應(yīng)力。

　　只要式（1）中任一個(gè)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(shí)。例如，當(dāng)臨空面為水平時(shí)，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(shí)，對(duì)于砂土，由式控制，穩(wěn)定條件是傾角小于休巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)止角；有滲流時(shí)，正應(yīng)力減小，穩(wěn)定角會(huì)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(qiáng)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(duì)堤基滲透破壞發(fā)展的影響。

　?。?）集中水流作用下，砂顆粒運(yùn)移的平衡判據(jù)從試驗(yàn)現(xiàn)象觀察，“水中土”在集中滲流通道中其運(yùn)動(dòng)形式是沿通道與下臥砂層接觸面在水流帶動(dòng)下滾動(dòng)前進(jìn)。砂粒已脫離土體骨架。因此，此時(shí)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(yùn)用泥沙水力學(xué)方法進(jìn)行推導(dǎo)?？紤]到砂顆粒滾動(dòng)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(dòng)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?yàn)檎?；為土顆粒接觸角，可采用土體摩擦角計(jì)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(gè)滿足，土顆粒是平衡的，不會(huì)運(yùn)動(dòng)。只有這2個(gè)條件同時(shí)不滿足，集中滲流通道才開始擴(kuò)展。

　　數(shù)值模擬方法堤基滲透破壞是三維問題，但從現(xiàn)場(chǎng)和試驗(yàn)觀察，堤基滲透破壞區(qū)域在整個(gè)堤基所占比例較小，若采用三維方法進(jìn)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(jì)算，則擴(kuò)大了集中滲流通道影響范圍，需要對(duì)計(jì)算進(jìn)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(shí)的應(yīng)力場(chǎng)作為初始應(yīng)力場(chǎng)，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(chǎng)，而滲流場(chǎng)的計(jì)算可通過軸對(duì)稱模式進(jìn)行，這樣就可以較好地解決計(jì)算分析問題。

　　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(yàn)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(chǎng)根據(jù)雙層堤基土層結(jié)構(gòu)滲流場(chǎng)的特點(diǎn)，將砂層土體應(yīng)力分解為3個(gè)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(jī)制和數(shù)值模擬方法研究考慮，實(shí)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(jì)算應(yīng)力；這2個(gè)部分經(jīng)一次計(jì)算即可作為初始應(yīng)力，以后不再變動(dòng)。