有機玻璃材料試驗達到失穩(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，細砂大量涌出，才是真正的貫通破壞。

　　二、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，同樣也未達到失穩(wěn)狀態(tài)。最后當通道抵達上游，流速增加，通道內(nèi)砂急劇淘刷。

　　三、柔性水袋施壓下的試驗，當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，當水袋內(nèi)壓力為=0.17，當水袋內(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，實際要達到貫通破壞需要的水頭差應該更大。

　　有機玻璃材料對試驗現(xiàn)象進行討論

    （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，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。

　?。?）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。

　?。?）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。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)的過水斷面成反比，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)定時會達到斷面穩(wěn)定，對應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)象討論說明，當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構的破壞，實質是達到土體的極限強度；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滿足水力學關系，通道以外的土中水應滿足滲流控制方程，通道的邊界由水壓連續(xù)、水量平衡、砂土量平衡等關系控制。