简要信息

【获奖类型】应用一等奖
【任务来源】水利部科技创新项目
【课题编号】防010507、防010508
【课题起止时间】2000年3月～2006年11月
【完成单位】防洪减灾所
【主要完成人】丁留谦、姚秋玲、刘昌军、孙东亚、何秉顺、赵进勇、解家毕、张启义、吴梦喜、周晓杰

    立项背景

    根据98年洪水期间长江中下游堤防工程较大险情统计资料，堤基管涌占险情总数的52.4%，居各种险情之首，其中7处溃堤有5处均是管涌所致。除漫顶溃堤外，历史上绝大多数溃堤都是由管涌造成的。管涌查险、抢险耗费了巨大的人力、物力和财力。堤防抢险和除险加固的实践表明，堤基管涌是堤防工程中最普遍且难以治愈的心腹之患。

    距堤脚很远处的管涌对堤防的危害性到底有多大，抢险的合理范围、盖重的合理宽度、悬挂式防渗墙等如何合理确定和设计，都是亟需解决的问题。此外，对堤基管涌发展并最终导致溃堤的机理、管涌破坏区的空间位置、断面尺寸特点等的认识也各执己见，认识并不一致。因此，认识管涌发生、发展和导致溃堤破坏的机理，并在此基础上对其防治关键技术进行研究，具有十分重大的现实意义。

    研究内容

    主要研究内容包括：

    （1）通过管涌破坏砂槽物理模型试验，对堤基管涌发生和发展过程进行了研究。对国内外相关设计规范和研究现状进行了分析评述，对管涌抢险的合理范围和盖重合理宽度等提出了建议。对悬挂式防渗墙的作用和合理设计进行了研究。

    （2）通过收集湖北长江荆南干堤垂直防渗墙工程的观测资料，对封闭式、半封闭式和悬挂式防渗墙的防渗效果进行了分析和评价。用数值计算方法论证了不同型式的防渗墙的防渗效果。对垂直防渗的适用条件进行了评价。

    （3）结合长江堤防98年出现管涌的重点险段，对堤基管涌险情进行了统计分析，对盖重的合理范围和效果进行了调研和评价，推导了双层堤基盖重设计的理论公式。

    （4）研究并建立了管涌发生和发展的数学模型，开发了模拟管涌动态发展的有限元程序。选择代表性堤基条件进行了计算模拟和分析，对管涌发展的方向、部位以及防渗墙的作用进行了计算分析。

    创新点

    主要创新点包括：

    （1）提出了管涌防治中允许管涌发生、但控制管涌破坏在有限范围内从而保证堤防安全的设计原则。将布莱-莱茵渗径系数方法的思想扩展应用到双层堤基的渗流控制中，对盖重的合理宽度和管涌抢险的合理范围提出了建议。这是对传统渗流控制理论的补充和发展，具有重要的学术和实际应用价值。

    （2）研究了管涌发展过程中的各种渗透破坏现象（包括流土、接触冲刷等）及其相互作用，对管涌发展机理有了新的发现和认识。

    （3）分析了不同堤基条件下管涌机理的特点和差异，发现了三层堤基中下卧强透水砂砾石层对堤基管涌破坏临界水头（水力比降）的巨大影响以及与单层和双层堤基不同的管涌发展机理和破坏模式，丰富了对堤基管涌机理的认识，对渗流控制设计具有重要指导作用。

    （4）研究了双层堤基悬挂式防渗墙在控制管涌发展和提高堤基抵抗管涌破坏能力方面的作用和效果，提出了双层堤基上悬挂式防渗墙的设计理念、设计准则和设计计算方法。

    （5）提出了管涌发展动态模拟的概化数学模型，实现了管涌破坏区与非破坏区的统一计算，开发了相应的有限元计算程序，实现了管涌发展的动态模拟。

    （6）研究了管涌发展过程中渗流场变化的特点，给出了管涌破坏锋面渗透坡降变化的过程和特点，对管涌发展的机理、发展速度的变化过程、管涌破坏区的特点等有了新的发现和认识，解释了管涌物理模型试验中直观上难以理解的现象。

    （7）研究了尺寸效应对管涌物理模型试验结果的影响，弥补了物理模型试验受比尺限制的不足。


    （8）提出了新的盖重设计计算理论公式，并对盖重设计准则提出了建议。
    该项目成果在管涌机理、动态模拟和除险合理设计方面取得了一系列研究成果，对我国堤防工程建设和安全管理具有重要理论和应用价值，其部分研究成果已在《堤防工程设计规范》的修订中采用。

    应用前景及社会经济效益

    本成果对于指导我国堤防工程防渗设计，特别是合理确定堤后压盖的宽度、汛期抢险的范围以及悬挂式防渗墙的位置及深度均具有十分重要的理论和应用价值。目前，本研究的一些创新性成果已在《堤防工程设计规范》的修订中被采纳。

    我国已建江河堤防约26万km，大量新堤防工程也将继续建设，因此堤防工程的建设、除险加固和安全管理是一项长期任务。本研究所取得的基础理论和应用技术成果在这些工程的设计、安全管理和汛期抢险中均具有一定的指导意义和工程应用价值，具有良好的推广应用前景。

                      

    单层堤基管涌破坏后形成的冲刷通道模型试验            三层堤基管涌孔口处的近似圆形砂环的模型试验