有機玻璃材料試驗達到失穩狀態是什麽原因（yīn）

　　隨著上遊水位提高，水力坡降增大，3種材料（liào）覆蓋層（céng）都有不同的表現（xiàn）：

    一、水泥砂漿材料的試驗表（biǎo）現為，砂沸泉眼數量增多（duō），規模變大，滲流出（chū）口內砂麵“湧（yǒng）高”，形成懸浮層，可看見（jiàn）孔口上遊側砂漿板（bǎn）下砂層被衝掏成空（kōng）腔（qiāng）。

　　上遊水位進一步升高（gāo），空腔向上遊擴展。升高水位，水量及砂量增加，穩定水位則水量及砂（shā）量也（yě）穩定，還未達到失穩狀態。隻有擴展到一定程度後，滲流量急劇（jù）增加，細砂（shā）大量湧出，才是真正的貫通破壞。

　　二、有機（jī）玻璃材料的試驗有（yǒu）衝（chōng）淘，但沒有明顯空腔，而是很早（zǎo）就（jiù）出（chū）現被水（shuǐ）流衝蝕形成的彎曲小溝通道（這可以在有機玻璃麵下直接（jiē）觀察到）。隨著上遊水位進一步升高，覆蓋層下砂土（tǔ）形成（chéng）擺動不定、彎彎曲曲的衝刷通道，逐漸向上遊上溯（sù），同樣也未達到失穩狀態。最後當通道抵達上遊，流速增加，通道內砂急劇淘（táo）刷。

　　三、柔性水袋施壓（yā）下的試（shì）驗，當上遊水位低於水袋水位時，既無空腔又無衝蝕小溝通道（這也可以從透明的水袋下直接觀察到）。隻有當上遊水（shuǐ）位升至接近或略高於水袋水位時，水袋塑料薄膜自上（shàng）遊向下遊（yóu）逐漸與砂層脫離，並快速發展到滲（shèn）流（liú）出口，會出現與水泥砂漿覆蓋相類似的破壞，但這已不（bú）是要討論（lùn）的（de）範疇。

　　用上（shàng）遊隔（gé）板和滲流出口孔邊的水頭差比兩（liǎng）點間的距離（lí）作為試驗的平均坡降，發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（fù）蓋層，J=0.10；水泥砂漿覆蓋層，=0.13；柔性水（shuǐ）袋模擬的覆蓋層，J的大小則隨著隨著水袋內的壓力大小而變化，當水袋內壓力為=0.17，當水袋內壓力為150mm水柱時，J=0.28.它（tā）們都是發生在上遊水位升至接近或略高於水（shuǐ）袋水位時，因此，實際要達（dá）到貫通（tōng）破壞需要（yào）的水頭差（chà）應該更大。

　　有機玻璃（lí）材料對試驗現象進行討論

    （1）試驗開（kāi）始時，砂沸出現的位置在滲流出口不限定在上遊側，說明此時的水頭（tóu）分布基本與（yǔ）出口中心對稱，可近（jìn）似（sì）將出（chū）口看成一個淺井，便（biàn）於分析、計算。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（qí）第一次出現時，水頭差會很大，滲流通道空腔滲（shèn）流出口滲流（liú）通道覆蓋（gài）層（水泥砂漿）砂層滲流方向周紅星等：雙層堤基滲透破（pò）壞機製和數值模擬方法研究可（kě）能會超（chāo）出本試驗的第一步。但若（ruò）是在已（yǐ）有破（pò）壞點出口，則（zé）會經過這一步。

　　（2）整個區域可分為兩部分（fèn）：一是滲流集中通道，二是通道以外土體（tǐ）。通道類似於水平（píng）放置的具有近似半圓形截（jié）麵（miàn）的非（fēi）完整井，其截麵尺寸隨通道的發展而變化。滲透破壞（huài）發（fā）展的過程，是（shì）集中滲流通道形成和上溯的過程。

　　（3）覆蓋（gài）層特性對堤基滲（shèn）透破壞發展影（yǐng）響（xiǎng）顯（xiǎn）著（zhe）。有機玻璃試驗貫通時水平臨界坡降最小，水泥砂漿（jiāng）次之，柔性水袋最大。這與材料和砂層接觸特性相關。有機（jī）玻璃表麵光滑，易形成接觸衝刷。一旦（dàn）局部薄弱點砂層顆粒被衝走（zǒu），由於有機（jī）玻璃（lí）的剛度使該處架空，成為壓（yā）力為0的自由表麵，更易被進一（yī）步衝刷。水泥砂漿與砂麵接觸（chù）好（hǎo），避（bì）免了（le）接觸衝刷。當集中滲流通道形成並上（shàng）溯時，通道以外區域仍保持受壓（yā），但（dàn）由於水泥砂漿板的（de）剛度大，通道內會脫空。柔性水袋變形適應強，可與砂層表麵充分接觸，施加壓力，約束砂層不被衝（chōng）刷。實際工程中的覆蓋層有一定剛度，應該是居於水（shuǐ）泥（ní）砂漿板和柔性水袋之間，因此其對滲透破壞的發展過程的影響（xiǎng）也應該在兩者之間。

　　堤基滲透破壞（huài）機製探討堤基滲（shèn）透破壞首（shǒu）先是從滲流出口開始，不論是已有的滲流（liú）出口（如前述試（shì）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（lì）坡降，出現砂沸或噴砂。但此時尚不是最終的貫穿破壞。進一步的破（pò）壞是形成集（jí）中滲（shèn）流通道並上溯的過程。集中滲流通道上溯的尖端，通道內流量較小，但砂土內水力坡降較大，而在出口處（chù）水流量最大。

　　從側壁觀察試驗可見，通道與砂土的交界（jiè）麵由（yóu）於滲透水力坡降大（dà），砂顆粒從土體中鬆（sōng）動脫離，在通道（dào）的尖端由於坡降最大表現得最明顯。而後在水流（liú）衝（chōng）刷下，鬆動的砂粒沿通道向（xiàng）滲流出口方向滾動。通道與砂土的交界麵砂粒處於（yú）平衡交換（huàn）狀態，流速大則砂粒被衝動，流速（sù）小則砂粒就會沉積，這在試（shì）驗（yàn）中通過改變模型上遊水位即可清楚地（dì）看到。

　　由於（yú）流速與（yǔ）通道內的（de）過水斷麵成反比，砂粒衝（chōng）動則斷麵增大，流速降低；砂粒沉積則斷麵減小，流（liú）速增（zēng）加，在過水流量穩定時會達到斷麵穩定，對應的流速由砂土的抗衝刷能力決定。因此通道的規模受水力坡降大小的控製，也受周邊土體抵抗衝刷能力的控製。

　　上述試驗現象討論說明，當滲流強度大到使土體破壞鬆動，還不足以使集中（zhōng）滲流通道上溯，還（hái）必須形成（chéng）砂粒在集中水流作用下衝蝕平（píng）衡的條件，使破（pò）壞後土顆粒能在水的作用下運移。因此，滲透破壞發展過程是2種作用的組合：一是在滲流作用下土體結（jié）構的破壞，實質是達到土體的極限（xiàn）強度；二是集中水流作用下，土體表麵砂（shā）粒的衝刷（shuā）平衡，主要運動形態為滾動，已屬於泥沙（shā）運動力學範疇。

　　集中滲（shèn）流通道對於通道內（nèi）的水、砂而言是過（guò）水（shuǐ）運砂的（de）管道，對於（yú）周邊砂（shā）土而言，是臨（lín）空的邊界（jiè），對土（tǔ）中的水而（ér）言是滲流（liú）的（de）出口。集中滲流通道本身應（yīng）滿足水力學關係，通（tōng）道以外的土中水應滿（mǎn）足滲流控製方程，通道的邊界由水壓連續、水量平衡（héng）、砂土量平（píng）衡等關（guān）係控製。