渗透破坏是造成堤防、土石坝等涉水工程失事的主要原因之一,其中管涌是发生最为普遍的破坏形式。由于施工工艺、设计、土体内天然缺陷等原因,坝体内部存在一部分易冲蚀孔隙,孔隙的走向、大小以及分布具有很强的随机性,从而渗透水流的方向也并非单一方向。基于此,细颗粒受到的水流拖曳力同样也会沿着不同方向,为土体管涌发生发展过程宏观上的表现截然不同。论文依托国家自然科学基金科学部主任基金“可动多孔介质相变机理及对管涌优势流路径发展的影响研究”(编号51409129),通过室内渗透试验研究了散粒土在相关影响因素下的管涌发生发展过程。基于试验数据,探讨了渗流方向、应力状态、密实度、颗粒级配、水力条件等因素对管涌发展过程的影响。主要的研究内容与成果如下:(1)变角度管涌侵蚀试验系统:自行研制了可提供不同渗流方向条件的管涌侵蚀规律试验系统,该系统的主要组成部分包括渗流方向调节系统、轴压施加系统、砂-水分离收集系统、数据采集系统、上游水位调节(供水系统)等重要部分。(2)研究散粒土渗透破坏临界条件:土体发生渗透破坏要满足自身条件以及外部水力条件,自身条件则包括土体颗粒级配、密实度等因素,外部条件则主要是临界水力梯度。重点分析了土体发生管涌破坏时临界水力梯度与渗流方向、颗粒级配、密实度、及应力状态之间的关系以及因素之间交叉影响的情况。(3)优势流动区域发展过程:土体内部细颗粒发生运移的动力来源于渗透水流对其产生的拖曳力,当拖曳力沿着不同方向时,细颗粒发生运移的模式也会有差异。基于此,利用不同颜色的细砂来进行细颗粒位置变化示踪试验。重点分析了优势流动区域的发展,试样内部不同位置处细颗粒的起动情况、优先级、运动路径,管涌通道的发展过程等。(4)土体管涌发展侵蚀过程:管涌发展过程是管涌险情预警以及制定相应对策的重要依据,试验分析了不同渗流方向条件、颗粒级配、密实度以及应力状态等因素对管涌发展过程的影响。与此同时,监测记录了不同轴向压应力条件下,试样发生轴向压缩变形时对应的管涌发展程度。