蒋严(江苏镇江建科建筑科学研究院有限公司 212004。jiangyan16345678·yeah。net)
摘要：第四纪地层是管涌的母体温床，过去人们进行了大量微观管涌理论研究，很少从地质构造、土层结构方面进行宏观管涌研究。本文从地质构造、沉积规律、勘察精度及地上河结构方面进行了预研预知杜绝发生管涌的宏观研究。共7种管涌模式。研究了土的管涌孔隙直径计算公式，给出了地层结构、构造管涌原理的渗透破坏形式判别方法和临界水力坡降经验计算公式。1998年提出的《深挖河床、防洪治本》方案在黄河治理中应用取得了成功，中华民族几千年的心头之患黄泛灾难可能永远成为历史。建议淮河与京杭运河交叉处建立交河。我国地上江湖、河道淤塞较多，采用加深河床及预期冲洪法防汛，是社会生存和发展的科学战略抉择。
关键词：第四纪人类世。土层结构构造管涌原理；预研预知杜绝发生管涌；填充系数；临界水力坡降；流土、流失性管涌、接触性管涌、冲刷性管涌；管涌孔隙直径；加深河床；冲洪防汛。
作者简介：蒋严(1938~ )，男，江苏常州人，主任工程师，1956年参加工作，主要从事岩土工程工作及科学研究。
0、引言
1943年，[美]K.太沙基教授研究了土体在水中的浮力平衡，创立了流土破坏坡降计算公式沿用至今(原著称Piping Mechanics)
[1]。1950年代，苏联(今俄罗斯)学者提出细粒土从粗粒土的骨架孔隙中随渗透水流移出土体外部称为管涌。从土的不均匀系数，骨架孔隙平均直径，颗分曲线特征点或曲率等入手，研究了砂砾石的临界水力坡降。笔者称其为土的粒径管涌原理，其正确性已用大量管涌试验资料做过验证[2]。1960-1970年代，刘杰用小于微分曲线断裂点粒径的细料含量、孔隙率等;沙金煊用小于2mm细料含量、渗透系数等进行砂砾石的管涌研究，开创了土的原状结构管涌研究新阶段[2]之参考文献。蒋严研究了砂砾卵石填充系数，统计了400多组管涌试验资料的规律性。
1980-1998年管涌研究论文相对较少。1999-2010年10余年间的管涌研究，不仅论文数量比之前50年还多，而且研究水平极大提高[2] [3] [4] [5][12]。上述都属于微观管涌理论研究，没有同土层结构和地质构造联系起来。
管涌发生在土层中，土层是地层的组成单元，地层来源于地球演变中的第四纪地质成因，第四纪地质成因的规律性必然包含着管涌特性。勘察技术是人们了解地质条件的主要手段，必经之路。研究地质成因和勘察技术就成了管涌研究的重要内容。黄河、淮河等地上河研究是第四纪人类世地质学任务，因此，从土层结构和构造方面研究管涌是追根溯源，是研究管涌的本祖本性本质特性。
工程事实证明了地质成因、土层构造与管涌之间存在必然的紧密联系。
1，地层结构、构造管涌条件
地层发生管涌的必备微观条件是：土中的管涌孔隙直径大于可流失颗粒直径；水头压力大于临界水力坡降。地层结构、构造宏观管涌条件有3种：在水头压力大于临界水力坡降时(1)管涌土层出露地表(2)覆盖层之下的管涌土层因洼、井、坑、洞等出现临空面(3)带细土粒的动水压力克服覆盖土层阻力冲出地表。
可流失颗粒直径采用d10为标准已作过阐述[2]，。土的管涌孔隙直径，现有国内某计算公式d0=0.25D20：式中D20为20%处的颗粒直径[9]；[俄]康氏公式d0=0.214D50Dn∕D100- n：式中D50为混合料50%处的颗粒直径，Dn、D100- n为与骨架孔隙率等值的土重百分数处的颗粒直径和100-n处的颗粒直径[10]；其他公式计算步骤较多。为此研究如下；设球a的直径为a1=1，a2=1/2，a3=1/4……a?=1/n，式中i=1、2、3…n，n为等比级数1、2、4、8…以内。所得孔隙直径与相邻颗粒中值粒径的比值约为0.136。砾卵石颗粒多数呈扁椭球状，等比级数直径扁椭球紧密排列所得孔隙直径与相同直径球状颗粒孔隙直径的比值为0.692，管涌现象中细颗粒总是从较大颗粒的孔隙中流出土体外部，因此用黄金分割法0.618选择D50-D100之间的粒径D81为实用粒径。根据这些因素分析换算后得土的管涌孔隙直径计算公式为
d0= 0.16 D50 (1)
式中
D50-砂砾卵石混合料或成层土中粗粒土50%处的颗粒直径mm
按土的分类标准粒径范围确定特征性粒径d10、D20、D50上下限值，用不同公式计算的土的管涌孔隙直径列于表A，数据表明：砂卵石、砂砾石、砾砂、粗砂、中砂可能产生自身管涌；细砂、粉砂、粉土、粘性土不可能产生自身管涌；土的分类名称从粗到细顺序排列时，间隔一级以上的土层相邻必然d0>d10；3个公式计算结果接近，某式下限误差较大，建议用1)式或康式。表A可用于判别任何两个相邻土层是否存在产生接触管涌的条件，上层d0>下层d10，容易垂直管涌；上层d0<下层d10，垂直管涌困难。
表A 土的管涌孔隙直径表 mm
土的分类名称粘性土粉土粉砂细砂中砂粗砂砾砂砂砾石砂卵石漂石
分类粒径 mm
项目<0.005
>3%粉>砂
粘<3%>0.1mm
<75%>0.1mm
>75%>0.25mm
>50%0.5mm，>50%2-20mm
>50%>2mm，>50%200-20mm>50%>200mm，>50%
特性粒径D50<0.020.05
-0.0150.1
-0.0350.25
-0.090.8
-0.252-0.57-1.520-5200-20>200
D20<0.0080.03
-0.0060.03
-0.0060.15
-0.020.25
-0.021-0.024
-0.0210
-0.0220-2>2
d10<0.0060.02
-0.0060.02
-0.0060.08
-0.010.2
-0.010.8
-0.013
-0.028
-0.050.1
-0.01>0.1
孔隙直径1)式d0<0.0040.01
-0.0020.02
-0.0060.04
-0.0140.13
-0.040.32
-0.091.0
-0.23.2
-0.832-3.2>32
康式d0<0.0030.01
-0.0010.02
-0.0040.03
-0.010.07
-0.020.26
-0.071.05
-0.12.61
-0.725-2.16>25
某式d0<0.0020.01
-0.0010.01
-0.0020.04
-0.0060.06
-0.0060.25
-0.0061
-0.0062.5
-0.0060.03
-0.006>0.03
根据第四纪地质沉积规律，江河中上游多为砂砾卵石管涌；山前坡积裙为碎石土管涌；冲积平原上部多为成层土管涌底板为砂砾卵石及基岩缝隙管涌；三角洲冲积物、冲沟、江岔、湖泊、沼泽、滨海堆积物多为砂/淤泥土互层管涌。
砂砾卵石层的特性是砾卵石含量上下左右各处不均匀，砾卵石孔隙中充填砂土，有时填满有时填不满，常见集中渗流带或架空构造。颗粒呈重心相近排列。地质构造自上至下有：粘性土层/砂层/砂砾卵石层/风化岩层/基岩等多种构造，极易发生管涌。砂砾卵石地层之上覆盖较厚的砂层粘性土层不易发生管涌。
粗中细粉砂层中，纯粗砂层较少，中细粉砂层分布广泛。冲积平原地质构造自上至下一般为：粘性土层/砂层/砂砾卵石层/风化岩层。三角洲地带一般为：粘性土层/砂层/淤泥质亚粘性土层/砂层/淤泥质亚粘性土层/砂层/砂砾卵石层/风化岩层/基岩，其中砂层厚度自几厘米至几十米，与淤泥质亚粘性土层重叠伴生，有时呈韵律构造，俗称千层饼地层。深基坑开挖该地层出露地表或临空面即符合上述管涌条件。
我国古代是农业大国，长期采用筑堤法防洪，无限制加高江堤河堤，促使河床抬高，目前黄河、淮河等江河中下游河段的河床高程已高出堤外平地几米至几十米，形成了高河床高水位高水力坡降管涌条件，一旦江堤决口，洪水从几米几十米高处直泻广阔平原，势不可挡，灾难十分惨烈。黄河长江淮河历史上的洪水灾害大多数属于这种境况。这是地上河河川结构特大水力坡降管涌条件。其地质年代属国际地学界最新纪年人类造成的第四纪人类世。
2， 不可抗力管涌因素与工程地质勘察精度。
堤坝与自然界共存，自然界的风化营力、动植物生死轮回等不可抗力因素是突发管涌的重要原因之一。小龙虾、蚂蚁、蛇鼠兔蟮蛙等动物洞穴可能形成管涌土层的隐藏临空面；植物烂根缝隙；地震缝沉降缝收缩缝；漩涡、冲刷坑等都可能是管涌的诱因或直接原因，这些因素具有极大的随意性和不确定性。
江中盗砂、钻孔、渔桩孔等可瞬间减小渗透阻力增大水头压力。堤后挖渠、开塘、打井等于卸载堤后压重，同时把垂直管涌变为临空面水平管涌，数倍降低允许水力坡降，遇水位骤升，危害极大。1998年长江特大洪水灾难发生的几十起大型管涌灾难事故，绝大多数管涌出水口位置都在堤后井、坑、河、塘、洼地中的管涌土层隐蔽临空面。这证明不可抗力因素是发生管涌灾难的非常条件。
目前勘察技术达不到毫米级精度，换言之，地层中确实存在几毫米几厘米或更大的管涌通道，勘察报告可能标示为〝没有"，这不是失误。特别是位于两个钻孔之间的几毫米细微构造缝隙，不可能悉数查明；钻孔难免有深度误差；标贯取样或做现场试验，其位置不一定恰好在软弱缝隙处；物探法也无能为力；只有地下水位以上坑槽探才能发现毫米级缝隙，坑槽探数量有限。水下勘探难度更大，毫米级缝隙更难发现，水下砂砾卵石地层用套管打入式淘沙筒取样法勘探，颗粒组成等各项指标都可能存在误差。目前勘探技术可以满足沉降和强度计算要求，不能满足管涌要求，管涌研究涉及>100MM及<0.005MM的全部土类，要求达到毫米级的精度无法实现，因此不能使用研究沉降和强度同样的方法研究管涌。图1b是专为研究目的进行的原位测试和取样位置放大图，可见最小值处的软弱点细微缝隙可能发展成为管涌条件，在常用地质剖面图1a中因比例尺大则看不出缝隙；砂砾卵石地层中可能存在的特大卵石型架空构造已给出过照片[2]；较小砾卵石集中渗流带比较多见，这些在地质图中可能都无法标明，由此证明地层中可能存在勘察不可知管涌条件。地质剖面图上的地层分界线不表示光滑面，图2的颗粒组成曲线表示该砂层与亚粘土层之间存在〝过渡层〞，不是光滑面〝接触冲刷〞状况。
3，地层结构、构造管涌原理的渗透破坏形式判别和临界水力坡降经验计算公式。
土层结构、构造管涌原理的渗透破坏形式按表1判别。该表指单个土层，工程中还要结合地质结构研究判别。最简单地基由基岩-风化层-砂砾卵石3层组成；冲积平原和三角洲因多次切割交错沉积，可形成8-10个以上地层，上粗下细容易垂直管涌，上细下粗不易垂直管涌，隐蔽临空面都可发生管涌。砂砾卵石砂土组成的堤坝地基一般都是管涌地基或透水地基，管涌是急性灾难；漏水使水库干涸，防洪堤后受涝，是慢性灾难，两者都必需截渗。
坝基之外，坝体也存在结构管涌问题：1976年6月美国teton坝高126.5米，含粘土砾石粉砂肥心墙，砂卵石和砾石斜墙坝壳，因基岩裂隙渗水入土坝齿槽产生土岩结合面管涌全坝坍塌[6]。我国多处土坝砼涵管断裂发生土砼结构面管涌[8]。广西沟后坝高70米，砼面板防渗，砂砾卵石坝体机械化施工形成粗细料分离层，形成接触土层管涌，蓄水3天后全坝垮塌[7]。这些惊人事故证明了坝体结构、构造管涌研究的重要性。
根据几百组管涌试验成果的统计，得出了砂砾卵石管涌临界水力坡降JCp~cn~d10关系图[2]，原图根据专门研究资料绘制，其d10为0.05~0.45mm范围较大。实际工程管涌事故中绝大多数是d10<0.1mm，原图因图面小在图中已看不清楚，原图可拟合成计算公式：JCp=3d10(cn)2。砂砾卵石填充系数在结构上是细料充填骨架孔隙的程度，在渗透
性上反映了管涌阻力系数F，且Cn=F，该式可写成
JCp=3d10F2 (2) 式中
JCp―砂砾卵石管涌临界水力坡降
d10―<2mm细料10%处的粒径mm，cn―填充系数
cn=P<2ρd"/ρd/1-[(1- P<2)/ρ']
P<2―混合料中<2mm的细料含量 %
ρd"―混合料干密度，经验值2.00克/立方厘米
ρd―细料干密度，经验值1.50克/立方厘米
ρ'―砾卵石的质量密度，经验值2.65。
F―管涌阻力系数
土自身管涌和两个土层接触管涌的F值变化情况相同，砂砾卵石自身管涌Cn →1时F→1，其Cn →0时F→0；两个土层接触管涌的F是，粗粒土层的管涌孔隙直径d0→大则F→0；d0→小则F→1。从表A得知，土的分类名称自粘性土至漂石排列，其D50自<0.02mm至>200mm，反映其管涌阻力系数自1降低至0，按此规律性，上层土的分类名称与F值关系列于表B。
表B 接触管涌上层土管涌阻力F值表
土分类名称漂石砂卵石砂砾石砾砂粗砂中砂细砂粉砂粉土粘性土
D50mm>200200-2020-57-1.52-0.50.8-0.250.25-0.090.1-0.0350.05-0.015<0.02
孔隙 直 径 >2032-3.23.2-0.81-0.20.3
-0.090.1
-0.040.04
-0.014 0.02-
-0.0060.01
-0.003<0.004
管涌阻力F00.1-0.20.30.40.50.60.70.80.91.0.
因此，两个相邻接触土层(上粗下细垂直管涌和上细下粗水平管涌)的临界水力坡降计算公式为
JCp=3d10F (3) 该式是经验公式，数力理论关系需进一步研究。据此可能建立理论管涌本构模型。
设安全系数a=2，设计安全水力坡降为
Ja= JCp /a (4)
4、地层结构、构造管涌原理的工程应用
1998年夏长江嫩江松花江特大洪水发生几十起管涌决堤事故造成灾难，3亿人卷入抗洪抢
险斗争。事后，人们担心黄河发生同样灾难，焦急寻找对策。由于几千年长期加高河堤，黃河中下游河床已高出华北平原4-10米，形成了地上河河川结构管涌条件。根据现代土的渗透稳定性理论，阻止发生管涌溃坝洪水灾害的核心问题是降低水力坡降J(J＝H/L，H-水头高度，米。L-渗径即堤基宽度，米)。地质学考虑工程的软弱点、面或最危险状态以及自然界不可抗力管涌因素等的黃河大堤水力坡降计算示意图如图3，d点的水力坡降J1 =H1/L(L=bc)。一般认为d点的水力坡降J2 =H1/ab+bc+cd，式中ab段按垂直入渗计算，bc段按渗径计算， cd段按流土坡降计算。设H1=10-20米，L=100米，则J 1≈0，15左右，还可能更小，为危险状态；J2≈1，为安全状态。二者差别很大。
黄河大堤长2万公里，穿越各种地质条件，地层中可能存在地质勘探不可知的细微天然缝隙管涌条件，根据400多组管涌试验成果研究得出的资料，临界水力坡降选用Jcp =0.05~0.08比较安全[2] 。按此估算黄河河床自华北平原高程算起应降低8-15米，予计50年一遇洪水位与平地持平，加上黄河大堤、水库、分洪、予期冲洪等，可能抗御千年一遇洪水。
加深河床的施工方法很多，沿海江河以冲淤入海法为最快速、高效。具体方法是在河道中心部位，用空气冲於船等间隔连续排列，搅动泥沙，连续冲淤，冲出一条几米深、宽的小沟槽，利用汛期水大流急，把河床泥沙连续冲入大海。河道转弯处事先设置护岸工程。按勘察、设计、监理、检测、验收程序规范化施工。现在有国力、有科学、有技术、有能力整治江河。
根据上述研究，1998年12月写了《深挖河床，防洪治本--河床冲、挖、采、吸、固、围防洪方案研究报告》；后又写了几次报告和论文。冲淤入海法2002年在黄河试验。2004年正式施工(又称调水调沙)，至2009年黄河共冲淤9次，加深河床8米，主河道最小泄洪能力由1800立方米秒提高到3880立方米秒，比10年前增加了1倍，相当于2条黄河。5.75亿吨泥沙入海，造地15万亩。施工中，黄委创造了水库调水、异重流、多沟槽冲刷等新技术，提高了施工进度和效率。黄河灾害得到了初步根治。
黄河泥沙来源无穷尽，除水土流失外，近年沙尘暴急剧增加，专家估计每年吹入黄河的沙尘约8万吨，这给治黄带来新的挑战，若冲淤入海"出不敷入"，黄河堵塞、改道、泛滥的风险依然存在。
治黄经验值得推广，大江大河中下游 "加深河床，冲淤冲洪入海，防洪治本"；中西部省区一、二级支流及山前河流"深挖河床，挖淤填洼固堤，防洪治本"。河床深度按50年一遇洪水位与地平持平设计。同时改造河网，由护河公司长期维护；联合使用"泄洪加力站"法，是根治突发洪水灾害的有效方法。
淮河解放前十年九灾，解放后灾害显著减少减轻，治淮取得了巨大成绩，但也有新问题。因大量筑堤筑坝流域防洪堤总长度达5万公里!是全国的五分之一!洪泽湖成了世界第一大地上(悬)湖!因千年取土，，造成较多"洼地"、"台庄"、"圈坝村"，人居环境变差。自1194年黄河夺淮入海之后(之前淮河灾害较少)，淮河长期被大运河垂直阻隔成"关门淹"。又"关门治水"。筑堤堵水减少了洪水灾害，但洼地、旱、涝灾害有所增加，淮委统计，近几十年的旱、涝灾害次数和损失，远大于洪水灾害的次数和损失(图4)，一定程度上由一种灾害转换成了另一种灾害，根源没有消除。2004年建成的通海河在大运河之下以"U型地涵"通过，因是急弯道，泄洪、冲淤受阻，通海冲淤冲洪实质仍未解决。
根据这些情况，2007年建议两条入海河道，建设四通水闸或"立交河"，使淮河从大运河底部通过，把地涵扩建成地下河，最大限度使淮河洪峰泥沙宽敞直线穿越大运河直达大海。"加深河床，清淤填洼，打开大门，泄洪冲洪入海"。全民动员，采用冲、挖、采、吸、放等各种机械或人工方法，加深河床10米左右用于填洼。冲、填并进，5-10年大部分地区可能永远根治灾害。
予期冲洪法是在洪峰到达时或到达前的几天几十天内，用强力排水机械隔段排列连续冲击河水，事先做好防冲刷护岸工程，即用机械加速泄洪预先降低水位，洪峰到达时就降低了原有的洪峰高度及停留时间，达到了减灾避险目的。该法与水库预留库容意义相同。
治淮治本是全面执行〝蓄泄兼筹〞方针的基本条件和保障。正在实施，曙光初现。
5、管涌研究方向讨论
亿万年沉积的原状土天然堤基是否可用室内扰动土"堤基模型"替代做管涌研究值得商榷 [11]：扰动土破坏了天然砂砾卵石的化学胶结力、粘性土结构固化凝聚力；人工堤基抹杀了天然地层可能存在的毫米厘米级缝隙；把不均匀地层变成了均匀堤基；扰动土破坏了天然砂砾卵石颗粒重心相近的排列结构；两者的粒间应力和咬合力作用不同；模型与实物的比尺效应不明；刚性(金属)坝体建筑在粘性土地基上无防渗抗滑齿槽无此工程结构实例。论文题目无"模型"二字，真假难辩。建议重视地质学试验研究，"模型"与其应用分别立项。
管涌溃口发展研究[12]：似有质疑：管涌是突发事件，事前不知道何时何地哪个位置发生管涌，其流量-流速-孔隙率资料如何取得？管涌从开始到溃坝只有几小时或几天时间，非常迅猛灾难惨重。抢险时流态瞬息万变，这些资料又如何取得？可操作性困难较大。同60亿人口中找不到高矮胖瘦长相完全一模一样的两个人一样，全世界找不到地质结构、特性、指标完全相同的两个地基，该数学模型用于核心技术预研预知杜绝管涌发生更遥远。工程实例无地点时间名称，图4实测点数很少。管涌的关键是管涌孔隙直径，包括结构、构造、动植物腐尸烂根缝隙，不是"孔隙率!"，粘性土和砂砾卵石的孔隙率可能相等，管涌特性有天壤之别。这些可能与方向路线有关。
6、结论
1)新中国成立后水利事业取得了巨大成绩。根据当时的科技水平，前任领导人和水利岩土工作者执行的方针政策是正确的，他们为国家和人民做出了重要贡献!我国的管涌研究1963年刚刚起步，接着"文革"10余年，现在的管涌研究成果与建国初期的水利战略无关。筑堤防洪法是古代延续下来的方法，当时是先进技术。
改革开放后我国经济和科技飞速发展，治水理论和方法随着科技进步而改变，应理成章，符合社会科学发展观、符合我国的经济实力和高架河淤塞等国情,是改革开放的必然成果。
黄河治理6年验证了加深河床、防洪治本法的有效性。2010年华南华中长江流域东北大面积水灾，江西抚河唱凯等地多处管涌决堤，再次敲响警钟，说明"深挖河床"有必要抓紧在全国推广实施。
2)地层是管涌的母体温床，从土层结构、构造方面研究管涌是追根溯源，从本祖本性本质认识管涌特性。对于判定管涌具体位置，采取针对性防治管涌措施具有直达意义。地基的渗透破坏形式按表1结合地层构造判别；地上河防洪堤基管涌土层出露地表和出现隐蔽性临空面是最危险的结构管涌条件。临界水力坡降按公式(2)(3)(4)计算。粒径管涌原理与土层结构、构造管涌原理相辅相成。
3)黄河淮河等地上河是第四纪人类世地质学问题。筑堤防洪法短期有明显效果，千百年长期无限制加高江河大堤，造成河床抬高，不符合现代土的渗透稳定性理论。特大水力坡降容易突发管涌溃坝洪水灾难；生态、地理、水文地质条件改变、主河道泄洪能力降低、江河储水量减少等与旱涝洪水灾害及淡水资源缺乏相关；我国地上河湖、河道淤塞较多，把防洪工作重心转移到加深河床、改造河网方面来，是社会生存和发展的科学战略抉择。
4)地质学观点认为由于第四纪地层存在诸多不可预知及不可抗力管涌条件，多数水库土石坝基设计管涌研究没有实用意义，做不做都必须采取防渗设计；工程管涌研究仅为施工安全服务。防洪堤临界水力坡降建议采用JCp<0.05设计加深河床深度。近万座已建水库投资700余亿元加固除险的原因与土层结构、构造管涌原理相关，若早期截渗，不至如此。
5)工程地质勘察发现不了地层中的毫米级缝隙，也许是有些发达国家很少研究管涌的原因。我国管涌研究似宜尊重科学即第四纪地质属性：成因规律性、多样性、不均匀性、极端差异性、透水性和不可预知性；正视现实国情：因千年筑堤造成的江湖淤塞，河床高架。地质学适用天然地基管涌研究；室内模型、数学模型适合土石坝体结构构造管涌研究。
本文是抛砖引玉，仅是开始。欢迎指教、合作、共进。
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