由一道物理题说开去“管涌”——大堤的致命危害

    有这样一道物理题：每年的7月份左右，长江进入汛期，江水猛涨，水变浑浊，堤脚处极易出现管涌等险情。请你用所学的物理知识解释出现险情的原因。
   学习了液体的压强知识以后，我们不难解释这个问题。因为液体的压强与液体的深度和密度有关，并且随液体的深度、密度的增加而增大。长江水在汛期往上猛涨，使汛期水位比平时高出很多，加上江水浑浊，江水的密度也比平时增大，这样会对大堤下部产生比平时大很多的压强，大堤由于自身的原因，自然会出现管涌等险情。
   这道题我们似乎已经解释明白了，但是，如果我们深究一下，什么是管涌？它是怎样产生的？我们该怎样处理管涌险情呢？下面我们就来谈谈管涌。
   管涌是指在汛期高水位情况下，水流从河岸沿着大堤基础土壤空隙而流向下游，因水流受到周壁的限制，有点类似管道中的水流，水流入堤内之后，仍有很大的压力，如果冲破了粘土性覆盖层，将下面的粉砂，细砂带出来，就会发生冒水涌沙现象，即称管涌。如图1是大堤出现管涌时的大致结构图。
   管涌形成的原因是多方面的。一般来说，大堤的基础结构决定了管涌的产生，在易发生管涌的地方，大堤的基本结构是：上层是相对不透水的粘性土壤，下面是粉沙、细沙，再下面是砂砾、卵石等强透水层，并与河水相通(如图2)。在汛期高水位时，由于强透水层渗透水压强大，水的压力损失很小，大堤背水的一侧数百米范围内，表面土层底部将承受到很大的水压力。如果这股水压力冲破了粘土层，粉沙、细沙就会随水流出，从而发生管涌。
    
   
   管涌的危害在于它可将大堤的基础泥砂逐渐掏空，从而使大堤出现更大的水流管洞，至使堤坝垮塌或是洪水直接将堤坝冲倒。
   由管涌产生的原因可知，要使大堤不产生管涌，必须使大堤基础不产生渗水，这样在修筑大堤时就必须使用不渗水的材料，这说起来理论上是似乎是可行的，但是在实际是不可能的。首先是一些大堤基础天然是由粉沙、细沙及砂砾卵石等强透水材质构成，修筑大堤时不可能将这些先挖走再填上不渗水的基础材料（经济上不允许，也不现实）；再则长江堤防是在历年的防汛中加高加宽加固的，更不可能毁堤重建，所以只有在原有大堤基础上进行防汛，在原有大堤的基础上对管涌等险情进行处理，这样既经济可行，又符合实际，采用科学的方法，完全可以将管涌等险情控制，使大堤安然无恙。
   实践经验证明，大堤的管涌抢护原则是尽力制止涌水带砂，使大堤渗水有出路。这样既可以使粉砂、细砂不再被破坏，又可以降低附近渗水压力，使险情得以稳定。从图1中可以看出，发生管涌时，可以把江水、渗水管道和管涌出口看作为个连通器。出现管涌后，具体的抢护方法有如下三种。
    (一)反滤围井法
   该方法就是在管涌口处用编织袋或麻袋装土抢筑一定高度的围井，井内同步铺填沙石等反滤料，以防险情进一步扩大。其实此方法就是利用滤料保证涌出的水不带走大堤基部的泥砂；围井产生一定高度的水位就会产生一个反水压，减少了江水的渗透压力。
    (二)反滤导渗：在管涌范围较大，孔眼较多的地方，险情不太严重，做围井困难时，可直接按反滤要求，分层铺设反滤料（如麦秸、稻草等），其上盖块石或砂袋。这样既可滤住砂，又可将渗水导走。
   (三)蓄水反压(俗称养水盆)
   在大堤内再打一道小堤围住渗水，通过抬高管涌区内的水位来减小堤内外水的压强差，从而降低渗透压力，减小管涌出水的水势，达到制止管涌的破坏和稳定管涌险情的目的。
   大堤除了受到管涌的威协外，还会受到白蚁穴，鼠洞等的困扰，它们也同样会对大堤产生毁灭性的危害。我国水灾频繁，堤防众多，每遇洪水，堤防隐患经常导致各种险情，传统的用木棒或脚踩的原始方法探查管涌等显然落后了，科学家们于是纷纷探索堤防隐患快速无损探测技术。
   据息武汉大学光电信息工程学院近日研制出“双频多普勒相控阵地质雷达”，它可以探测到地表以下20米内的蚁穴、鼠洞、管涌，并把相应的地质状况转换成可视图像。这样，防汛员今后不上堤巡查，也可对堤坝安全状况了如指掌。