堤基管涌是堤防工程中的重大灾害，它的发生常常导致堤防失稳、坍塌甚至溃堤事故，造成重大人员财产损失。管涌的演化机制是管涌研究的核心问题，也是水利工程界普遍关注的热点课题。本文针对堤基管涌的演化机制问题，采用BP神经网络方法、力学分析方法、非线性动力学中的自组织临界性理论以及颗粒元方法，研究管涌的各种影响因素并进行堤基分类；在此基础上深入开展堤基管涌的演化机制研究，建立管涌的力学模型，并推导相关判据，采用自组织理论解释管涌通道演化特征并建立其自组织演化模型；最后采用颗粒流方法开展管涌的数值模拟研究。主要成果包括： 1.基于管涌易发程度的堤基等级划分方法及预测研究。从堤基渗透变形的表现形式入手研究管涌的渗透特征，对影响堤基管涌的各种因素展开探讨，确定了衡量堤基管涌易发程度的定量指标；制定了管涌易发程度的堤基等级划分标准；采用BP神经网络方法，预测堤基管涌易发性安全等级，在实际堤防工程中的成功应用表明了该方法的适用性。 2.堤基管涌的力学模型建立和演化机制研究。对于单层堤基，在分析其渗透特征基础之上，将堤基按不同的受力条件和渗透特征进行区域划分，选取各区域中的代表性特征单元，研究单层土颗粒较均匀时管涌的发生原因和发展过程，推导管涌的临界坡降，并通过计算分析，得到了管涌出口位置应在堤脚内侧1m范围内的结论。对于双层堤基，针对管涌边界条件与诱发因素的不同，划分了的五种堤基型式，研究了各种型式下的管涌特征；从颗粒受力平衡、流速、双层堤基渗透特征、横纵向渗透比降等角度出发，对管涌口的形成和扩展过程以及管涌通道等现象进行分析和解释；考虑堤基管涌演化过程中的覆盖层破坏、颗粒流失、内部通道形成等关键控制因素，将堤基管涌分为承压水型管涌，集中渗流型管涌以及混合型管涌三种类型，从其发展过程中主导因素的作用入手，分析了管涌演化过程中不同发展阶段的规律性，提出了管涌破坏中颗粒流失的三粒组颗粒分析模型；采用泥沙动力学和流体力学方法，分别推导了黏土覆盖层破坏判据、管涌口附近地层颗粒起动判据以及内部颗粒水平流失的判据。 3.管涌的非线性动力学演化机制。首次在管涌问题中引入了自组织临界性理论，探索了管涌演化过程中系统内部不同因子间的非线性作用的动态行为特征，研究了管涌土层薄弱带的自组织演化过程；通过对管涌实验数据的分析，明确了管涌系统演化过程中的自组织特征；进而采用重化群方法建立了管涌演化的自组织临界性的物理模型，并对管涌的自组织临界点的特征进行研究。 4.管涌的二维颗粒元数值模拟。在研究颗粒元基本理论和接触模型的基础上，结合流——固耦合方法，针对北江大堤石角段的实际管涌问题，应用颗粒流程序平台PFC2D，对双层堤基管涌口颗粒逸出问题进行仿真模拟，通过模拟实验，确定堤基中管涌颗粒表征参数，采用线性接触刚度和平行粘结本构模型分别定义砂性土层和黏土层的接触模型，得到管涌口从发生到扩展的演化过程；采用FISH语言开发程序，得到流失量、孔隙率、流速等参数，分析了颗粒流失过程中相关参数的变化规律。 5.管涌的三维颗粒元数值模拟与应用。应用三维颗粒流程序平台PFC3D，针对北江大堤石角段实际地层条件建立颗粒流模型，模拟堤基管涌发展全过程，考虑基岩不透水和透水两种情况分别建模，比较了不同的基岩透水边界条件下管涌演化进程，给出了不同基岩透水条件时的管涌演化过程以及颗粒流失量的变化规律。