地下管線滲漏對粉土地面塌陷過程的影響及實驗研究

顧展飛，田光輝，王栩碩，于文搏

（1.鄭州航空工業(yè)管理學院，鄭州 450046；2.中原工學院，鄭州 451191）

由于我國城市化發(fā)展速度的不斷提升，城市給排水系統運轉的壓力也隨之增大，從而導致由于地下管線滲漏引起的地面塌陷事故頻發(fā)。據中國地質調查局統計：2010 年以來國內共發(fā)生1 500 多起地面塌陷，涉及90 多個大中小城市。2021 年6 月，鄭州市緯三路與經七路交叉口一路面發(fā)生塌陷，經調查，引起塌陷的原因是土層中粉粒多，雨水沖刷造成土顆粒流失。2018年2 月，佛山地鐵2 號線工地突發(fā)透水，導致季華西路地面30 多米道路塌陷，事發(fā)原因包含該路段地下存在較厚富水粉砂土層。2013 年5 月深圳市橫崗華茂工業(yè)園路面坍塌形成深坑，事故起因是排水箱涵老舊出現破損，地下水流沖刷土體導致塌陷。城市地面塌陷會引起地表建筑坍塌、城市交通中斷，甚至造成惡劣的社會影響和生命財產損失。此類事故發(fā)生的原因中大都具備粉（砂）土地層或地下管道滲漏等因素，因此，研究地下管線滲漏與地面塌陷之間的關系，對類似地質災害的防治有重要的作用。

城市地面塌陷的發(fā)生具有隱蔽性強、突發(fā)性強、引起原因眾多和難以提前預測等特點，近年來一直是相關專家和學者研究的熱點問題。梁越等[1]利用自制侵蝕滲透裝置，研究發(fā)現在滲流侵蝕過程中，土體細顆粒逐漸流失，土體滲透性增強，從而進一步影響到顆粒的流失，最終甚至導致失穩(wěn)破壞。陳建生等[2]認為細顆粒含量大小會影響管涌破壞，并在室內進行了不同堤基的細顆粒含量的下防滲墻的堤基管涌破壞形式和發(fā)展規(guī)律。高明生[3]基于北京市近年多發(fā)的城市地面塌陷案例，從城市水文地質條件、地下水開采情況、地下工程對土體擾動、管線老化及雨季排水5 個方面初步探討了城市道路塌陷的影響因素。王艷華等[4]從土體滲透變形的角度探討了滲流致塌的問題。羅小杰[5]指出地表水侵蝕與地下水潛蝕作用是形成天然土洞的重要因素。王建秀等[6]認為地下水對土體顆粒的潛蝕作用導致塌陷，而土體在潛蝕作用下結構改變導致儲水和滲透性能改變從而反作用影響地下水的運動；姜伏偉等[7]通過試驗研究發(fā)現：臨界潛蝕滲透破壞壓力與土體性質關系密切；He 等[8]研究發(fā)現地下水位變化產生的潛蝕作用，是導致中國北方大多數地面塌陷的重要因素。李智強[9]指出土層因素、管道滲漏和管道回填是引起城市道路地面塌陷的主要因素，并將城市地面塌陷的發(fā)育過程分為細顆粒流失、隱伏土洞形成和臨界塌陷狀態(tài)3個階段。

現階段關于地面塌陷的理論、模型實驗和數值分析研究已經取得一定研究成果。但是針對粉土地區(qū)城市地面塌陷的災變機理和成因，尤其是地下水滲流潛蝕協同荷載作用引起的粉土地面塌陷的機理研究，目前還存在很多需要解決的問題。本文針對地下管道滲漏對粉土地面塌陷的影響，在模擬管道不同破損程度的條件下，地下管道固定流速提供水力條件，儀器下方預留孔洞作為水土流失管道，研究地下管線滲漏在表面淺埋程度時管道不同破損程度形成的水力條件，進而揭示地下管線滲漏對粉土地面塌陷影響的機理。

1 實驗材料與實驗方法

1.1 實驗材料

實驗選取的是鄭東新區(qū)的粉土。粉土中的粉粒由含量大于60%的石英、長石和云母組成，具有一定的結構性但表面活動較弱。粉土中黏粒的含量較少，一般在15%～20%，在顆粒間起黏結作用。鄭東新區(qū)的粉土以粗顆粒為主，其中粗顆粒又以石英為主（約占80%），長石與云母含量較少。細顆粒的含量相對較少，細顆粒的粘土礦物以伊利石為主（占50%以上），高嶺土、綠泥石占1/3 左右，蒙脫石不足15%。

1.2 實驗方法

（1）實驗前準備。粉土在實驗前先進行烘干以排除水分，用土壤烘箱分批次對粉土進行烘干（溫度110°C，烘干時間4 h）。由于烘干后的粉土變得堅硬且顆粒變大，用工具將大顆粒土塊碾碎并進行篩選。篩除雜物以及無法處理的大顆粒土塊，留下粒徑為0.075～2 mm的粉土備用。

（2）拌合實驗土。為保證在填土后有良好的壓實效果，需要對處理過的粉土進行加水拌合。我們對粉土進行了分批次拌合，以保證粉土與水充分拌合，并在拌合前計算拌合粉土所需的水量（如圖1 所示）。實驗用粉土含水率約為15%。

圖1 拌合后的粉土含水率

（3）封閉實驗預留孔。將實驗所用的模型箱2 側的預留孔用膠帶進行封堵，以避免在裝土過程中粉土滲漏。

（4）填土壓實。為保證壓實效果，每次填土的厚度不超過5 cm，填土完成后要對其進行壓實。當土體填壓到側壁預留孔的位置時，停止填土，移去膠帶，插入事先準備好的水管（20 mm 的PVC 管），繼續(xù)加土到沒過水管7 cm 左右。

（5）開始實驗。通過水泵從水池中抽取水流。通過調整水泵馬力來控制流速，通過觀察一段時間水流的出水量來調整到合適的流速以供實驗。調整好流速后，從管道的一端通入水流，通水時間設定為6 h，觀察并記錄實驗過程中的試驗現象以及出水量。通過調整管道的環(huán)向開口尺寸包括1/4 圓周（向下）、2/4 圓周（向下）及3/4 圓周（向下），進行重復實驗，觀察記錄流速與流量的變化情況，實驗結束后測得不同裂縫尺寸下的流速及流量變化數據。

1.3 實驗裝置

本次實驗的裝置如圖2 所示，裝置包括模型箱、蓄水池、水泵、水管、過濾網和回收池等。模型箱采用亞克力板材料制作而成，尺寸為400 mm×500 mm×600 mm，實驗采用的管道為20 mm 的PVC 管，模型箱兩面有直徑為20 mm 的6 個預留孔（每端各3 個），以插入PVC管。實驗所需水源為自來水，儲存在水池中，動力來源為一變頻水泵，監(jiān)測系統為流量計。

圖2 實驗裝置示意圖

1.4 實驗過程

實驗過程以1/4 圓周開口為例，其余類似。

（1）實驗原理。水泵從蓄水池中抽水，水沿著水管進入管道。在管道入口處有一流量計1，實驗人員能夠通過該流量計測定水流入口的流速，并通過調整水泵的動力來調整流速。水流接著進入了管道中，在管道開口處流入粉土中并沖出少量粉土，沖出的粉土隨著水流沖出管道，粉土沿著水管被過濾網過濾（回收利用）。在管道的末端有一流量計2，該流量計能夠測定實驗過程中的出水速度。混合著粉土的水被過濾網過濾，過濾后的水重新排入了水池中以供循環(huán)利用。

（2）裝土。將事先處理好的實驗用土分批裝入箱子中，每次裝入高度約5 cm 的土層并進行壓實。壓實后繼續(xù)裝土直至到達預留孔附近，將1/4 圓周開口的水管插入箱子的預留孔中，開口朝下。繼續(xù)加土到比水管高7 cm 左右處。

（3）調整水流速度。開通水泵進行抽水，通過調整水泵的馬力控制流速，通過觀察流量計1 的數值進行流速計算，當流速穩(wěn)定在12 mL/s 時，進行實驗。并在出水口測定出水量。

（4）記錄流量與觀察實驗現象。每10 min 記錄一次出水量，觀察實驗裝置中粉土層的變化，并記錄出現變化的時間節(jié)點。

（5）實驗結束。進行器材整理，對實驗后的粉土進行晾曬烘干，烘干后進行篩選，篩除雜物備用。

（6）數據整理。排除誤差較大的數據，對實驗數據以及實驗現象進行分析。

2 實驗結果與討論

根據上述實驗裝置分別模擬地下管道在1/4、2/4、3/4 缺口情況下進行地下管線滲漏對粉土地面塌陷的實驗研究，共測得3 組實驗數據，同時對整個實驗過程中的現象作簡單概述。

2.1 1/4 缺口的情況

觀察1/4 缺口時的實驗過程，實驗3 次測得模擬地下管線的平均流速為12 mL/s，在80 min 時地下管線的出口開始出現大量泥沙隨水流出；100 min 時地下管道被泥沙堵塞，不再出水，在進水口始終保持開啟的狀態(tài)下，將地下管線出口處泥沙清理干凈；130 min 時出口處水質逐漸變得清澈。

地下管線1/4 缺口實驗現象可以簡單概述為：模擬地下管線進水口開始通水，20 min 后出水口逐漸有少量泥沙隨水流流出，同時在粉土地面表層出現約9 cm2小面積的坍塌現象，待30 min 時觀察到粉土土層表面有約1/4 面積被管線滲漏浸出的水覆蓋，但沒有發(fā)現大面積塌陷現象，實驗進行到50 min 時粉土層幾乎被管線滲漏浸出的水完全覆蓋，僅保留一小部分裸露在水面之上，57 min 時粉土土層表面被水完全淹沒，此時粉土土層整體下降約2 cm。

針對此次實驗過程中出現的各類現象，分析其原因如下：（1）實驗室水壓不穩(wěn)定導致水流速波動較大；（2）管道上層土體壓實度較低導致水流倒灌；（3）管道下層土體壓實度過高導致土顆粒無法隨水流出，進而沒有形成塌陷的所需空間；（4）管道出水口在實驗過程中發(fā)生堵塞，導致實驗過程中有一段時間水無法正常流出。

2.2 2/4 缺口的情況

針對1/4 缺口實驗過程中管道下方土體壓實度過高和粉土各部分含水率不同、粒徑大小不均勻等問題，在進行2/4 缺口實驗的前期準備工作時，額外在地下管道下方鋪設一層直徑約5 mm 的石子，同時對實驗粉土的粒徑大小和含水率配比嚴格控制。

地下管線2/4 缺口實驗現象：本次實驗從開始到結束并無明顯的突變現象，表層僅出現微小裂縫。一段時間后僅有極少量的細沙流出（無法與第一次相提并論），而且出水量基本保持一致。

根據此次實驗過程中出現的各類現象，分析其原因如下：（1）實驗過程中僅開始階段出水量較少，后面出水口基本保持同一出水體積，初步推測是管線下方石子層的存在影響了土層吸收水的速度；（2）推測本次并無大量裂縫出現的主要原因在于實驗過程中沒有沖出足夠量的土顆粒，導致土層中沒有出現足夠大的空間，從而無法出現大的裂縫和塌陷；（3）管道下方石子層的出現讓已經形成泥沙（但仍比石子縫隙要大）的土無法從管道破裂口流出，只能繼續(xù)吸收水分，或已經流出的少量泥沙所形成的小孔洞被體積較大的石子堵住；（4）在管道下方鋪設石子層能在一定程度上減少土顆粒隨水流失的可能性，可以有效避免裂縫和塌陷的出現。

2.3 3/4 缺口的情況

觀察3/4 缺口時的實驗過程，此次實驗中地下管線出水口的波動幅度較前兩次明顯平緩，整個實驗過程中出口流量始終保持在一定范圍。可以看出：（1）80 min 時出口流量值最小；（2）實驗過程中出口水流量上下波動。同時需要注意的是實驗過程中水質始終清澈，無明顯的泥土流出且入水口流速平均值測得為17 mL/s。

地下管線3/4 缺口實驗現象：實驗開始階段粉土土層表面無明顯變化，待30 min 后觀察到靠近水管缺口附近的粉土層表面有明顯被水滲透的現象，此時仍無土顆粒流出；隨著進水口的持續(xù)進水，粉土土層表面被水浸透程度及面積也在不斷增加，100 min 時粉土土層表面出現一個面積約4 cm2的空洞，即粉土層表面出現塌陷現象。

根據此次實驗過程中出現的各類現象，可做出以下分析：（1）地下實驗水管缺口應適當朝上旋轉，使泥土可以更好地沿管線流出裝置，為地面塌陷創(chuàng)造空間條件；（2）適當增加管線內水流速可以加快塌陷空洞的形成。

3 結論

本文以粉土為研究對象，分析了地下管線破損滲漏后侵蝕周邊土體形成地下空洞造成地面塌陷的現象，通過室內模型實驗研究地下管線滲漏引起粉土地面塌陷的原因及其產生的不利影響，根據上述實驗過程得到如下結論：

（1）地下管線滲漏導致周圍土體飽和度增加，水位不斷上升達到滲流潛蝕的臨界狀態(tài)，即周圍土體的臨界靜水壓力，致使附近土體在靜水壓力作用下沿破損的地下管線發(fā)生流失引起土層塌陷。

（2）地下管線滲漏引起侵蝕后，在管線破損口上方由于土顆粒流失形成體積不等的空洞，從而導致上方土體發(fā)生相對位移、周圍土體位置保持不動，2 者之間發(fā)生相互作用而處于平衡的一個穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）土體密實度和土體中粗顆粒含量的提高，能夠有效減緩管線的滲漏侵蝕以及地面塌陷的面積和塌陷形成所需的時間，進而為此類地質災害的防治提出合理的理論與對策。