河流沖積平原飽和砂土區(qū)地下管線滲漏誘發(fā)地面塌陷機(jī)制研究

李云峰，張 慶，陸遠(yuǎn)志，葛偉亞，周小平，侯莉莉，郭紀(jì)祥

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇南京 210016；2.自然資源部城市地下空間探測評價工程技術(shù)創(chuàng)新中心，江蘇南京 210016；3.吉林大學(xué)建設(shè)與工程學(xué)院，吉林長春 130000）

0 引言

我國大部分人口和城市都分布在河流沖積平原地區(qū)，大量資源要素和人口不斷向城市聚集，對城市地下空間資源開發(fā)利用的需求越來越大，地下管線的密集部署使得脆弱的地質(zhì)環(huán)境發(fā)生了系列地質(zhì)問題（葛偉亞等，2021； 顧展飛和李蓮秀，2022）。地面塌陷是一種地質(zhì)動力現(xiàn)象，其中表層巖石和土壤向下沉降，并在地面上形成塌陷坑或洞，具有隱蔽性、突發(fā)性和系統(tǒng)性等特點(diǎn)（鄭剛等， 2014；盧毅等， 2018； 付棟， 2020； 陳雨昂等， 2020；周健等， 2021）。同時地面塌陷過程中，會發(fā)生一些次生災(zāi)害，例如地下管道破裂和地鐵站涌水。據(jù)不完全統(tǒng)計，2019年1月至2020年1月，我國城市建成區(qū)發(fā)生了96起地面塌陷事件，其中56起與地下管道（暗渠）破損滲漏相關(guān)，地下工程施工、人防工程失效誘發(fā)的城市地面塌陷22起，道路施工回填土不密實(shí)，造成路面中空引發(fā)塌陷6起。城市地面塌陷具有突然性、危害性大的特點(diǎn)（王越林和陸燁， 2021），已成為城市新型的地質(zhì)災(zāi)害，威脅城市交通、基礎(chǔ)設(shè)施和人民生命財產(chǎn)等安全，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會穩(wěn)定構(gòu)成嚴(yán)重的影響（王艷華等， 2015；蔡劍韜， 2019； Wang and Xu， 2022）。

城市地面塌陷發(fā)育于硬化路面以下，具有很強(qiáng)的隱蔽性，難以及時發(fā)現(xiàn)管道滲漏點(diǎn)，更無法直接觀察塌陷形成、演化、災(zāi)變的全過程（吳遠(yuǎn)斌和殷仁朝，2023）。Guo et al.（2013）開展了隧道滲流侵蝕的室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)，研究重力流管道破裂引起土體侵蝕的形成過程。王帥超（2017）通過室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)方法對管道破損滲漏導(dǎo)致的地面塌陷問題進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)地下管道裂縫不同形狀與尺寸對地下空洞發(fā)展規(guī)律的影響。除室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)外，部分學(xué)者還通過數(shù)值模擬進(jìn)行滲漏侵蝕研究（Closson et al.， 2005；Karimi and Taheri， 2010； Cui et al.， 2015； Dunkerley，2018； Xiao et al.， 2018； Zhou et al.， 2020； Wang and Xu，2021）。滲漏侵蝕問題涉及到兩種介質(zhì)：土體（固體）和水（流體），兩者在地表塌陷的形成過程中都發(fā)揮著重要作用（顧展飛等， 2022）。但以往實(shí)驗(yàn)存在尺寸效應(yīng)、塌陷觸發(fā)機(jī)制不清而引起機(jī)理認(rèn)識和模擬方式與實(shí)際存在出入（Shamy and Zeghal.，2005； 蔣明鏡和張望城， 2014； Hui et al.， 2017； 高大潮， 2017； Tao and Tao， 2017； Zhao et al.， 2021； Wang and Xu， 2022）。主要表現(xiàn)在：（1）現(xiàn)有的埋地管道泄露塌陷模型箱箱體全部采用有機(jī)玻璃構(gòu)成，受限于有機(jī)玻璃的承載能力，模型箱通常整體尺寸較小，具有較大的尺寸效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)時外界干擾被放大，誤差較大；（2）現(xiàn)有的埋地管道泄露塌陷模型箱均不采用水位控制裝置，而實(shí)際埋地管道泄露塌陷過程中，在塌陷位置處隨著水位的下降，周圍水位會自動進(jìn)行補(bǔ)充，維持水位高度不變；（3）現(xiàn)有的埋地管道泄露塌陷模型箱中不考慮滲流通道對滲流情況的影響。對于現(xiàn)有的管道泄漏塌陷模型箱，通常是直接在底部打一個鉆孔讓水砂混合物一起流失從而實(shí)現(xiàn)對滲流的模擬；（4）現(xiàn)有的埋地管道泄露塌陷模型箱中外滲實(shí)驗(yàn)滲漏方向單一向上，缺少管道泄漏導(dǎo)致塌陷土體內(nèi)部的變化研究。

以往研究實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)到計算的發(fā)展，以及計算方法二維到三維流固耦合模擬方法的轉(zhuǎn)變，但仍缺少實(shí)際流體、固體相互作用機(jī)制研究，無法用于模擬大型的、具有復(fù)雜邊界條件的實(shí)際工程，需要更符合實(shí)際情況的實(shí)驗(yàn)揭示其機(jī)理。本文在分析以往實(shí)驗(yàn)研究不足的基礎(chǔ)上，開展帶水管線誘發(fā)地面塌陷仿真實(shí)驗(yàn)，分析帶水管線破損后地層中孔洞發(fā)育過程及孔洞周邊各個方向應(yīng)力變化特征，旨在揭示城市地面塌陷的孕災(zāi)致災(zāi)機(jī)制，為城市地面塌陷防治提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

安慶市位于安徽省西南部、長江中下游北岸，是安徽省重要城市以及長江沿岸十大港口城市之一。安慶市地跨大別山中低山區(qū)、桐潛紅層盆地、沿江低山丘陵和沿江平原三個地貌單元，地形總趨勢北西高、南東低，從北西向南東由崇山峻嶺的中低山區(qū)到波狀起伏的低山丘陵再到開闊沿江平原，形成自北西向南東逐漸降低呈階梯狀的地貌景觀。沿江平原區(qū)潛水水位埋深0.5～2 m，承壓水位埋深1～6 m，該區(qū)存在兩個砂層，第一層頂板埋深為0.7～5.7 m，底板埋深3.25～18.4 m，厚度1.95～16.5 m，第二層頂板埋深為20.0～34.45 m，底板埋深31.0～38.65 m，厚度4.2～11.0 m。砂層是發(fā)生地面塌陷的主要風(fēng)險層。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 塌陷特征

2019年4月，安慶迎江區(qū)長風(fēng)路中段，距安廣江堤約1 km，直接坍塌面積約30 m2，深度近1.5 m（圖1），陷坑周圍的路面“架空”，路面下的路基裸露，人行道發(fā)現(xiàn)拉漲裂縫，綠化帶樹木傾斜。經(jīng)有關(guān)單位調(diào)查安慶長風(fēng)路地面塌陷原因是淺部污水管道滲漏，造成管內(nèi)外壓力差，地下水將路面下的粉土和粉細(xì)砂帶入管道內(nèi)并在污水處理廠匯集，從而形成空洞，架空路面，導(dǎo)致路面塌陷。對塌陷周邊地區(qū)開展鉆探實(shí)地取樣，并進(jìn)行顆粒分析，認(rèn)為當(dāng)?shù)厣皩又饕獮橛倌噘|(zhì)砂土、粘土質(zhì)砂土及粉土質(zhì)砂土（表1）。

表1 安慶長風(fēng)路土層分類表Table 1 Classification of soil layers in Changfeng Road，Anqing City

圖1 安慶市長風(fēng)路地面塌陷圖Fig.1 Map showing ground collapse in Changfeng Road， Anqing City

2.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為模擬地面塌陷形成機(jī)制，揭示流固耦合方式，設(shè)計了等比帶水管線誘發(fā)地面塌陷仿真模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖洌▓D2）。

圖2 地面塌陷仿真模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖湓O(shè)計圖Fig.2 Design drawing of simulation experiment model box for ground collapse

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查安慶地面塌陷，模型實(shí)驗(yàn)的幾何相似比為1∶10，考慮到管道厚度的存在，因此模型實(shí)驗(yàn)的排水管道直徑（D）和埋深（L）分別為10 cm和80 cm，模型箱設(shè)計圖如圖2所示。模型箱系統(tǒng)由側(cè)邊6 mm和底部8 mm的Q235厚鋼板焊接而成，零件連接處主要使用高強(qiáng)度螺栓。整個模型箱尺寸為長3000 mm×寬2000 mm×高2000 mm，在模型箱前后部都設(shè)由20 mm厚的有機(jī)玻璃構(gòu)成的透明觀察窗，允許從外面觀察內(nèi)部侵蝕和沉降。有機(jī)玻璃和外部鋼板采用橡膠片粘連后用螺栓壓緊固結(jié)。模型箱左右兩側(cè)設(shè)有水位控制箱，尺寸為長3000 mm×寬2000 mm×高2000 mm，水位控制箱內(nèi)內(nèi)側(cè)設(shè)計了40個直徑100 mm的透水石隔板，可以保證中心土壤室內(nèi)的砂不會進(jìn)入水位控制箱內(nèi)。模型箱內(nèi)部靠近有機(jī)玻璃處設(shè)有直徑100 mm的亞克力管道，管道在中心平面和水平面夾角60°處分布10 mm、20 mm和30 mm的泄漏口，亞克力管道和有機(jī)玻璃觀察窗之間采用亞克力材質(zhì)的管道支撐架連接，全透明設(shè)計便于觀察管道內(nèi)部流動情況。

因當(dāng)?shù)氐貙訕悠匪写至Ｙ|(zhì)量百分?jǐn)?shù)均超過50%，為便于觀察和保證實(shí)驗(yàn)效果，實(shí)驗(yàn)對象為粒徑0.075～2 mm的石英砂（加工篩選形成）。地下管道破裂導(dǎo)致地面塌陷的實(shí)驗(yàn)過程是迅速的，為了監(jiān)測塌陷過程瞬時應(yīng)力的變化，實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)置土壓力盒每秒40次追蹤土壓力的變化，采集數(shù)據(jù)以水泵啟動發(fā)生塌陷時作為起始零點(diǎn)。以模擬破損管道沿水流方向進(jìn)入模型箱的中心點(diǎn)在箱底投影為坐標(biāo)原點(diǎn)，X表示距離管道中心點(diǎn)的從視窗深入箱體的距離，Y表示沿水流方向的距離，Z表示深度。

3 實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M了地下土層厚度130 cm，水位高度為110 cm，管道埋深為65.5 cm，大小為20 mm圓形泄露口的地下管道破裂侵蝕土體內(nèi)部的變化及對地面塌陷的影響。實(shí)驗(yàn)具體實(shí)驗(yàn)操作步驟如下所示。

3.1 設(shè)備調(diào)試

在實(shí)驗(yàn)前需要對供水系統(tǒng)和觀測系統(tǒng)（包括：土應(yīng)力、滲壓計和視覺測量系統(tǒng)等）調(diào)試。

3.2 分層壓實(shí)裝填

管道底部砂土間隔20 cm壓實(shí)一次。管道頂部砂土根據(jù)傳感器布設(shè)位置來壓實(shí)。壓實(shí)裝填完畢將整個系統(tǒng)靜止模型地面放置24小時后緩慢注水，使得水位到110 cm，再靜止24小時，盡可能減少實(shí)驗(yàn)前蠕變效應(yīng)的影響。

3.3 傳感器的布設(shè)

上部可觀察區(qū)域高度為35 cm，觀察區(qū)域?qū)挻蠹s為80 cm。以模擬滲漏點(diǎn)為起始點(diǎn)，向上呈倒錐體方式布設(shè)傳感器。

4 塌陷數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)過程持續(xù)2648 s，每個土壓力盒獲得數(shù)據(jù)105920個，為了便于處理數(shù)據(jù)，在每秒應(yīng)力變化平穩(wěn)時間段內(nèi)每秒應(yīng)力取均值。本次實(shí)驗(yàn)管道模擬破損口精確位置X、Y、Z分別為18 cm、120 cm、78 cm，破損口正上方分布五個土壓力傳感器，距離泄露口為1.3 cm、10.6 cm、29.5 cm、48.5 cm、66.7 cm。

4.1 垂直（Z向）應(yīng)力演化分析

實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)力演化過程如圖3所示，可以看到整個演變過程首先經(jīng)過了平穩(wěn)發(fā)育，然后應(yīng)力急劇下降，然后緩慢上升到再次穩(wěn)定，因此將整個過程分為穩(wěn)定、發(fā)育、穩(wěn)定三個階段來分析。從垂直應(yīng)力演化圖可以看出，當(dāng)土壓力急速下降時，CH3傳感器最先響應(yīng)，然后CH8、CH12、CH26、CH39依次響應(yīng)。CH3從開始響應(yīng)僅僅只需1.67 s，其應(yīng)力從0瞬時下降到-8.044 kPa，之后緩慢上升并在462 s達(dá)到峰值-6.912 kPa后開始下降，并穩(wěn)定在-9.620 kPa；CH8響應(yīng)時間為1.83 s，其應(yīng)力從0下降到-13.79 kPa，之后開始不斷波動并在768 s處達(dá)到峰值-8.661 kPa；CH12響應(yīng)時間為2.50 s，其應(yīng)力從0下降到-12.21 kPa，之后呈現(xiàn)穩(wěn)定緩慢上升的態(tài)勢；CH26響應(yīng)時間為4.6 s，其應(yīng)力從0下降到-7.13 kPa，之后也呈現(xiàn)穩(wěn)定緩慢上升的趨勢；CH39響應(yīng)時間為6.27 s，其應(yīng)力從0下降到-3.53 kPa，之后稍微波動但呈現(xiàn)穩(wěn)定緩慢上升的趨勢。

圖3 垂直向應(yīng)力變化圖Fig.3 Diagram showing variations of vertical stress

穩(wěn)定階段CH3、CH8、CH12、CH26、CH39土壓力只有較小的波動。CH3應(yīng)力穩(wěn)定在-9.24 kPa，CH8應(yīng)力穩(wěn)定在-13.67 kPa，CH12應(yīng)力穩(wěn)定在-11.72 kPa，CH26應(yīng)力穩(wěn)定在-5.33 kPa，CH39應(yīng)力穩(wěn)定在-1.28 kPa。

4.2 水平（XY向）應(yīng)力演化分析

水平方向土體侵蝕演化過程中主要受到砂土流失以及水滲透力的影響，沿著側(cè)壁方向主要收到水流滲透力應(yīng)力少量增加，垂直側(cè)壁方向主要受到石英砂流失松動自重減少而導(dǎo)致壓力減?。▓D4）。其中隨著土層高度的降低，受到頂部砂土流失導(dǎo)致自重應(yīng)力越小。在塌陷坑發(fā)育過程中，隨著水流的不斷侵蝕，CH13、CH21、CH25上方的飽和砂土在水流滲透力的沖擊下遷移到管道中流失，其上方覆蓋土層最終都會變成錐形斜面。這個過程中砂土是緩慢流失的，因此土壓力下降趨勢較緩，最終土壓力變化量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CH12土壓力變化。

圖4 水平向應(yīng)力變化圖Fig.4 Diagram showing variations of horizontal stress

在這一過程中可以看出塌陷發(fā)育在同一層中響應(yīng)情況是從內(nèi)圈逐漸擴(kuò)大，照應(yīng)了塌陷發(fā)育過程呈錐形發(fā)育，監(jiān)測點(diǎn)位都處于塌陷坑之內(nèi)，CH27、CH28、CH29、CH31、CH34塌 陷 完 全，而CH30上覆蓋砂土，未塌陷完全。在第二階段CH36、CH37、CH38、CH40的塌陷響應(yīng)時間分別為603 s、1058 s、925 s、493 s，且在CH36、CH40第三階段穩(wěn)定后的數(shù)值分別為-2.45 kPa、-0.65 kPa。同層內(nèi)塌陷響應(yīng)速度隨距塌陷中心距離而變化，距離越遠(yuǎn)響應(yīng)速度越慢。

4.3 塌陷坑發(fā)育形態(tài)演化

對應(yīng)于不同位置應(yīng)力變化，塌陷坑經(jīng)歷了小孔、豎直孔洞、塌陷坑三種形態(tài)。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)開始后，管道破損口處受到水流作用的石英砂瞬間釋放應(yīng)力，在水流作用下迅速陷落管道中并隨水流帶走，在極短時間內(nèi)形成小孔，如圖5a所示。這一階段小孔形成，同時小孔頂部直到地面應(yīng)力全部釋放，進(jìn)而形成圖5b所示豎直孔洞階段。但地層中地下水持續(xù)向管道破損口運(yùn)移，導(dǎo)致豎直孔洞頂部形成垮塌，如圖5c所示。

圖5 塌陷前期孔洞發(fā)育過程Fig.5 The development process of pores in the early stage of collapse

在地下水持續(xù)作用下，上部地層不斷垮塌，導(dǎo)致塌陷坑頂端不斷擴(kuò)大，直至穩(wěn)定，錐形塌陷不再變化，距離泄露點(diǎn)22.01 cm，此時塌陷達(dá)到極限平衡狀態(tài)，附加應(yīng)力水流滲透力不能改變此狀態(tài)，如圖6所示。

圖6 穩(wěn)定階段塌陷坑發(fā)育圖Fig.6 Development diagrams of collapse pits in the stable stage

試驗(yàn)結(jié)果表明，水流滲透力在塌陷發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用。塌陷開始時，水流滲透力會使泄露口上方形成孔洞，此階段孔洞從破損點(diǎn)處發(fā)育到地表，使地層承載力迅速喪失。隨著塌陷的發(fā)育，塌陷坑發(fā)育形態(tài)改變?yōu)閳A形-不規(guī)則的凹形-錐形，此時塌陷從頂部向下發(fā)育，未形成穩(wěn)定的塌陷拱。最后塌陷達(dá)到極限平衡狀態(tài)，發(fā)育成規(guī)則完美的錐形。

5 討論

河流沖積平原區(qū)地層以沖洪積物為主（齊亞林等， 2017），其標(biāo)志性特點(diǎn)是地層具有很強(qiáng)的滲透性且地下水位埋深較淺，導(dǎo)致該地區(qū)的地下管網(wǎng)多在地下水位以下的高滲透地層中。當(dāng)污水排水管網(wǎng)達(dá)到設(shè)計使用年限或者在地表動荷載作用下出現(xiàn)破損時，上述飽和砂土隨水流進(jìn)入管網(wǎng)進(jìn)而形成塌陷的情況就會發(fā)生。而高壓的輸水管線周邊存在較大的地下孔洞時也會造成地面塌陷，但其隱蔽性和危害性遠(yuǎn)小于污水排水管線造成的地面塌陷。因?yàn)檩斔芫€中水頭壓力往往超過其埋藏位置的地下水水頭，管道任何位置破損，在高水壓的作用下地層物質(zhì)難于進(jìn)入管道，且會對地面造成明顯破壞，形成塌陷的區(qū)域往往需要同時具備隱蔽的地下空洞（如巖溶、地下室、采空區(qū)）等條件，其隱蔽性遠(yuǎn)小于排水管線吸入地層誘發(fā)的塌陷。

河流沖積平原區(qū)城市地面塌陷坑洞的大小主要受控于污水排水管道的埋深，而與管道破損口大小、位置及周邊是否存在地下空洞等條件無關(guān)。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對塌陷坑最終形態(tài)進(jìn)行建模，發(fā)現(xiàn)塌陷坑在地下水位上下形成兩種形態(tài)。從縱剖面上看如圖7所示，A點(diǎn)為管道破損口，直線AO為塌陷坑在地下水位以下部分，其與水平線的夾角α為砂層的水下休止角（羅勇等， 2007；孟震和楊文俊，2012；孟震等， 2015），受控于地層顆粒和地下水滲流速度，水下部分整體形態(tài)上呈現(xiàn)出完整的圓錐形。地下水位以上部分弧線CO為豎直立面砂土層的滑坡面，該部分沒發(fā)生滲流，是因?yàn)樗蓍_始后底部應(yīng)力釋放后，在圖5b所示孔洞的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)育而成。

圖7 完整形態(tài)城市地面塌陷坑Fig.7 Complete urban ground collapse pit

為方便參數(shù)計算和現(xiàn)象重現(xiàn)，本次實(shí)驗(yàn)采用單一滲透性地層，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以推斷出符合多滲透性地層塌陷的發(fā)育過程，如圖8所示。砂層逐漸形成倒圓錐空洞后，上覆弱透水層在自身重力作用下發(fā)生剪切作用形成塌陷，若地層遇水易松散（如濕陷性黃土）則以此為起點(diǎn)向上傳到塌陷過程，最終向上直至地表破壞，形成地面塌陷。但在弱透水層厚度較大、不易松散的情況下會很快堵塞管道破損口進(jìn)而阻止孔洞的進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，地層的滲透性及地下水是造成河流沖積平原區(qū)城市地面塌陷的最關(guān)鍵因素，地面塌陷風(fēng)險評價過程中更應(yīng)關(guān)注具有高滲透性地層和遇水易松散的結(jié)構(gòu)。

圖8 地下水位以下多滲透性地層塌陷坑理論形態(tài)Fig.8 Theoretical form of collapse pits in permeable strata below the groundwater level

6 結(jié)論

河流沖積平原區(qū)，地層以沖洪積物為主，其標(biāo)志性特點(diǎn)是地層具有很強(qiáng)的滲透性且地下水位埋深較淺，導(dǎo)致該地區(qū)的地下管網(wǎng)多在地下水位以下的高滲透地層中。基于對安慶市濱江平原地區(qū)長風(fēng)路地面塌陷案例分析，開展了等比仿真實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：

（1）城市地面塌陷從孕育倒塌陷，經(jīng)歷了小孔、豎直孔洞、塌陷坑三種形態(tài)，形成迅速、臨界狀態(tài)短暫，直徑超過1 m的孔洞形成過程約1500 s，可將地下異?？锥串?dāng)作前兆進(jìn)行預(yù)警。

（2）河流沖積平原區(qū)城市地面塌陷的孕災(zāi)環(huán)境是地層的高滲透性地層和地下水位，誘發(fā)因子是管道的破損，尤其是污水排水管道破損。

（3）城市地面塌陷危害大小主要受控于管道及地下水位相對埋深，且可以根據(jù)地層性質(zhì)可對塌陷坑的大小進(jìn)行計算評估。

［附中文參考文獻(xiàn)］

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