地下管线渗漏对粉土地面塌陷过程的影响及实验研究

顾展飞，田光辉，王栩硕，于文搏

（1.郑州航空工业管理学院，郑州 450046；2.中原工学院，郑州 451191）

由于我国城市化发展速度的不断提升，城市给排水系统运转的压力也随之增大，从而导致由于地下管线渗漏引起的地面塌陷事故频发。据中国地质调查局统计：2010 年以来国内共发生1 500 多起地面塌陷，涉及90 多个大中小城市。2021 年6 月，郑州市纬三路与经七路交叉口一路面发生塌陷，经调查，引起塌陷的原因是土层中粉粒多，雨水冲刷造成土颗粒流失。2018年2 月，佛山地铁2 号线工地突发透水，导致季华西路地面30 多米道路塌陷，事发原因包含该路段地下存在较厚富水粉砂土层。2013 年5 月深圳市横岗华茂工业园路面坍塌形成深坑，事故起因是排水箱涵老旧出现破损，地下水流冲刷土体导致塌陷。城市地面塌陷会引起地表建筑坍塌、城市交通中断，甚至造成恶劣的社会影响和生命财产损失。此类事故发生的原因中大都具备粉（砂）土地层或地下管道渗漏等因素，因此，研究地下管线渗漏与地面塌陷之间的关系，对类似地质灾害的防治有重要的作用。

城市地面塌陷的发生具有隐蔽性强、突发性强、引起原因众多和难以提前预测等特点，近年来一直是相关专家和学者研究的热点问题。梁越等[1]利用自制侵蚀渗透装置，研究发现在渗流侵蚀过程中，土体细颗粒逐渐流失，土体渗透性增强，从而进一步影响到颗粒的流失，最终甚至导致失稳破坏。陈建生等[2]认为细颗粒含量大小会影响管涌破坏，并在室内进行了不同堤基的细颗粒含量的下防渗墙的堤基管涌破坏形式和发展规律。高明生[3]基于北京市近年多发的城市地面塌陷案例，从城市水文地质条件、地下水开采情况、地下工程对土体扰动、管线老化及雨季排水5 个方面初步探讨了城市道路塌陷的影响因素。王艳华等[4]从土体渗透变形的角度探讨了渗流致塌的问题。罗小杰[5]指出地表水侵蚀与地下水潜蚀作用是形成天然土洞的重要因素。王建秀等[6]认为地下水对土体颗粒的潜蚀作用导致塌陷，而土体在潜蚀作用下结构改变导致储水和渗透性能改变从而反作用影响地下水的运动；姜伏伟等[7]通过试验研究发现：临界潜蚀渗透破坏压力与土体性质关系密切；He 等[8]研究发现地下水位变化产生的潜蚀作用，是导致中国北方大多数地面塌陷的重要因素。李智强[9]指出土层因素、管道渗漏和管道回填是引起城市道路地面塌陷的主要因素，并将城市地面塌陷的发育过程分为细颗粒流失、隐伏土洞形成和临界塌陷状态3个阶段。

现阶段关于地面塌陷的理论、模型实验和数值分析研究已经取得一定研究成果。但是针对粉土地区城市地面塌陷的灾变机理和成因，尤其是地下水渗流潜蚀协同荷载作用引起的粉土地面塌陷的机理研究，目前还存在很多需要解决的问题。本文针对地下管道渗漏对粉土地面塌陷的影响，在模拟管道不同破损程度的条件下，地下管道固定流速提供水力条件，仪器下方预留孔洞作为水土流失管道，研究地下管线渗漏在表面浅埋程度时管道不同破损程度形成的水力条件，进而揭示地下管线渗漏对粉土地面塌陷影响的机理。

1 实验材料与实验方法

1.1 实验材料

实验选取的是郑东新区的粉土。粉土中的粉粒由含量大于60%的石英、长石和云母组成，具有一定的结构性但表面活动较弱。粉土中黏粒的含量较少，一般在15%～20%，在颗粒间起黏结作用。郑东新区的粉土以粗颗粒为主，其中粗颗粒又以石英为主（约占80%），长石与云母含量较少。细颗粒的含量相对较少，细颗粒的粘土矿物以伊利石为主（占50%以上），高岭土、绿泥石占1/3 左右，蒙脱石不足15%。

1.2 实验方法

（1）实验前准备。粉土在实验前先进行烘干以排除水分，用土壤烘箱分批次对粉土进行烘干（温度110°C，烘干时间4 h）。由于烘干后的粉土变得坚硬且颗粒变大，用工具将大颗粒土块碾碎并进行筛选。筛除杂物以及无法处理的大颗粒土块，留下粒径为0.075～2 mm的粉土备用。

（2）拌合实验土。为保证在填土后有良好的压实效果，需要对处理过的粉土进行加水拌合。我们对粉土进行了分批次拌合，以保证粉土与水充分拌合，并在拌合前计算拌合粉土所需的水量（如图1 所示）。实验用粉土含水率约为15%。

图1 拌合后的粉土含水率

（3）封闭实验预留孔。将实验所用的模型箱2 侧的预留孔用胶带进行封堵，以避免在装土过程中粉土渗漏。

（4）填土压实。为保证压实效果，每次填土的厚度不超过5 cm，填土完成后要对其进行压实。当土体填压到侧壁预留孔的位置时，停止填土，移去胶带，插入事先准备好的水管（20 mm 的PVC 管），继续加土到没过水管7 cm 左右。

（5）开始实验。通过水泵从水池中抽取水流。通过调整水泵马力来控制流速，通过观察一段时间水流的出水量来调整到合适的流速以供实验。调整好流速后，从管道的一端通入水流，通水时间设定为6 h，观察并记录实验过程中的试验现象以及出水量。通过调整管道的环向开口尺寸包括1/4 圆周（向下）、2/4 圆周（向下）及3/4 圆周（向下），进行重复实验，观察记录流速与流量的变化情况，实验结束后测得不同裂缝尺寸下的流速及流量变化数据。

1.3 实验装置

本次实验的装置如图2 所示，装置包括模型箱、蓄水池、水泵、水管、过滤网和回收池等。模型箱采用亚克力板材料制作而成，尺寸为400 mm×500 mm×600 mm，实验采用的管道为20 mm 的PVC 管，模型箱两面有直径为20 mm 的6 个预留孔（每端各3 个），以插入PVC管。实验所需水源为自来水，储存在水池中，动力来源为一变频水泵，监测系统为流量计。

图2 实验装置示意图

1.4 实验过程

实验过程以1/4 圆周开口为例，其余类似。

（1）实验原理。水泵从蓄水池中抽水，水沿着水管进入管道。在管道入口处有一流量计1，实验人员能够通过该流量计测定水流入口的流速，并通过调整水泵的动力来调整流速。水流接着进入了管道中，在管道开口处流入粉土中并冲出少量粉土，冲出的粉土随着水流冲出管道，粉土沿着水管被过滤网过滤（回收利用）。在管道的末端有一流量计2，该流量计能够测定实验过程中的出水速度。混合着粉土的水被过滤网过滤，过滤后的水重新排入了水池中以供循环利用。

（2）装土。将事先处理好的实验用土分批装入箱子中，每次装入高度约5 cm 的土层并进行压实。压实后继续装土直至到达预留孔附近，将1/4 圆周开口的水管插入箱子的预留孔中，开口朝下。继续加土到比水管高7 cm 左右处。

（3）调整水流速度。开通水泵进行抽水，通过调整水泵的马力控制流速，通过观察流量计1 的数值进行流速计算，当流速稳定在12 mL/s 时，进行实验。并在出水口测定出水量。

（4）记录流量与观察实验现象。每10 min 记录一次出水量，观察实验装置中粉土层的变化，并记录出现变化的时间节点。

（5）实验结束。进行器材整理，对实验后的粉土进行晾晒烘干，烘干后进行筛选，筛除杂物备用。

（6）数据整理。排除误差较大的数据，对实验数据以及实验现象进行分析。

2 实验结果与讨论

根据上述实验装置分别模拟地下管道在1/4、2/4、3/4 缺口情况下进行地下管线渗漏对粉土地面塌陷的实验研究，共测得3 组实验数据，同时对整个实验过程中的现象作简单概述。

2.1 1/4 缺口的情况

观察1/4 缺口时的实验过程，实验3 次测得模拟地下管线的平均流速为12 mL/s，在80 min 时地下管线的出口开始出现大量泥沙随水流出；100 min 时地下管道被泥沙堵塞，不再出水，在进水口始终保持开启的状态下，将地下管线出口处泥沙清理干净；130 min 时出口处水质逐渐变得清澈。

地下管线1/4 缺口实验现象可以简单概述为：模拟地下管线进水口开始通水，20 min 后出水口逐渐有少量泥沙随水流流出，同时在粉土地面表层出现约9 cm2小面积的坍塌现象，待30 min 时观察到粉土土层表面有约1/4 面积被管线渗漏浸出的水覆盖，但没有发现大面积塌陷现象，实验进行到50 min 时粉土层几乎被管线渗漏浸出的水完全覆盖，仅保留一小部分裸露在水面之上，57 min 时粉土土层表面被水完全淹没，此时粉土土层整体下降约2 cm。

针对此次实验过程中出现的各类现象，分析其原因如下：（1）实验室水压不稳定导致水流速波动较大；（2）管道上层土体压实度较低导致水流倒灌；（3）管道下层土体压实度过高导致土颗粒无法随水流出，进而没有形成塌陷的所需空间；（4）管道出水口在实验过程中发生堵塞，导致实验过程中有一段时间水无法正常流出。

2.2 2/4 缺口的情况

针对1/4 缺口实验过程中管道下方土体压实度过高和粉土各部分含水率不同、粒径大小不均匀等问题，在进行2/4 缺口实验的前期准备工作时，额外在地下管道下方铺设一层直径约5 mm 的石子，同时对实验粉土的粒径大小和含水率配比严格控制。

地下管线2/4 缺口实验现象：本次实验从开始到结束并无明显的突变现象，表层仅出现微小裂缝。一段时间后仅有极少量的细沙流出（无法与第一次相提并论），而且出水量基本保持一致。

根据此次实验过程中出现的各类现象，分析其原因如下：（1）实验过程中仅开始阶段出水量较少，后面出水口基本保持同一出水体积，初步推测是管线下方石子层的存在影响了土层吸收水的速度；（2）推测本次并无大量裂缝出现的主要原因在于实验过程中没有冲出足够量的土颗粒，导致土层中没有出现足够大的空间，从而无法出现大的裂缝和塌陷；（3）管道下方石子层的出现让已经形成泥沙（但仍比石子缝隙要大）的土无法从管道破裂口流出，只能继续吸收水分，或已经流出的少量泥沙所形成的小孔洞被体积较大的石子堵住；（4）在管道下方铺设石子层能在一定程度上减少土颗粒随水流失的可能性，可以有效避免裂缝和塌陷的出现。

2.3 3/4 缺口的情况

观察3/4 缺口时的实验过程，此次实验中地下管线出水口的波动幅度较前两次明显平缓，整个实验过程中出口流量始终保持在一定范围。可以看出：（1）80 min 时出口流量值最小；（2）实验过程中出口水流量上下波动。同时需要注意的是实验过程中水质始终清澈，无明显的泥土流出且入水口流速平均值测得为17 mL/s。

地下管线3/4 缺口实验现象：实验开始阶段粉土土层表面无明显变化，待30 min 后观察到靠近水管缺口附近的粉土层表面有明显被水渗透的现象，此时仍无土颗粒流出；随着进水口的持续进水，粉土土层表面被水浸透程度及面积也在不断增加，100 min 时粉土土层表面出现一个面积约4 cm2的空洞，即粉土层表面出现塌陷现象。

根据此次实验过程中出现的各类现象，可做出以下分析：（1）地下实验水管缺口应适当朝上旋转，使泥土可以更好地沿管线流出装置，为地面塌陷创造空间条件；（2）适当增加管线内水流速可以加快塌陷空洞的形成。

3 结论

本文以粉土为研究对象，分析了地下管线破损渗漏后侵蚀周边土体形成地下空洞造成地面塌陷的现象，通过室内模型实验研究地下管线渗漏引起粉土地面塌陷的原因及其产生的不利影响，根据上述实验过程得到如下结论：

（1）地下管线渗漏导致周围土体饱和度增加，水位不断上升达到渗流潜蚀的临界状态，即周围土体的临界静水压力，致使附近土体在静水压力作用下沿破损的地下管线发生流失引起土层塌陷。

（2）地下管线渗漏引起侵蚀后，在管线破损口上方由于土颗粒流失形成体积不等的空洞，从而导致上方土体发生相对位移、周围土体位置保持不动，2 者之间发生相互作用而处于平衡的一个稳定状态。

（3）土体密实度和土体中粗颗粒含量的提高，能够有效减缓管线的渗漏侵蚀以及地面塌陷的面积和塌陷形成所需的时间，进而为此类地质灾害的防治提出合理的理论与对策。