河流冲积平原饱和砂土区地下管线渗漏诱发地面塌陷机制研究

2024-02-26李云峰陆远志葛伟亚周小平侯莉莉郭纪祥

地质与勘探 2024年1期

李云峰，张庆，陆远志，葛伟亚，周小平，侯莉莉，郭纪祥

（1.中国地质调查局南京地质调查中心，江苏南京 210016；2.自然资源部城市地下空间探测评价工程技术创新中心，江苏南京 210016；3.吉林大学建设与工程学院，吉林长春 130000）

0 引言

我国大部分人口和城市都分布在河流冲积平原地区，大量资源要素和人口不断向城市聚集，对城市地下空间资源开发利用的需求越来越大，地下管线的密集部署使得脆弱的地质环境发生了系列地质问题（葛伟亚等，2021；顾展飞和李莲秀，2022）。地面塌陷是一种地质动力现象，其中表层岩石和土壤向下沉降，并在地面上形成塌陷坑或洞，具有隐蔽性、突发性和系统性等特点（郑刚等， 2014；卢毅等， 2018；付栋， 2020；陈雨昂等， 2020；周健等， 2021）。同时地面塌陷过程中，会发生一些次生灾害，例如地下管道破裂和地铁站涌水。据不完全统计，2019年1月至2020年1月，我国城市建成区发生了96起地面塌陷事件，其中56起与地下管道（暗渠）破损渗漏相关，地下工程施工、人防工程失效诱发的城市地面塌陷22起，道路施工回填土不密实，造成路面中空引发塌陷6起。城市地面塌陷具有突然性、危害性大的特点（王越林和陆烨， 2021），已成为城市新型的地质灾害，威胁城市交通、基础设施和人民生命财产等安全，对经济发展和社会稳定构成严重的影响（王艳华等， 2015；蔡剑韬， 2019； Wang and Xu， 2022）。

城市地面塌陷发育于硬化路面以下，具有很强的隐蔽性，难以及时发现管道渗漏点，更无法直接观察塌陷形成、演化、灾变的全过程（吴远斌和殷仁朝，2023）。Guo et al.（2013）开展了隧道渗流侵蚀的室内模型实验，研究重力流管道破裂引起土体侵蚀的形成过程。王帅超（2017）通过室内模型实验方法对管道破损渗漏导致的地面塌陷问题进行研究，发现地下管道裂缝不同形状与尺寸对地下空洞发展规律的影响。除室内模型实验外，部分学者还通过数值模拟进行渗漏侵蚀研究（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）。渗漏侵蚀问题涉及到两种介质：土体（固体）和水（流体），两者在地表塌陷的形成过程中都发挥着重要作用（顾展飞等， 2022）。但以往实验存在尺寸效应、塌陷触发机制不清而引起机理认识和模拟方式与实际存在出入（Shamy and Zeghal.，2005；蒋明镜和张望城， 2014； Hui et al.， 2017；高大潮， 2017； Tao and Tao， 2017； Zhao et al.， 2021； Wang and Xu， 2022）。主要表现在：（1）现有的埋地管道泄露塌陷模型箱箱体全部采用有机玻璃构成，受限于有机玻璃的承载能力，模型箱通常整体尺寸较小，具有较大的尺寸效应，实验时外界干扰被放大，误差较大；（2）现有的埋地管道泄露塌陷模型箱均不采用水位控制装置，而实际埋地管道泄露塌陷过程中，在塌陷位置处随着水位的下降，周围水位会自动进行补充，维持水位高度不变；（3）现有的埋地管道泄露塌陷模型箱中不考虑渗流通道对渗流情况的影响。对于现有的管道泄漏塌陷模型箱，通常是直接在底部打一个钻孔让水砂混合物一起流失从而实现对渗流的模拟；（4）现有的埋地管道泄露塌陷模型箱中外渗实验渗漏方向单一向上，缺少管道泄漏导致塌陷土体内部的变化研究。

以往研究实现了实验到计算的发展，以及计算方法二维到三维流固耦合模拟方法的转变，但仍缺少实际流体、固体相互作用机制研究，无法用于模拟大型的、具有复杂边界条件的实际工程，需要更符合实际情况的实验揭示其机理。本文在分析以往实验研究不足的基础上，开展带水管线诱发地面塌陷仿真实验，分析带水管线破损后地层中孔洞发育过程及孔洞周边各个方向应力变化特征，旨在揭示城市地面塌陷的孕灾致灾机制，为城市地面塌陷防治提供理论依据。

1 研究区概况

安庆市位于安徽省西南部、长江中下游北岸，是安徽省重要城市以及长江沿岸十大港口城市之一。安庆市地跨大别山中低山区、桐潜红层盆地、沿江低山丘陵和沿江平原三个地貌单元，地形总趋势北西高、南东低，从北西向南东由崇山峻岭的中低山区到波状起伏的低山丘陵再到开阔沿江平原，形成自北西向南东逐渐降低呈阶梯状的地貌景观。沿江平原区潜水水位埋深0.5～2 m，承压水位埋深1～6 m，该区存在两个砂层，第一层顶板埋深为0.7～5.7 m，底板埋深3.25～18.4 m，厚度1.95～16.5 m，第二层顶板埋深为20.0～34.45 m，底板埋深31.0～38.65 m，厚度4.2～11.0 m。砂层是发生地面塌陷的主要风险层。

2 数据与方法

2.1 塌陷特征

2019年4月，安庆迎江区长风路中段，距安广江堤约1 km，直接坍塌面积约30 m2，深度近1.5 m（图1），陷坑周围的路面“架空”，路面下的路基裸露，人行道发现拉涨裂缝，绿化带树木倾斜。经有关单位调查安庆长风路地面塌陷原因是浅部污水管道渗漏，造成管内外压力差，地下水将路面下的粉土和粉细砂带入管道内并在污水处理厂汇集，从而形成空洞，架空路面，导致路面塌陷。对塌陷周边地区开展钻探实地取样，并进行颗粒分析，认为当地砂层主要为淤泥质砂土、粘土质砂土及粉土质砂土（表1）。

表1 安庆长风路土层分类表Table 1 Classification of soil layers in Changfeng Road，Anqing City

图1 安庆市长风路地面塌陷图Fig.1 Map showing ground collapse in Changfeng Road， Anqing City

2.2 实验准备

为模拟地面塌陷形成机制，揭示流固耦合方式，设计了等比带水管线诱发地面塌陷仿真模拟实验模型箱（图2）。

图2 地面塌陷仿真模拟实验模型箱设计图Fig.2 Design drawing of simulation experiment model box for ground collapse

根据现场调查安庆地面塌陷，模型实验的几何相似比为1∶10，考虑到管道厚度的存在，因此模型实验的排水管道直径（D）和埋深（L）分别为10 cm和80 cm，模型箱设计图如图2所示。模型箱系统由侧边6 mm和底部8 mm的Q235厚钢板焊接而成，零件连接处主要使用高强度螺栓。整个模型箱尺寸为长3000 mm×宽2000 mm×高2000 mm，在模型箱前后部都设由20 mm厚的有机玻璃构成的透明观察窗，允许从外面观察内部侵蚀和沉降。有机玻璃和外部钢板采用橡胶片粘连后用螺栓压紧固结。模型箱左右两侧设有水位控制箱，尺寸为长3000 mm×宽2000 mm×高2000 mm，水位控制箱内内侧设计了40个直径100 mm的透水石隔板，可以保证中心土壤室内的砂不会进入水位控制箱内。模型箱内部靠近有机玻璃处设有直径100 mm的亚克力管道，管道在中心平面和水平面夹角60°处分布10 mm、20 mm和30 mm的泄漏口，亚克力管道和有机玻璃观察窗之间采用亚克力材质的管道支撑架连接，全透明设计便于观察管道内部流动情况。

因当地地层样品所有粗粒质量百分数均超过50%，为便于观察和保证实验效果，实验对象为粒径0.075～2 mm的石英砂（加工筛选形成）。地下管道破裂导致地面塌陷的实验过程是迅速的，为了监测塌陷过程瞬时应力的变化，实验过程中设置土压力盒每秒40次追踪土压力的变化，采集数据以水泵启动发生塌陷时作为起始零点。以模拟破损管道沿水流方向进入模型箱的中心点在箱底投影为坐标原点，X表示距离管道中心点的从视窗深入箱体的距离，Y表示沿水流方向的距离，Z表示深度。

3 实验过程

本实验模拟了地下土层厚度130 cm，水位高度为110 cm，管道埋深为65.5 cm，大小为20 mm圆形泄露口的地下管道破裂侵蚀土体内部的变化及对地面塌陷的影响。实验具体实验操作步骤如下所示。

3.1 设备调试

在实验前需要对供水系统和观测系统（包括：土应力、渗压计和视觉测量系统等）调试。

3.2 分层压实装填

管道底部砂土间隔20 cm压实一次。管道顶部砂土根据传感器布设位置来压实。压实装填完毕将整个系统静止模型地面放置24小时后缓慢注水，使得水位到110 cm，再静止24小时，尽可能减少实验前蠕变效应的影响。

3.3 传感器的布设

上部可观察区域高度为35 cm，观察区域宽大约为80 cm。以模拟渗漏点为起始点，向上呈倒锥体方式布设传感器。

4 塌陷数据分析

实验过程持续2648 s，每个土压力盒获得数据105920个，为了便于处理数据，在每秒应力变化平稳时间段内每秒应力取均值。本次实验管道模拟破损口精确位置X、Y、Z分别为18 cm、120 cm、78 cm，破损口正上方分布五个土压力传感器，距离泄露口为1.3 cm、10.6 cm、29.5 cm、48.5 cm、66.7 cm。

4.1 垂直（Z向）应力演化分析

实验过程中应力演化过程如图3所示，可以看到整个演变过程首先经过了平稳发育，然后应力急剧下降，然后缓慢上升到再次稳定，因此将整个过程分为稳定、发育、稳定三个阶段来分析。从垂直应力演化图可以看出，当土压力急速下降时，CH3传感器最先响应，然后CH8、CH12、CH26、CH39依次响应。CH3从开始响应仅仅只需1.67 s，其应力从0瞬时下降到-8.044 kPa，之后缓慢上升并在462 s达到峰值-6.912 kPa后开始下降，并稳定在-9.620 kPa；CH8响应时间为1.83 s，其应力从0下降到-13.79 kPa，之后开始不断波动并在768 s处达到峰值-8.661 kPa；CH12响应时间为2.50 s，其应力从0下降到-12.21 kPa，之后呈现稳定缓慢上升的态势；CH26响应时间为4.6 s，其应力从0下降到-7.13 kPa，之后也呈现稳定缓慢上升的趋势；CH39响应时间为6.27 s，其应力从0下降到-3.53 kPa，之后稍微波动但呈现稳定缓慢上升的趋势。

图3 垂直向应力变化图Fig.3 Diagram showing variations of vertical stress

稳定阶段CH3、CH8、CH12、CH26、CH39土压力只有较小的波动。CH3应力稳定在-9.24 kPa，CH8应力稳定在-13.67 kPa，CH12应力稳定在-11.72 kPa，CH26应力稳定在-5.33 kPa，CH39应力稳定在-1.28 kPa。

4.2 水平（XY向）应力演化分析

水平方向土体侵蚀演化过程中主要受到砂土流失以及水渗透力的影响，沿着侧壁方向主要收到水流渗透力应力少量增加，垂直侧壁方向主要受到石英砂流失松动自重减少而导致压力减小（图4）。其中随着土层高度的降低，受到顶部砂土流失导致自重应力越小。在塌陷坑发育过程中，随着水流的不断侵蚀，CH13、CH21、CH25上方的饱和砂土在水流渗透力的冲击下迁移到管道中流失，其上方覆盖土层最终都会变成锥形斜面。这个过程中砂土是缓慢流失的，因此土压力下降趋势较缓，最终土压力变化量也远远小于CH12土压力变化。

图4 水平向应力变化图Fig.4 Diagram showing variations of horizontal stress

在这一过程中可以看出塌陷发育在同一层中响应情况是从内圈逐渐扩大，照应了塌陷发育过程呈锥形发育，监测点位都处于塌陷坑之内，CH27、CH28、CH29、CH31、CH34塌陷完全，而CH30上覆盖砂土，未塌陷完全。在第二阶段CH36、CH37、CH38、CH40的塌陷响应时间分别为603 s、1058 s、925 s、493 s，且在CH36、CH40第三阶段稳定后的数值分别为-2.45 kPa、-0.65 kPa。同层内塌陷响应速度随距塌陷中心距离而变化，距离越远响应速度越慢。

4.3 塌陷坑发育形态演化

对应于不同位置应力变化，塌陷坑经历了小孔、竖直孔洞、塌陷坑三种形态。

当实验开始后，管道破损口处受到水流作用的石英砂瞬间释放应力，在水流作用下迅速陷落管道中并随水流带走，在极短时间内形成小孔，如图5a所示。这一阶段小孔形成，同时小孔顶部直到地面应力全部释放，进而形成图5b所示竖直孔洞阶段。但地层中地下水持续向管道破损口运移，导致竖直孔洞顶部形成垮塌，如图5c所示。

图5 塌陷前期孔洞发育过程Fig.5 The development process of pores in the early stage of collapse

在地下水持续作用下，上部地层不断垮塌，导致塌陷坑顶端不断扩大，直至稳定，锥形塌陷不再变化，距离泄露点22.01 cm，此时塌陷达到极限平衡状态，附加应力水流渗透力不能改变此状态，如图6所示。

图6 稳定阶段塌陷坑发育图Fig.6 Development diagrams of collapse pits in the stable stage

试验结果表明，水流渗透力在塌陷发育过程中发挥重要作用。塌陷开始时，水流渗透力会使泄露口上方形成孔洞，此阶段孔洞从破损点处发育到地表，使地层承载力迅速丧失。随着塌陷的发育，塌陷坑发育形态改变为圆形-不规则的凹形-锥形，此时塌陷从顶部向下发育，未形成稳定的塌陷拱。最后塌陷达到极限平衡状态，发育成规则完美的锥形。

5 讨论

河流冲积平原区地层以冲洪积物为主（齐亚林等， 2017），其标志性特点是地层具有很强的渗透性且地下水位埋深较浅，导致该地区的地下管网多在地下水位以下的高渗透地层中。当污水排水管网达到设计使用年限或者在地表动荷载作用下出现破损时，上述饱和砂土随水流进入管网进而形成塌陷的情况就会发生。而高压的输水管线周边存在较大的地下孔洞时也会造成地面塌陷，但其隐蔽性和危害性远小于污水排水管线造成的地面塌陷。因为输水管线中水头压力往往超过其埋藏位置的地下水水头，管道任何位置破损，在高水压的作用下地层物质难于进入管道，且会对地面造成明显破坏，形成塌陷的区域往往需要同时具备隐蔽的地下空洞（如岩溶、地下室、采空区）等条件，其隐蔽性远小于排水管线吸入地层诱发的塌陷。

河流冲积平原区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，而与管道破损口大小、位置及周边是否存在地下空洞等条件无关。根据上述实验结果，对塌陷坑最终形态进行建模，发现塌陷坑在地下水位上下形成两种形态。从纵剖面上看如图7所示，A点为管道破损口，直线AO为塌陷坑在地下水位以下部分，其与水平线的夹角α为砂层的水下休止角（罗勇等， 2007；孟震和杨文俊，2012；孟震等， 2015），受控于地层颗粒和地下水渗流速度，水下部分整体形态上呈现出完整的圆锥形。地下水位以上部分弧线CO为竖直立面砂土层的滑坡面，该部分没发生渗流，是因为塌陷开始后底部应力释放后，在图5b所示孔洞的基础上逐渐发育而成。

图7 完整形态城市地面塌陷坑Fig.7 Complete urban ground collapse pit

为方便参数计算和现象重现，本次实验采用单一渗透性地层，根据实验结果可以推断出符合多渗透性地层塌陷的发育过程，如图8所示。砂层逐渐形成倒圆锥空洞后，上覆弱透水层在自身重力作用下发生剪切作用形成塌陷，若地层遇水易松散（如湿陷性黄土）则以此为起点向上传到塌陷过程，最终向上直至地表破坏，形成地面塌陷。但在弱透水层厚度较大、不易松散的情况下会很快堵塞管道破损口进而阻止孔洞的进一步扩大。因此，地层的渗透性及地下水是造成河流冲积平原区城市地面塌陷的最关键因素，地面塌陷风险评价过程中更应关注具有高渗透性地层和遇水易松散的结构。