河流沖積平原飽和砂土區地下管線滲漏誘發地面塌陷機制研究

李云峰，張 慶，陸遠志，葛偉亞，周小平，侯莉莉，郭紀祥

（1.中國地質調查局南京地質調查中心，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創新中心，江蘇南京 210016；3.吉林大學建設與工程學院，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，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環境發生了系列地質問題（葛偉亞等，2021； 顧展飛和李蓮秀，2022）。地面塌陷是一種地質動力現象，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、突發性和系統性等特點（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，會發生一些次生災害，例如地下管道破裂和地鐵站涌水。據不完全統計，2019年1月至2020年1月，我國城市建成區發生了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，地下工程施工、人防工程失效誘發的城市地面塌陷22起，道路施工回填土不密實，造成路面中空引發塌陷6起。城市地面塌陷具有突然性、危害性大的特點（王越林和陸燁， 2021），已成為城市新型的地質災害，威脅城市交通、基礎設施和人民生命財產等安全，對經濟發展和社會穩定構成嚴重的影響（王艷華等， 2015；蔡劍韜， 2019； Wang and Xu， 2022）。

城市地面塌陷發育于硬化路面以下，具有很強的隱蔽性，難以及時發現管道滲漏點，更無法直接觀察塌陷形成、演化、災變的全過程（吳遠斌和殷仁朝，2023）。Guo et al.（2013）開展了隧道滲流侵蝕的室內模型實驗，研究重力流管道破裂引起土體侵蝕的形成過程。王帥超（2017）通過室內模型實驗方法對管道破損滲漏導致的地面塌陷問題進行研究，發現地下管道裂縫不同形狀與尺寸對地下空洞發展規律的影響。除室內模型實驗外，部分學者還通過數值模擬進行滲漏侵蝕研究（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：土體（固體）和水（流體），兩者在地表塌陷的形成過程中都發揮著重要作用（顧展飛等， 2022）。但以往實驗存在尺寸效應、塌陷觸發機制不清而引起機理認識和模擬方式與實際存在出入（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）。主要表現在：（1）現有的埋地管道泄露塌陷模型箱箱體全部采用有機玻璃構成，受限于有機玻璃的承載能力，模型箱通常整體尺寸較小，具有較大的尺寸效應，實驗時外界干擾被放大，誤差較大；（2）現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，周圍水位會自動進行補充，維持水位高度不變；（3）現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現對滲流的模擬；（4）現有的埋地管道泄露塌陷模型箱中外滲實驗滲漏方向單一向上，缺少管道泄漏導致塌陷土體內部的變化研究。

以往研究實現了實驗到計算的發展，以及計算方法二維到三維流固耦合模擬方法的轉變，但仍缺少實際流體、固體相互作用機制研究，無法用于模擬大型的、具有復雜邊界條件的實際工程，需要更符合實際情況的實驗揭示其機理。本文在分析以往實驗研究不足的基礎上，開展帶水管線誘發地面塌陷仿真實驗，分析帶水管線破損后地層中孔洞發育過程及孔洞周邊各個方向應力變化特征，旨在揭示城市地面塌陷的孕災致災機制，為城市地面塌陷防治提供理論依據。

1 研究區概況

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、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。沿江平原區潛水水位埋深0.5～2 m，承壓水位埋深1～6 m，該區存在兩個砂層，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。砂層是發生地面塌陷的主要風險層。

2 數據與方法

2.1 塌陷特征

2019年4月，安慶迎江區長風路中段，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，人行道發現拉漲裂縫，綠化帶樹木傾斜。經有關單位調查安慶長風路地面塌陷原因是淺部污水管道滲漏，造成管內外壓力差，地下水將路面下的粉土和粉細砂帶入管道內并在污水處理廠匯集，從而形成空洞，架空路面，導致路面塌陷。對塌陷周邊地區開展鉆探實地取樣，并進行顆粒分析，認為當地砂層主要為淤泥質砂土、粘土質砂土及粉土質砂土（表1）。

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

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

2.2 實驗準備

為模擬地面塌陷形成機制，揭示流固耦合方式，設計了等比帶水管線誘發地面塌陷仿真模擬實驗模型箱（圖2）。

圖2 地面塌陷仿真模擬實驗模型箱設計圖Fig.2 Design drawing of simulation experiment model box for ground collapse

根據現場調查安慶地面塌陷，模型實驗的幾何相似比為1∶10，考慮到管道厚度的存在，因此模型實驗的排水管道直徑（D）和埋深（L）分別為10 cm和80 cm，模型箱設計圖如圖2所示。模型箱系統由側邊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由20 mm厚的有機玻璃構成的透明觀察窗，允許從外面觀察內部侵蝕和沉降。有機玻璃和外部鋼板采用橡膠片粘連后用螺栓壓緊固結。模型箱左右兩側設有水位控制箱，尺寸為長3000 mm×寬2000 mm×高2000 mm，水位控制箱內內側設計了40個直徑100 mm的透水石隔板，可以保證中心土壤室內的砂不會進入水位控制箱內。模型箱內部靠近有機玻璃處設有直徑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，亞克力管道和有機玻璃觀察窗之間采用亞克力材質的管道支撐架連接，全透明設計便于觀察管道內部流動情況。

因當地地層樣品所有粗粒質量百分數均超過50%，為便于觀察和保證實驗效果，實驗對象為粒徑0.075～2 mm的石英砂（加工篩選形成）。地下管道破裂導致地面塌陷的實驗過程是迅速的，為了監測塌陷過程瞬時應力的變化，實驗過程中設置土壓力盒每秒40次追蹤土壓力的變化，采集數據以水泵啟動發生塌陷時作為起始零點。以模擬破損管道沿水流方向進入模型箱的中心點在箱底投影為坐標原點，X表示距離管道中心點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 實驗過程

本實驗模擬了地下土層厚度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部的變化及對地面塌陷的影響。實驗具體實驗操作步驟如下所示。

3.1 設備調試

在實驗前需要對供水系統和觀測系統（包括：土應力、滲壓計和視覺測量系統等）調試。

3.2 分層壓實裝填

管道底部砂土間隔20 cm壓實一次。管道頂部砂土根據傳感器布設位置來壓實。壓實裝填完畢將整個系統靜止模型地面放置24小時后緩慢注水，使得水位到110 cm，再靜止24小時，盡可能減少實驗前蠕變效應的影響。

3.3 傳感器的布設

上部可觀察區域高度為35 cm，觀察區域寬大約為80 cm。以模擬滲漏點為起始點，向上呈倒錐體方式布設傳感器。

4 塌陷數據分析

實驗過程持續2648 s，每個土壓力盒獲得數據105920個，為了便于處理數據，在每秒應力變化平穩時間段內每秒應力取均值。本次實驗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）應力演化分析

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

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

穩定階段CH3、CH8、CH12、CH26、CH39土壓力只有較小的波動。CH3應力穩定在-9.24 kPa，CH8應力穩定在-13.67 kPa，CH12應力穩定在-11.72 kPa，CH26應力穩定在-5.33 kPa，CH39應力穩定在-1.28 kPa。

4.2 水平（XY向）應力演化分析

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，沿著側壁方向主要收到水流滲透力應力少量增加，垂直側壁方向主要受到石英砂流失松動自重減少而導致壓力減?。▓D4）。其中隨著土層高度的降低，受到頂部砂土流失導致自重應力越小。在塌陷坑發育過程中，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遠小于CH12土壓力變化。

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

在這一過程中可以看出塌陷發育在同一層中響應情況是從內圈逐漸擴大，照應了塌陷發育過程呈錐形發育，監測點位都處于塌陷坑之內，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的塌陷響應時間分別為603 s、1058 s、925 s、493 s，且在CH36、CH40第三階段穩定后的數值分別為-2.45 kPa、-0.65 kPa。同層內塌陷響應速度隨距塌陷中心距離而變化，距離越遠響應速度越慢。

4.3 塌陷坑發育形態演化

對應于不同位置應力變化，塌陷坑經歷了小孔、豎直孔洞、塌陷坑三種形態。

當實驗開始后，管道破損口處受到水流作用的石英砂瞬間釋放應力，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力全部釋放，進而形成圖5b所示豎直孔洞階段。但地層中地下水持續向管道破損口運移，導致豎直孔洞頂部形成垮塌，如圖5c所示。

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

在地下水持續作用下，上部地層不斷垮塌，導致塌陷坑頂端不斷擴大，直至穩定，錐形塌陷不再變化，距離泄露點22.01 cm，此時塌陷達到極限平衡狀態，附加應力水流滲透力不能改變此狀態，如圖6所示。

圖6 穩定階段塌陷坑發育圖Fig.6 Development diagrams of collapse pits in the stable stage

試驗結果表明，水流滲透力在塌陷發育過程中發揮重要作用。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處發育到地表，使地層承載力迅速喪失。隨著塌陷的發育，塌陷坑發育形態改變為圓形-不規則的凹形-錐形，此時塌陷從頂部向下發育，未形成穩定的塌陷拱。最后塌陷達到極限平衡狀態，發育成規則完美的錐形。

5 討論

河流沖積平原區地層以沖洪積物為主（齊亞林等， 2017），其標志性特點是地層具有很強的滲透性且地下水位埋深較淺，導致該地區的地下管網多在地下水位以下的高滲透地層中。當污水排水管網達到設計使用年限或者在地表動荷載作用下出現破損時，上述飽和砂土隨水流進入管網進而形成塌陷的情況就會發生。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小于污水排水管線造成的地面塌陷。因為輸水管線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難于進入管道，且會對地面造成明顯破壞，形成塌陷的區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）等條件，其隱蔽性遠小于排水管線吸入地層誘發的塌陷。

河流沖積平原區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。根據上述實驗結果，對塌陷坑最終形態進行建模，發現塌陷坑在地下水位上下形成兩種形態。從縱剖面上看如圖7所示，A點為管道破損口，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，水下部分整體形態上呈現出完整的圓錐形。地下水位以上部分弧線CO為豎直立面砂土層的滑坡面，該部分沒發生滲流，是因為塌陷開始后底部應力釋放后，在圖5b所示孔洞的基礎上逐漸發育而成。

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

為方便參數計算和現象重現，本次實驗采用單一滲透性地層，根據實驗結果可以推斷出符合多滲透性地層塌陷的發育過程，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而阻止孔洞的進一步擴大。因此，地層的滲透性及地下水是造成河流沖積平原區城市地面塌陷的最關鍵因素，地面塌陷風險評價過程中更應關注具有高滲透性地層和遇水易松散的結構。

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

6 結論

河流沖積平原區，地層以沖洪積物為主，其標志性特點是地層具有很強的滲透性且地下水位埋深較淺，導致該地區的地下管網多在地下水位以下的高滲透地層中?；趯Π矐c市濱江平原地區長風路地面塌陷案例分析，開展了等比仿真實驗研究，結果表明：

（1）城市地面塌陷從孕育倒塌陷，經歷了小孔、豎直孔洞、塌陷坑三種形態，形成迅速、臨界狀態短暫，直徑超過1 m的孔洞形成過程約1500 s，可將地下異?？锥串斪髑罢走M行預警。

（2）河流沖積平原區城市地面塌陷的孕災環境是地層的高滲透性地層和地下水位，誘發因子是管道的破損，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，且可以根據地層性質可對塌陷坑的大小進行計算評估。

［附中文參考文獻］

蔡劍韜.2019.上海地區地面塌陷風險評價及其隱患防控研究［J］.上海國土資源， 40（4）：64-70.

陳雨昂， 唐榮， 方建， 孔鋒.2020.2014-2018年中國城市路面塌陷時空規律與原因分析［J］.水利水電技術， 51（7）：108-116.

付棟.2020.上海市地面塌陷風險評價與隱患綜合調查研究［J］.巖土工程技術， 34（6）：349-353.

高大潮.2017.水力管線滲漏誘發地面塌陷模型實驗研究［D］.濟南：山東建筑大學：50-57.

葛偉亞，王睿，張慶，邢懷學，周潔.2021.城市地下空間資源綜合利用評價工作構想［J］.地質通報，40（10）：1601-1608.

顧展飛，李蓮秀.2022.城市粉土地面塌陷的影響因素分析及成因研究［J］.科技創新與應用， 12（2）：91-93.

蔣明鏡，張望城.2014.一種考慮流體狀態方程的土體CFD-DEM耦合數值方法［J］.巖土工程學報，36（5）：793-801.

盧毅，于軍，龔緒龍，施斌，王寶軍，季峻峰.2018.基于BOFDA的地面塌陷變形分布式監測模型試驗研究［J］.高校地質學報， 24（5）：778-786.

羅勇，龔曉南，吳瑞潛.2007.顆粒流模擬和流體與顆粒相互作用分析［J］.浙江大學學報（工學版），41（11）：1932-1936.

孟震， 王浩， 楊文俊.2015.無黏性泥沙休止角與表層沙摩擦角試驗［J］.天津大學學報（自然科學與工程技術版）， 48（11）：1014-1022.

孟震，楊文俊.2012.泥沙顆粒水下休止角與內摩擦角差異化初步探索［J］.泥沙研究， （4）：76-80.

齊亞林，趙彥德，邵曉州， 楚美娟， 左靜.2021.河控三角洲生長的動力和沉積模式［J］.沉積學報， 39（2）： 374-382.

王帥超.2017.城市地下管道滲漏引起的路面塌陷機理分析與研究［D］.鄭州：鄭州大學： 35-42.

王艷華， 謝汝強， 任嵐， 張劼.2015.城市地面塌陷中滲流致災機理及其控制分析［J］.合肥學院學報（自然科學版）， 25（1）：59-62.

王越林，陸燁.2021.城市地區管道滲漏引發地面塌陷成災機理的CFD-DEM聯合計算模擬分析［J］.土木與環境工程學報（中英文）， 43（2）：60-67.

吳遠斌，殷仁朝.2023.城市路面塌陷類型與防治對策［J］.中國礦業， 32（S01）：117-120.

鄭剛， 戴軒， 張曉雙.2014.地下工程漏水漏砂災害發展過程的試驗研究及數值模擬［J］.巖石力學與工程學報， 33（12）：2458-2471.

周健，周凱敏，姚志雄，白彥峰.2010.砂土管涌-濾層防治的離散元數值模擬［J］.水利學報， 41（1）：17-24.