地下水管泄漏所致砂土滲流破壞試驗研究

陶高梁，李 進，莊心善，崔惜琳，胡其志

在城市化發(fā)展過程中，地下管網給人們帶來極大的便利。然而，城市地下管道由于歷史的原因、土壤污染和管道防腐性能差等因素，地下水管發(fā)生泄漏導致地下水位上升，土體承載力極度下降，在水土耦合作用下，地面突然坍塌，直接造成經濟損失［1］。例如，2016年11月8日，日本福岡市城市道路中心突然發(fā)生塌陷，出現(xiàn)兩處長約15 m、寬10 m的大坑（見圖1）。地下水管泄漏所致事故具有突發(fā)性和隱蔽性，為了認識災害的發(fā)生機制與演化規(guī)律，進而有效防治相關事故，保證城市設施和人民生命財產的安全，對地下水管泄漏所致土體破壞機理進行深入研究顯得尤為重要。

國內外學者對于現(xiàn)階段地下水管泄漏的研究還處于探索階段，在預防垂直滲流所致的危害方面，邵東國等［2］利用田塊變化水層條件下水流通過犁底層垂直入滲和側向入滲試驗，并通過數(shù)值模擬進行了對比，得出了土壤側向滲漏對水量損失的貢獻較大。羅居劍［3］論述了相應的設計優(yōu)化的基本方法。地下水管泄漏不同于一般的垂直滲流，由于泄漏點滲流呈輻射狀進入土體，相關機理有待深入研究。砂土在滲透水力作用下，發(fā)生流土現(xiàn)象并伴隨細小顆粒逐漸脫離土骨架，引發(fā)土體內部結構的侵蝕，這是滲流作用下發(fā)生管流或管涌的現(xiàn)象［4］。土骨架中細顆粒的流失導致土的孔隙內部結構發(fā)生改變，從而影響了土體的物理性能，諸多學者對土體滲流破壞的特性做了定性判斷［5－7］。均質無黏性土在滲流水流作用下發(fā)生滲透破壞，試驗過程中伴發(fā)生水力篩分現(xiàn)象從而破壞土骨架的穩(wěn)定性［8］。地下水管泄漏所致砂土滲流破壞時，砂土與水的流動本質上是一種復雜的混合流，在遠離泄漏處，水流以多孔介質流形式存在；在泄漏處附近，水流則以孔流形式存在。該混合流的水力效應受到泄漏口孔徑尺寸、土類的滲透性、泄漏處雷諾數(shù)等因素的影響，難以用統(tǒng)一公式描述［9－10］。Alsaydalani M［11］在進行地下水管泄漏模型試驗時發(fā)現(xiàn)，當砂土上下孔隙水壓差達到某一臨界值時，從泄漏處垂直上方至土體表面形成一個楔形上抬區(qū)域，泄漏處上方生成空洞并伴有土顆粒在空洞中隨水流的移動。Alsaydalani M在模型試驗中采用了豎直擋板，使得泄漏水體在土體中的滲流基本符合水平向均勻分布的假設。但一些專家學者在大量試驗中發(fā)現(xiàn)地下水管泄漏水流其實服從徑向輻射狀滲流分布［12－13］。顯然，Alsaydalani M 的試驗模型難以準確的模擬實際砂土的破壞特征。

圖1 日本福岡市城市道路塌陷事故

對于局部泄漏所致流土的演化，學者們普遍認為經歷了下述四個演化階段［11，14－16］。

第一階段：非流化階段，在泄漏初期，土體保持原狀，泄漏處上方的孔隙水壓力不斷積累直至達到滲流穩(wěn)定狀態(tài)，但始終低于流土發(fā)生的臨界值。

第二階段：穩(wěn)定空洞階段，當泄漏水量提高至一定程度，土體上下的孔隙水壓差增大至某一臨界值。在泄漏處，上方土體在泄漏水流沖擊作用下形成一個楔形上抬區(qū)域并形成空洞（見圖2），隨后空洞不斷的增長直至達到穩(wěn)定狀態(tài)，空洞內部可觀測到漩渦以及土顆粒隨流體的旋轉移動。

圖2 空洞示意圖

第三階段：增長空洞階段，當泄漏水量進一步提高時，空洞穩(wěn)定平衡被打破并且持續(xù)增長，大量土顆粒從土體中剝離隨水流向上慢慢移動。

第四階段：完全流化階段，當空洞持續(xù)向上增長到土體表面時，在泄漏處與土體表面形成連續(xù)貫穿的水道，大量土顆粒隨水流被帶至土體表面，在泄漏處上方和土體表面形成一個穩(wěn)定的水土耦合作用混合流。

雖然對于以上局部泄漏所致流土的四個階段人們已有大致的認知，但是對于各階段在何種情況下會過渡至下一階段仍存有疑問，這極大地阻礙了對于空洞演化內在機制的認知。其中，穩(wěn)定空洞階段是連接流土發(fā)生與土體最終破壞的紐帶，而且它的產生和發(fā)展機理尚未明晰。而且其內在演化過程、變形特性以及破壞發(fā)展過程仍需要完善。

本文研制了地下水管泄漏所致砂土破壞的模型試驗裝置，對不同泄漏孔徑及不同泄漏壓力情況下的砂土破壞規(guī)律進行試驗研究和探討，為建立相關的預測理論提供必要的依據(jù)。

1 模型研制及試驗過程

1．1 模型裝置研制

試驗模型裝置（見圖3）中方形箱體采用有機玻璃材料制作，其透明材質有利于直接觀測試驗箱內砂土破壞的過程，試驗箱長寬高為600 mm×480 mm×150 mm。壓力泵將蓄水箱內的水送至試驗箱體下部的封閉水箱內，封閉水箱上切取一個槽口，槽口與一敞口塑料螺帽連接，二者之間放置有機玻璃片，玻璃片中間鉆取不同大小的孔徑以模擬不同泄漏孔徑。試驗箱體分別在泄漏槽口垂直上方分布6根測壓管，用于測量土體內孔隙水壓力大小，測壓管位置高度分別為 5 cm、20 cm、25 cm、30 cm、35 cm、40 cm。測壓管讀數(shù)均以泄漏處水平高度為零勢面，由于試驗水體流速較低，從下至上滲流過程中流速變化不大，所以可忽略流速水頭的作用［17］，即試驗測壓管讀取的為總水頭。試驗箱體上方還設有排水槽，在連接封閉水箱和蓄水箱的管道中間安裝了壓力傳感儀和流量表。

圖3 模型試驗裝置

模型研制經過3個月的反復調試及優(yōu)化最終完成。對于壓力泵的選擇，盡管試驗小型變頻泵可以調節(jié)水壓力，但是壓力遠遠不足以使土體發(fā)生破壞。隨后利用工業(yè)用泵調試，其優(yōu)點在于揚程大，一般水壓力能達到0．16 MPa，但是恒定水壓無法達到試驗預期效果。最后采用變頻增壓泵做為試驗水泵，其功能在于其結合了前面兩者的優(yōu)點，其本身有一定的吸力能提供足夠大的水壓力，而且能夠更換頻率調節(jié)水壓力的大小。模型主體采用有機玻璃材料，方便觀察試驗過程中發(fā)生的現(xiàn)象，但一般厚度有機玻璃強度難以滿足試驗要求，最終采用加厚有機玻璃制作。

1．2 試驗過程

試驗砂土顆粒級配曲線如圖4所示，物理參數(shù)見表1，Cu為砂土的不均勻系數(shù)，Cc為曲率系數(shù)。將烘干的砂土按一定質量與水充分均勻攪拌，分層放入試驗箱體中，最終土樣尺寸大小為：l×h×b＝60 cm×43 cm×15 cm，砂土最終用量 m為52．3 kg。土樣裝填裝完成后進行加水飽和，保持水位高于試驗箱體砂土覆蓋的水位，然后利用下部排氣閥將氣體排出，防止空氣對試驗效果造成影響。試驗開始調節(jié)壓力泵參數(shù)，壓力值從小逐步增大。試驗過程中，觀測并記錄6根測壓管水頭。特別需要說明，水頭大小變化很快，難以記錄水頭與時間之間的關系，因此試驗中待測壓管水頭穩(wěn)定后記錄讀數(shù)以及流量大小。在三個玻璃片上鉆取1．0 mm、1．5 mm和3．0 mm不同的孔徑，分別開展泄漏試驗。此外，試驗過程中專人負責觀察有機玻璃箱內砂土的破壞現(xiàn)象，特別觀察空洞形成過程。

圖4 砂土粒徑級配曲線

表1 土體各項參數(shù)值

2 試驗結果及分析

2．1 試驗結果及空洞現(xiàn)象

試驗調節(jié)壓力值按 0．01 MPa、0．02 MPa、0．03 MPa、0．04 MPa、0．05 MPa 依次增大，相應流量見表2。根據(jù)試驗結果，繪制不同泄漏水壓力下總水頭隨高度的變化關系，如圖5所示。從直觀效果上看，不同高度對應總水頭大致呈線性關系。距離泄漏口越近、總水頭變化幅度越大（比如，5 cm處變化幅度最大）；距離泄漏口越遠、總水頭變化幅度越小。此外，不同高度處總水頭隨泄漏水壓力均呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢，在泄漏水壓為0．04 MPa～0．05 MPa時最終基本保持恒定值。

圖5 總水頭隨高度的變化

表2 不同泄漏水壓及不同泄漏孔徑條件下的流量大小

根據(jù)試驗結果，繪制不同高度處總水頭隨泄漏水壓力變化規(guī)律如圖6所示，隨著泄漏水壓力的不斷增大，不同高度處測壓管總水頭變化趨勢為先增大后減小，并最終穩(wěn)定。在泄漏口附近（距泄漏口5 cm處）總水頭隨泄漏水壓變化呈現(xiàn)明顯的峰值，該峰值形成與砂土空洞的形成密切相關（后文將進一步討論）。將峰值對應的泄漏水壓力定義為臨界泄漏水壓力，泄漏孔徑為1．0 mm時，臨界泄漏水壓力為 0．03 MPa；泄漏孔徑為 1．5 mm、3．0 mm 時，臨界泄漏水壓力為0．02 MPa，說明泄漏孔徑越小，臨界泄漏水壓力越大。

圖6 不同高度總水頭隨泄漏水壓力的變化

泄漏水壓力超過峰值對應的壓力時，有機玻璃箱可以觀測到在泄漏處上方形成一個聚積滿水的空洞，見圖7。空洞形成后，泄漏處上方土體表面出現(xiàn)小范圍隆起。隨持續(xù)滲流力作用，空洞向上移動直至表面，最終消散。由于試驗過程中泄漏水壓力較大，空洞發(fā)生至消散時間大約為5 s時間左右，試驗過程中測壓管水頭變化很大，難以通過時間記錄空洞從發(fā)生到消散過程中總水頭變化，因此，試驗數(shù)據(jù)采集的是滲流穩(wěn)定狀態(tài)下測壓管水頭的讀數(shù)。從臨界泄漏水壓力，繼續(xù)增大水壓力0．05 MPa后，不同高度處測壓管的水頭大小均保持穩(wěn)定，砂土已經達到最終滲流破壞且處于混合流狀態(tài)。

圖7 試驗過程中出現(xiàn)的空洞

2．2 空洞的形成及砂土破壞機理分析

為進一步具體查明地下水管泄漏所致砂土破壞的內在機理，結合砂土滲流破壞過程水力梯度變化進行分析。水力梯度是水流通過單位長度滲透途徑為克服摩擦阻力所損失的機械能，能較好反映土體滲流過程中力學性能變化。根據(jù)達西滲透理論，滲透途徑水頭損失與滲透途徑長度的比值為水力梯度，計算并擬合得到不同泄漏孔徑條件下不同高度處的平均水力梯度，平均水力梯度隨泄漏水壓力的變化如圖8所示。表3為線性擬合結果，其中 i為平均水力梯度，R為擬合相關系數(shù)。R都接近于1，表明水力梯度隨高度的變化整體上較均勻。

圖8 不同泄漏孔徑下水力梯度的變化

表3 水頭梯度大小及擬合相關系數(shù)

觀察圖8，可以發(fā)現(xiàn)不同泄漏孔徑下，平均水力梯度隨泄漏水壓力的變化均存在一明顯的峰值。峰值對應的橫坐標為2．1節(jié)定義的臨界泄漏水壓力，縱坐標為臨界水力梯度，具體值如表4所示。

表4 不同泄漏孔徑對應臨界水力梯度

依據(jù)臨界水壓力（臨界水力梯度），分析圖8可知：

當泄漏水壓小于臨界水壓力時，處于水力梯度增長階段，這個階段水力梯度大小隨泄漏水壓力的增大而增大，這即是前言敘述第一階段（非流化階段）。

泄漏水壓力達到臨界水壓力后，水力梯度和總水頭達到峰值，在滲流力作用下，土體局部抬起形成一個空洞，隨后空洞隨水流向上移動消散在表面發(fā)生最終滲流破壞，此階段處于空洞形成和破壞階段。由于空洞形成及消散的時間較短，此階段實際上包括了前言中第二和第三階段（穩(wěn)定空洞階段和增長空洞階段），本次試驗由于條件限制未能區(qū)分?？斩醋孕纬傻较⑹且粋€土骨架徹底破壞并伴隨粗細顆粒重新排列的過程，類似于水力篩分作用。對于無黏性土，土骨架中粗顆粒起主體結構，細顆粒填充于粗顆粒之間的孔隙中，細顆粒含量的大小對土體滲流變形起關鍵作用，空洞上升過程將粗顆粒沖散在滲流范圍外側，細顆粒隨水流作用遷移到表面，土體表面能觀測到細顆粒在水流作用下發(fā)生明顯的跳躍、沸騰的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象通常稱之為“砂沸”。本文研究發(fā)現(xiàn)，臨界水壓力（臨界水力梯度）可作為空洞形成的臨界標志。實際上，臨界水力梯度的理論計算公式如式（1）所示：

式中：γ′是土的浮重度，一般為 8 kN／m3～12 kN／m3；γw是水的重度，一般取10 kN／m3；γsat是水的飽和重度。icr是破壞臨界水力梯度，一般近似取 icr為1。表4中實測臨界水力梯度均與1較為接近，相互驗證了實測值與理論值的合理性。

當泄漏水壓力大于臨界值時，砂土實際上已完全破壞，水力梯度降低并維持在一恒定值，這一階段為完全流化階段。此時，泄漏處至土體表面形成貫通的混合流體，如圖9所示。圖8清楚的表明，從臨界破壞壓力至管內最大試驗壓力（0．05 MPa），不同高度總水頭和水力梯度仍保持不變，這間接證明了空洞消散后土體處于混合流狀態(tài)，本次試驗發(fā)現(xiàn)該混合流的水力梯度維持在0．6，且泄漏孔徑對該值基本沒影響，其機理值得進一步研究。

圖9 混合流模擬圖

3 結 論

本文試驗創(chuàng)新點，在于自主研制了一套模型裝置，通過試驗研究了泄漏孔徑及水壓力對砂土滲流破壞的影響規(guī)律。本文試驗驗證了砂土破壞時的“空洞現(xiàn)象”，該現(xiàn)象可作為地下水管泄漏所致砂土破壞的重要標志，“空洞”的形成及破壞過程經歷時間較短，實際包含了穩(wěn)定空洞階段和增長空洞階段。本文試驗表明，臨界泄漏水壓力可作為空洞形成的判定依據(jù)，泄漏孔徑越小，臨界泄漏水壓力越大?？斩措S徑向滲流力移動至土體表面，其消散標志著土體的最終破壞?？斩聪⒑?，泄漏孔至土體表面形成一道貫通的混合流體，不同高度總水頭和水力梯度（i＝0．6）都保持穩(wěn)定，且泄漏孔徑對該值基本無影響。

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