摘要
为弄清管线渗漏引起地面沉降的影响因素与演化机制，进而提出合理的防治对策。本文以粉土地区地下管线为研究对象，通过室内模拟试验，研究了不同渗漏时长、流速以及不同填土材料对地面沉降过程的影响机制。主要研究结论如下：①管道破损后，随着渗漏时间增长，在水流冲刷作用下5 min时形成了空洞， 10 min时空洞逐渐变成椭圆形，30 min时空洞呈现椭球形，35 min时地面发生了塌陷。②管线内水流速在 1.9～2.0 m/s时，水流冲刷所形成空洞的长度和宽度尺寸较小，其长度、宽度、高度约为1.7 cm、1.1 cm、0.7 cm； 但水流速增大到2.3 m/s时，形成空洞的长度、宽度、高度均大幅度增加0.4 cm以上。③向管道下方土体中掺入石子、粉煤灰、白色矿渣、废弃混凝土块等材料改良粉土，可以有效减小渗流引起的空洞。其中加入废弃混凝土块对空洞尺寸影响最大，该工况下水流冲刷形成空洞的长度、宽度、高度分别减少0.4 cm、0.5 cm、 0.6 cm。研究成果可为粉土地区地面沉降地质灾害的防治提供理论依据和技术支撑。
Abstract
In order to clarify the influencing factors and evolution mechanism of land subsidence caused by pipeline leakage, and then put forward reasonable prevention and control countermeasures. In this paper, the underground pipeline in silt area is taken as the research object to explore the influence mechanism of different leakage time, flow velocity and filling material on the process of land subsidence. Through the indoor leakage test, the influence of different leakage time, different flow velocity and different filling around the pipeline on the process of land subsidence is simulated. The main research conclusions are as follows: ①After the pipe breakage, with the growth of seepage time, the cavity was formed at 5 min under the action of water flow scouring, the cavity gradually became ellipsoid at 10 min, the cavity showed ellipsoid shape at 30 min, and the soil body collapsed at 35 min. ②When the flow velocity of the pipeline is 1.9-2.0 m/s, the length and width of the cavity formed by water erosion are small, and the length, width and height are about 1.7 cm, 1.1 cm and 0.7 cm. However, when the flow rate of the pipeline increases to 2.3 m/s, the length, width and height of the cavity are greatly increased by more than 0.4 cm. ③Mixing stones, fly ash, white slag, waste concrete and other materials into the soil below the pipeline to improve silt can effectively slow down the cavity caused by seepage. Among them, the addition of waste concrete blocks has the greatest influence on the size of the cavity, and the length, width and height of the cavity formed by water erosion are reduced by 0.4 cm, 0.5 cm and 0.6 cm respectively. The study can provide theoretical basis and technical support for the prevention and control of geological disasters such as ground subsidence in the silt soil area.
Keywords
0 引言
粉土在中国分布十分广泛，主要分布于黄河、淮河、海河等流域中下游地区。黄河中下游地区由于洪水泛滥和河道改道，形成了广泛的淤积区域，被称为黄泛区。黄泛区粉土因为其特殊的成因，具有粉粒含量占比高、级配不良、黏性差、结构松散等特点。郑州市地处黄河中下游，是黄泛区的重要组成部分，由于受黄河冲积物的影响，郑州地层分布有大量的粉土（时维强等，2021）。近年来，郑州城市化建设进入高质量发展阶段，从传统的基础设施建设为主进入到提质增效的高质量发展新阶段（卞长志等，2024）。但在城市建设过程中地面塌陷事故频繁发生，对事故发生的原因进行统计分析，发现大部分塌陷事故是由于管线渗漏引发的（傅星峰等，2023）。2024 年 7 月，花园路与红专路交叉口出现地面塌陷，塌陷表面积约 6 m2，深度约 4 m。2023 年5月，经三路与东风路交叉口处出现地面塌陷，塌陷地表面积约 6 m2，深度约 3.5 m，给过往车辆和行人带来极大的安全隐患，部分塌陷实况如图1所示。地下管网就像是城市的“血管”，是保障城市正常运转的基础设施和生命线，地下管网的正常运行关系着城市健康与民生福祉。因此，研究地下管线渗漏对地面沉降的影响机制，对预防由渗漏引起的地面沉降具有重要意义。
图1地面塌陷实况图
a—热力管道冲蚀塌陷；b—污水管道渗漏塌陷
针对管线渗漏这一热点问题，国内外众多学者通过数值模拟和模型试验做了许多有益的探索。 Li et al.（2025）通过数值模拟埋地污水管道破损与地面塌陷的关系，对管道埋深、水压、管道破损缺陷半径、缺陷形状等参数进行了全面的研究。研究发现水压是影响颗粒流失率（PLR）的主要因素，水压越高、管道缺陷半径越大、埋深越浅，PLR 越大。李巍等（2024）通过分析北京地区管道结构产生损坏的原因，得出背后脱空、地下水位变化、地面车辆荷载 3 种关键因素，通过工程实例进行数值模拟得出排水管道事故的关键性因素是管线渗漏水。陈小飞等（2023）运用 Geo-studio 软件建立管线渗漏模型，归纳出污水管道渗漏区形态发育过程大致经历 “心形-圆形-椭圆形”3个阶段。Bhukya et al.（2024） 通过无线传感器网络，利用压力残差和分类器进行地下输水管道泄漏检测和定位。Guo et al.（2024）自主设计了破裂-塌陷模型试验装置，采用数字图像相关技术研究了地下管道泄漏引起的侵蚀过程和塌陷机理。Li and Wu（2024）提出一种基于探地雷达、不确定性分析、图像相关算法的供水管道泄漏诊断新方法。宋少晖（2024）通过 FLAC3D，对松宜区煤矿断层采空区塌陷进行模拟，得出给予适当的支护能避免发生地表沉降。Xi et al.（2024）通过深度学习城市供水管网系统进行管道泄漏识别与预测，为识别具体的管道泄漏提供了更准确的途径。秦兵等（2024）运用PFC2D模拟管线和隧道，监测不同颗粒骨架下土体渗透系数、孔隙率变化以及隧道周围土体中的孔隙水压力分布。得出压力梯度不同时，沉降量与压力梯度呈正相关。姬建等（2021） 利用ABAQUS软件和USDFLD子程序模拟不同埋深的污水管线渗漏，得出当地下污水管线的埋深越大时，管线正上方土体湿陷量越大，地面稳定性越差。葛伟亚等（2024）以安庆市长风路塌陷为例，通过开展城市地面塌陷仿真实验，得出城市地面塌陷危害大小主要受控于管道及地下水位相对埋深。杜修力等（2020）通过建立土颗粒与流体双向耦合作用力学模型，得出地表塌陷过程中土体塌陷模式呈圆锥形变化。
以上研究成果从不同方面探讨了管道渗漏对地面塌陷的影响机制，为工程建设及相关地质灾害防治提供了重要的理论参考。但现有研究中，针对黄泛区粉土地区地面沉降的研究还相对较少；尤其是渗漏时间及渗漏流速对地面沉降过程的影响机理尚不清楚；粉土中掺入不同填土材料对塌陷的加固和改进研究还需要进一步的工程验证。因此，本文通过室内试验搭建了管道渗漏模型，研究了不同管道流速、不同渗漏时间、不同填土材料对粉土地面沉降过程的影响机制。该研究可为粉土地区管线渗漏引起的地层沉降等地质灾害的防治提供理论依据和技术支撑。
1 材料与方法
1.1 试验设备
1.1.1 渗漏试验设备
试验设备由供水装置（水箱、水泵）、模拟箱、流量计、阀门、回收池等组成。模拟箱采用亚克力板材料制作而成，尺寸为长 600 mm、宽 400 mm、高 500 mm，模拟箱侧壁预留 2 个直径 20 mm 的孔洞供管道插入。管道采用直径 20 mm的 PVC管，装置连接后孔洞处及模拟箱底部缠上防水胶带，并在模拟箱连接处涂抹防水胶，以防止设备渗漏。试验装置如图2所示。
图2试验装置示意图
1.1.2 渗漏时间、流速、填土材料的确定
管道渗漏分为两种，一种为外部水体内渗，另一种为管道破损内部水体外渗冲蚀（张冬冬， 2023）。管内流速是影响地下管道外渗过程的关键参数之一，其大小直接影响渗漏量、扩散范围及对地面的危害程度。流速越大，单位时间内渗出的水量越多，对破损口处土体的冲刷作用越强。通过试验发现，管内流速小于 1.5 m/s 时，水流对周围土体冲刷作用弱，渗漏 30 min时模型箱内土体无明显变化。流速大于2.5 m/s时，水流对周围土体的冲刷力增大，加速了土颗粒的侵蚀，形成了更易的流速通道导致塌陷速度过快，箱内土体在 25 min时达到临界状态，诱发塌陷。因此，为使试验现象更稳定，管内流速设置为 1.5～2.5 m/s（具体为 1.9 m/s、2.0 m/s、 2.1 m/s、2.2 m/s、2.3 m/s）。管道流速设置为2.3 m/s，渗漏 10 min 模型箱内土体无明显变化，35 min 后模拟箱内土体结构完全失稳；为了更清晰的观察试验现象，设置记录时间为 10 min、15 min、20 min、25 min、30 min。
为了增强管线周围土体的抗渗性能及稳定性，本研究对周围填土进行了改良试验。粉煤灰和矿渣作为掺合料已被广泛应用于混凝土中，具有良好的抗渗性；而碎石和废弃混凝土块作为建筑废料的一部分，具有较高的回收和再利用价值。因此，本研究选择掺入粉煤灰、矿渣、碎石、废弃混凝土块作为管线周围粉土地面的填料。
1.2 试验用土
本试验用土取自郑州某工地，取回的土样经过烘箱烘干、碾碎、筛分出粒径为0.075～2 mm的放置在阴凉处密封保存备用。对试验用土进行颗粒组成分析、击实试验等，得出土体基本参数（表1）。该批试验用土粒径＜0.075 mm的颗粒质量占58.40%，判定为粉土。
表1试验用土基本参数
1.3 试验方案
1.3.1 土层铺设
（1）将试验装置安装并固定；取出试验用土，采用少量多次的拌合方式将粉土含水率配置为最优含水率14%。
（2）向模拟箱内填土并压实，为保证填土压实效果，每次压实厚度不超过 4 cm。填到预留孔洞时，插入开口的 PVC 管，继续填土直至超过预留孔洞5 cm以上。
（3）用水管连结模型箱和水箱，并检查整个装置是否漏水。
（4）试验完成后，将模型箱内的粉土取出，换土重复上述步骤进行试验。
需要注意的是，加入不同填土材料（粉煤灰与矿渣均为粉末状）拌合后，重复上述试验步骤；而碎石和废弃混凝土块则要敲碎成小颗粒状，以防止颗粒较大影响试验结果。
1.3.2 流速设置
模型箱内土层铺设完成后，打开水箱阀门，通过水泵来调节管内流速。试验发现流速较小时管内水压会不足，水流不能顺畅排到回收池。管内流速在 2.3 m/s 时，试验现象比较稳定。因此，其他两组试验选取流速为2.3 m/s时进行。
流速计算公式如下：
(1)
(2)
式（1~2）中，V 为流速（m/s）；Q 为流量（m3 /s）；A 为管道横截面积（m2）；r为管道内径（m）。
1.3.3 管道破损口尺寸设置
管道缺陷分为结构性缺陷和功能性缺陷。结构性缺陷是由于管道的外部压力超过自身承受能力，造成管道结构强度和使用寿命低于设计值。管线缺陷大部分是结构性缺陷，结构性缺陷分为破裂、变形、起伏、腐蚀等（范智文等，2023）。破裂是导致管道结构性缺陷的重要因素，管道破裂产生的缺陷大多在管径尺寸的 20%～50%。因此，本研究中破损口尺寸设置为管径的1/3。
1.3.4 试验过程
试验过程以工况 1 为例，其余试验过程类似。具体试验方案如表2所示。其中工况 1～5 地面设置为粉土层，渗漏时间固定为10 min，设置流速为变量进行试验。工况6～9固定流速为2.3 m/s，地面设置为粉土层，以渗漏时间为变量进行试验。工况 10～13 固定流速为 2.3 m/s，渗漏时间 20 min，以填料为变量进行试验。
（1）试验用土制备：将试验用土剔除杂质放置室外晾晒，晾晒后分批次放入烘箱内烘干残余水分。烘干后，用敲土锤将大颗粒土块敲碎，通过筛分法得到粒径为 0.075～2 mm 试验用土。将土拌合，按照表1中击实试验得出的最优含水率，配置含水率为14%进行试验。
表2管线渗漏试验方案
（2）模型箱土层铺设：向模型箱内分批填土压实，为保证压实效果，每次填土的厚度不超过 4 cm，并分层压实。土体填到预留孔时，停止填土并插入破损的PVC水管，水管开口正对下方土体。继续填土压实，直至超过预留孔5 cm以上。
（3）调整流速并观察试验现象：打开阀门，调整管道流速为 1.9 m/s，管道通水 10 min 后关闭阀门。观察管道破损口下方侵蚀空洞的发展状况，用直尺测量侵蚀空洞在长度方向（纵向/沿管道方向）、宽度方向（横向）、高度方向（垂直方向）的最大值，记录并拍照。
（4）数据整理：试验结束后，将模型箱内土体全部取出，整理设备并排除误差较大的试验数据。具体试验过程如图3所示。
图3试验过程图
a—填土压实的模拟箱；b—破损的PVC水管；c—测量空洞尺寸
2 试验结果与讨论
2.1 渗漏时间对地面塌陷的影响规律
管线渗漏对地面塌陷的影响试验现象大概可以描述为：管道通水后，由于瞬时水压较大有少量泥沙冲出，渗漏最初的 5 min 内管道下方无明显空洞形成。由图4可知，渗漏持续到第 5 min 时，管道下方开始出现空洞。随着水流不断渗入下方土体，管道下方土体含水量增加，10 min 时形成了长约 2 cm 的空洞。随着渗漏时间的增长，空洞逐渐增大，在 15 min 时呈现出椭球状，下方土体变得更加湿润。渗漏20 min时，管道下方土体逐渐饱和，土体变得松散，空洞长度逐渐增大到3.5 cm。25 min时，管道周围土体呈现“稀泥”状，管道上方地面出现沉降现象，下方空洞存有积水，管线上方表面土层开始有水浸出，土体结构失稳。30 min时，空洞长度、宽度、高度增长到最大，管道破损口上方土体沉降了约 1 cm，表层土体有水溢出，土体处于塌陷的临界点。继续通水5 min，土体失稳并出现了大面积塌陷。
图4渗漏时间变化过程图
a—5 min；b—10 min；c—15 min；d—20 min；e—25 min；f—30 min
图5空洞尺寸随渗流时间变化及发展趋势图
渗漏初期，水流从管道破损口处向下渗流，在 10 min 时形成了长 2.2 cm、宽 1.5 cm、高 1.3 cm 的空洞。由图5可知，管道渗漏过程中形成的空洞长度 ＞空洞宽度＞空洞高度，空洞大小随渗漏时间基本成线性关系，空洞长度增长速率大于宽度和高度的增长速度。渗漏 10～20 min 空洞形成速度远小于 20～30 min 的形成速度；30 min 后空洞尺寸逐渐平稳，35 min后土体失稳并出现了塌陷。
针对此次试验过程中出现的一些现象，分析其原因大概如下：（1）水流流速较大，经过管道破损口处，压力使水流向两侧方向渗漏，导致形成的空洞宽度＜空洞长度。（2）管道上方土体与下方相比压实度较低，导致 30 min后土层表面出现了水流倒灌现象。（3）渗漏前期空洞尺寸变化速率小于后期，前期土体含水率较低，土体结构稳定，后期随着空洞的增大，周围土体结构破坏，导致空洞形成速率较大。
管线渗漏是引发粉土地面塌陷的主要原因之一。渗漏初期，土体处于非饱和状态，颗粒间吸附力和摩擦力较高，导致侵蚀速率较低。渗漏中期，随着土体饱和，有效应力降低，孔隙水压力增大，土体强度会随着含水率的增加而显著下降（李文新， 2024）。此时水流冲刷带走颗粒的速率加快，空洞扩展呈现加速趋势。后期阶段，空洞达到临界尺寸后，周围土体因应力重分布发生局部破坏（如剪切破坏），最终导致塌陷。管道渗漏过程中，空洞的形态发育（长度＞宽度＞高度）及其扩展速率的方向性差异反映了渗流路径、土体力学特性与应力状态的耦合作用。破损口几何形状对渗流路径有很大影响，不规则破损口（如裂缝、破口等）会造成渗漏路径的不对称性。若破损口为纵向裂缝，渗流过程中沿管道轴向扩散阻力较小，水流携带泥沙沿管道纵向冲刷，形成长条形空洞；椭圆形破损口会导致空洞在长轴方向更快速地扩展，空洞呈现拉长型。试验中选取的为方形破损口，破损长度略大于宽度，空洞的发育呈现方向性差异与渗流方向性、土体渗透性各向异性及应力分布不均相关。粉土的水平渗透系数高于垂直渗透系数，水流会优先沿水平方向扩散，促进长度和宽度扩展，最终导致形成的空洞呈现差异。
渗漏时间越长，最终形成的地下空洞越大。这一规律与胡松等（2024）研究成果基本一致，说明本研究对粉土地面塌陷影响规律的是适用和有效的。但最终形成的空洞形状却与刘忠玉等（2020）试验中形成的漏斗形空洞并不相同，研究中管道渗漏方向、破损口大小和倾斜角度与其有不同，且没有交通荷载的影响，因此研究中空洞形状呈现“椭球状”。后续试验会考虑管道不同破损口和倾斜角度等因素，进行多尺度的试验研究。
2.2 管道流速对地面塌陷的影响规律
不同流速变化试验现象：试验中通过水泵调节流速，通水 10 min 后，水流冲刷使管道下方形成了不同尺寸的空洞。由于通水时间较短，试验出现的空洞大小变化较小，尺寸如图6所示。
图6不同流速空洞尺寸变化图
随着流速的增大，10 min 内管道下方土体产生的空洞越来越大。与渗漏时间不同，流速越大空洞的高度增长越快。空洞增长速率依次为空洞高度 ＞空洞宽度＞空洞长度；空洞总体变化呈线性，但流速在 1.9～2.0 m/s 时，空洞宽度几乎没发生变化。空洞长度随着流速增大，增长速率越快，在 2.3 m/s 时达到最大。流速越大，空洞变化越明显，最终产生塌陷所需的时间越短。
管道流速对地面沉降也有重要影响。随着流速的增大，单位时间内渗漏量增加，沉降的速率也会增大。本文中试验结果也基本上符合这一趋势。试验结果表明，空洞的尺寸随流速增加而增大，其中空洞的高度增长最快，其次是宽度，最后是长度。流速在 1.9～2.0 m/s 时，水流对土体的冲刷作用相对较弱，土体表面只是轻微的被水流侵蚀，因此空洞宽度变化较小。水流动力主要沿水流方向（长度方向）传播，空洞的长度扩展较为显著。流速为 2.0 m/s 时，空洞宽度几乎没有变化，水流的水压不稳定，这会导致水流的波动性增大，局部水流速率波动较大，冲刷作用不均匀，无法持续沿水平方向扩展空洞。空洞高度的迅速增长与土体的重力与水流的竖向压力密切相关。水流下渗时，土体中的空隙结构被破坏，导致垂直渗透性增强，空洞快速向下扩展。水流速度的增大会增加水流的动量，随着管道破损口处水流速度的增加，会给砂土施加更大的驱动力和剪切力，最终得到的侵蚀坑的面积也会越大（包扬娟等，2024）。本试验过程中并未设置较大水流速梯度，且试验用土不同，故研究结果略有差异，后续需要进一步研究增大水流速梯度对地面塌陷的影响机制。
2.3 填土材料对地面塌陷的影响规律
不同填土变化试验现象：管道开始通水时，回填土层表面无明显变化。通水 20 min后，回填土冲出的泥沙明显少于纯粉土。掺入石子的粉土管道下方空洞变小，回收池出现水流冲刷后留下的小颗粒石子；加入粉煤灰的粉土地面，形成的空洞尺寸无明显变化，空洞周围颜色呈现浅灰色；加入矿渣的粉土地面，形成的空洞尺寸大幅度减小，周围土体分布着白色矿渣颗粒；掺入废弃混凝土块的粉土，形成的空洞和冲出泥沙量都最少。各编号形成的空洞尺寸如表3所示，试验材料及形成空洞情况如图7和图8所示。
表3不同填土材料形成空洞尺寸
图7不同填料及对应空洞的形成情况
a—敲碎的混凝土块；b—拌合石子和粉土；c—白色矿渣粉；d—粉煤灰；e—掺入混凝土块形成的空洞；f—掺入石子形成的空洞；g—掺入白色矿渣粉形成的空洞；h—掺入粉煤灰形成的空洞
相比较粉土地面，加入不同填料会使水流冲刷所形成空洞尺寸减小。由图8可见，粉土中掺入5% 的混凝土块对渗漏后空洞形态变化过程影响最大。而加入粉煤灰对空洞长度影响很小，对空洞的宽度和高度有一定的影响。粉煤灰和矿渣相比，粉煤灰的渗透性要大于矿渣粉，导致最终造成塌陷的时间粉煤灰小于矿渣。对比第2组和第5组填料，发现形成的空洞长度和空洞高度尺寸为掺入石子＞掺入矿渣，但形成的空洞宽度二者基本相同。
图8不同填料下空洞尺寸变化图
不同填料的掺入显著改变了粉土地面在管道渗漏冲刷下的侵蚀行为。纯粉土层因颗粒细小且孔隙间隙较大，在渗漏水流的作用下，容易出现大量的泥沙流失，导致空洞快速形成。掺入不同填料的回填土层，特别是掺入粗颗粒材料后（如石子、废弃混凝土块等），能够减少水流对细颗粒土体的冲刷作用，显著减小泥沙的流失和空洞尺寸。管道下方铺设石子在一定程度上减缓了塌陷的形成（顾展飞等，2022）。矿渣颗粒具有胶凝性，与水反应后形成胶结物，增强了土体的抗侵蚀能力。白色矿渣颗粒的残留说明矿渣未被完全冲刷，可能在土体中形成稳定结构。粉煤灰尽管其颗粒细小，但其多孔球形结构形成高连通性孔隙，导致渗透性高于矿渣，最终形成的空洞尺寸大于矿渣。
管道流速、不同填料及渗漏时间对地面塌陷的影响规律研究成果，为工程实践提供了一些理论依据。例如在城市供水、排水和污水处理管网中，应重点关注流速较大的管道，加强对管道的监测与维护。城市老旧管网改造中，可通过优化管道布局，减少水流速度变化较大的区域，降低渗漏后地面塌陷形成的可能性。在城市管道的回填作业中，应优先考虑使用颗粒较大的填料，如废弃混凝土块或石子，以提高土体的密实度，减少水流对土体的冲刷作用。
3 结论
本文以郑州地区粉土为研究对象，通过室内模拟试验，研究了管线渗漏后渗漏时间、流速、加入不同填土材料对粉土地面沉降的影响。主要结论如下：
（1）地下管线渗漏后，管道内的水向周围土体渗流冲蚀，渗漏 5 min 时管线下方土体出现长约 1 cm 的空洞。随着渗漏时间增大，空洞尺寸扩展呈现椭球形，30 min 时空洞尺寸长度增大到 5.1 cm，渗漏 35 min后土体结构完全破坏，最终出现了地面塌陷。
（2）管内水流速越大，管道破损口下方颗粒流失形成的空洞越大，产生塌陷的面积更明显。管内水流速为1.9 m/s时，对水流冲刷所形成空洞长度和宽度影响较小；但当管道内流速增大到 2.3 m/s 时，空洞长度、宽度、高度都大幅度增长0.4 cm以上。
（3）粉土地面掺入不同填料，能够有效减缓管道的渗漏侵蚀。其中加入 5% 的废弃混凝土块，能明显减小形成空洞的尺寸，空洞的长度、宽度、高度分别减小了 0.4 cm、0.5 cm、0.6 cm。掺入粉煤灰对形成空洞的长度和宽度影响较小，空洞高度减小了 0.3 cm。掺入小颗粒石子和矿渣也会使空洞尺寸减小，延缓塌陷的形成时间。铺设地下管线回填时加入一些废弃混凝土块、矿渣、石子等材料，能够在一定程度上减缓地面沉降及塌陷的隐患。