城市地區(qū)管道滲漏引發(fā)地面塌陷成災機理的CFD-DEM聯(lián)合計算模擬分析

王越林，陸燁

(上海大學 土木工程系，上海 200444)

近年來，有關(guān)城市地面塌陷的事故頻繁發(fā)生，其中，一些事故造成了巨大的經(jīng)濟損失甚至人員傷亡。地面塌陷是由于地質(zhì)條件(如巖溶形成)和人類活動(如采礦、建筑、管道滲漏)造成的[1-2]。在這些影響因素中，管道滲漏引起的事故大約占到55%。特別是城市地區(qū)，管道通常埋深較淺，每天承受各種荷載(如交通、施工、挖掘、打樁等)，管道在各種荷載作用下會由于自然原因或強制磨損而開裂甚至斷裂。某些城市地下水位較高，在水力梯度作用下，土體被侵蝕并沖入到無水流或重力流(供水或排水)管道。隨著滲漏侵蝕的擴散，擾動區(qū)從管道附近向上發(fā)展，最終導致地表塌陷。

在實際應用中，往往很難檢測到管道的滲漏，并且無法觀察滲漏侵蝕的過程。針對這個問題，一些學者進行了相關(guān)研究。Guo等[3]開展了隧道滲流侵蝕的室內(nèi)模型試驗，研究重力流管道破裂引起土體侵蝕的形成過程。王帥超[4]通過室內(nèi)模型試驗方法對管道破損滲漏導致的地面塌陷問題進行研究，發(fā)現(xiàn)地下管道裂縫不同形狀與尺寸對地下空洞發(fā)展規(guī)律的影響。除室內(nèi)模型試驗外，部分學者還通過數(shù)值模擬進行滲漏侵蝕研究。滲漏侵蝕問題涉及到兩種介質(zhì)：土體(固體)和水(流體)，兩者在地表塌陷的形成過程中都發(fā)揮著重要作用。因此，在相關(guān)研究中，采用離散單元法(DEM)和計算流體動力學(CFD)分別對土體和水進行模擬并進行聯(lián)合計算的數(shù)值模擬，得到越來越廣泛的應用。……