地下廢棄管道破損內滲誘發地面沉降性狀研究★

2023-09-01 06:57:26李奇，王鵬

山西建筑 2023年18期

李奇，王鵬

(南京大學地球科學與工程學院,江蘇南京 210023)

0 引言

近年來,隨著城市化進程的不斷加快,由工程地質災害引發的城市管網問題日益突出,管道破損引發的路面變形事故頻發[1]。在長期運行過程中,管道會因腐蝕、焊接缺陷、第三方損壞等原因而破損[2]。管道的破損會極大地弱化管道的結構穩定性,加速管道的失穩甚至導致爆管[3],帶來巨大的社會經濟損失[4]。同時,當管道出現破損時,地下水可以通過破損孔滲入到管道中,導致內滲現象[5]。

地面沉降往往是由多種因素引起的[6],其中,管道內滲是城市發生地面沉降的主要原因之一[7]。有效應力原理[8]為地下廢棄管道內滲導致地面沉降提供了理論基礎。地下廢棄管道內滲導致地下水的流失,降水漏斗的出現導致含水層中土顆粒水平應力和豎向應力不均等,含水層的剪切破壞和等壓固結變形共同導致土體變形,從而誘發地面沉降[9]。其中,破損管道的滲漏位置和管徑尺寸是管道內滲導致地面沉降的重要控制因素。

目前,地表沉降槽的模擬和預測已逐步成為地面沉降問題研究的重點,沉降槽預測模型的準確性直接影響地面沉降防治的效果。目前,預測地表沉降槽的模型可分為隨機統計模型、確定性模型和人工智能模型[10]。已有學者將該模型應用于天津、上海和蘇州等地區地表沉降槽的預測[11]。

迄今為止,對本領域的研究仍較為有限,且由于地下廢棄管道破損孔位置隨機分布,所以對于管道內滲引發地面沉降的研究也很少考慮管道破損孔位置。有限元方法可模擬大尺寸模型,計算時間短,已被證明是模擬滲漏問題的有效手段[12]。因此,本文結合室內模型試驗和有限元模擬,研究地下廢棄管道在不同工況下引發的地面沉降,數值模擬結果與試驗數據基本一致。最后,對模擬場景進行進一步細分,根據模擬數據建立沉降槽模型預測地面沉降。本文建立的有限元模型能夠很好地模擬管道內滲試驗,且建立的沉降槽模型可以預測地面沉降量,在工程實踐中具有良好的參考價值。

1 模型試驗

1.1 試驗裝置

本文通過室內砂箱試驗模擬地下廢棄管道破損內滲誘發地面沉降的過程,圖1為室內試驗裝置的示意圖。為盡量減少邊界效應,選用的模型箱長500 mm,高500 mm,寬250 mm。為了便于觀察,本儀器選用有機玻璃板制作。試驗中用3種不同管徑大小的PVC管模擬不同管徑大小的地下廢棄管道:外徑40 mm的管道,外徑64 mm的管道,外徑90 mm的管道。在PVC管上打孔模擬破損孔,破損孔位置處包裹砂濾層來阻隔砂土顆粒的流失。在破損孔下方連接硅膠管,并將硅膠管與抽水管連接,并利用百分表對地面豎向沉降量進行監測。試驗土樣選取ISO標準砂,為級配不良的中砂,能很好地模擬天然土的相關特性。

1.2 試驗方案

本文規定管道最下方所在位置為0°,角度沿逆時針方向逐漸增加。破損孔圓心角α表示0°到破損孔角平分線的角度,破損孔起止角β表示破損孔角度起止差值。破損孔圓心角α和破損孔起止角β的示意圖如圖2所示。

采用控制變量法研究破損孔位置和管徑尺寸對誘發地面沉降的影響,設計工況見表1。其中當破損孔位于地下廢棄管道正上方時(α=180°),定義為上孔滲漏;當破損孔位于地下廢棄管道左側時(α=270°),定義為左孔滲漏;當破損孔位于地下廢棄管道正下方時(α=360°),定義為下孔滲漏。

表1 試驗工況表

試驗步驟如下:

1)分層填土:每次試驗的前期準備階段需要進行分層填土。試驗砂箱高度為500 mm,共分5次填土,每次填土高度為100 mm。各層填土完成后均需注水,當水位高度和土層高度一致時停止注水,保持土層中水分布均勻。

2)埋置PVC管:第1次填土達到指定高度后,應將PVC管埋置土中,確保PVC管中心埋深達到指定高度。

3)靜置:5層土層埋置結束后,保持表層土體平整后應靜置48 h,讓土層在地下水條件下保持自重沉降。

4)布設百分表:土層表面500 mm長度需均勻布設5個百分表,分別命名為ABCDE(從左到右),以便對地表豎向沉降量進行監測。

5)抽水:每間隔1 h抽水1次,共抽水6次。設置1 h的抽水時間間隔是為了使土層中水充分滲漏至下部土層。

6)記錄數據:每次抽水后,需對各百分表沉降數據進行記錄,對抽水量進行測量,繪制沉降曲線。

1.3 豎向位移演化規律

實驗分析了不同滲漏位置和不同管徑大小對地表豎向位移規律的影響,圖3顯示了不同工況下地下水位與表層土體的沉降演化。砂土表層沉降速率與地下水位下降速率呈正相關,初始階段,地下水位下降速率快,該階段內砂土表層沉降迅速,土體變形響應并無明顯滯后性,隨著地下水位降速的趨緩,液位變化逐漸變小,砂土表層沉降速率也有所降低,第6次抽水后,液位高度即達到了最終液位高度(破損孔位置高度),當地下水位不再變化時,孔隙水壓力沒有變化,有效應力也不再改變,沉降也隨之不再進行。

試驗結果表明,液位高度與土體表層沉降量關系密切,當液位變化明顯時,砂土表層沉降量也隨之明顯變化。當地下管徑大小不變時,上孔滲漏和下孔滲漏工況的土體表層沉降變化規律相同,豎向位移曲線呈“漏斗狀”,沿地下管道中軸線對稱分布;左孔滲漏工況沉降曲線并不完全沿中軸線呈對稱分布,而是明顯左傾,這是因為破損孔的開口位置位于左側,土體左側所受滲流壓力大于右側,導致左孔處沉降值更大。

當管道破損孔位置不變時,砂土表層的沉降差值隨管道管徑的增大而增大,左孔滲漏工況下,沉降曲線左傾程度隨管徑的增大而增大。

2 數值模擬

2.1 有限元模型

本節在室內模型試驗的基礎上,應用有限元分析軟件PLAXIS建立了有限元模型。本研究中的土層采用摩爾-庫侖屈服準則建模,該準則被廣泛用于模擬分析砂土行為;選用各向同性的板單元模擬地下廢棄管道,彈性模量為3×107kPa;采用界面單元模擬地下廢棄管道和周圍土體之間的相互作用關系。地下廢棄管道直徑40 mm,64 mm,90 mm,管道中心埋深400 mm。有限元模型如圖4所示,模型的水平和豎直方向長度均為500 mm,對模型進行網格劃分,并對管道附近土體單元進行局部網格細化。

本文對管道滲漏位置進行劃分,管道破損孔位置分布如圖5所示。每個滲漏孔對應的圓心角設定為18°,共劃分為20個滲漏孔,并對以上9個工況進行數值模擬。

2.2 豎向位移模擬結果

本文模擬地下廢棄管道破損內滲3 000 d的長期滲漏,所有工況的豎向位移云圖如圖6所示。

上孔滲漏工況的最大位移在管道正上方,地表豎向位移曲線呈“漏斗狀”,沿管道中軸線對稱分布,這是由于破損孔位置位于中軸線上。當滲漏發生時,土層中水通過破損孔流入地下廢棄管道內,導致孔隙水壓力減少,有效應力增大,從而導致沉降。地下廢棄管道兩側隨土層深度的增加,總位移逐漸減小且沉降形態逐漸消失,地下廢棄管道周邊土層總位移沉降規律甚至已不再呈現“漏斗狀”。出現這種現象的原因,一方面是由于地下廢棄管道改變了周邊土體的應力分布;另一方面是有限元模型對底部邊界限制了水平向位移和豎向位移。

相同管徑下,左孔滲漏工況的最大位移高于上孔滲漏工況。這是由于左孔滲漏工況下破損孔的埋深比上孔滲漏工況更深,土層中的水流失更多,孔隙水壓力和有效應力變化更大,砂土顆粒受到更大的擠壓力。地表豎向位移曲線呈向左側傾斜的“漏斗狀”,這是由于該工況下,破損孔的位置并不在地下管道中軸線上,土體的沉降趨勢隨破損孔位置的改變而改變。

下孔滲漏工況與上孔滲漏工況揭示的沉降形態基本相同,但地表位移更大,因為破損孔的埋深比上孔滲漏和左孔滲漏工況更大,土層中的水流失更多,孔隙水壓力和有效應力變化更大,砂土顆粒受到更大的擠壓力。

當地下廢棄管道破損內滲達到3 000 d后,不同管徑工況下豎向最大沉降量如表2所示。通過對比分析不同管徑大小可以發現,砂土層的最大豎向沉降量隨管道管徑的增大而增大。

表2 不同工況下的最大沉降量 mm

圖7顯示了所有工況下的地表最終沉降曲線。由圖7可知,上孔滲漏和下孔滲漏工況下,沉降曲線沿管道中軸線對稱分布,左孔滲漏工況下最大沉降位置左偏,且傾斜程度隨管徑的增大而更加明顯。

2.3 模型驗證

圖8反映了實測值與模擬值的對比情況,顯然,兩者的總體趨勢是一致的。5個模擬數據點所在位置分別對應百分表A-E的位置。模擬結果可能由于受數值模型的邊界條件影響,導致模型左右邊界的沉降值偏大,但最大誤差不超過15%。實測結果與模擬結果基本一致,表明數值模型建立合理。

2.4 沉降槽預測

2.4.1 模擬工況

為了全面研究管道破損位置對地面沉降的影響,將地下管道分為20等份,設計了20組模擬工況,各工況下管徑均為40 mm,管道埋深均為400 mm,破損孔起止角β大小均為18°,破損孔圓心角α則分別為18°,36°,54°,…,360°,各工況依次增加18°。在上節驗證合理的有限元模型的基礎上,本節進一步模擬地下廢棄管道不同破損位置的滲漏情況,并根據地表沉降曲線對管道破損位置進行回歸分析,最終擬合出沉降槽的數學模型。

2.4.2 擬合結果

圖9顯示了所有工況下的地表最終沉降曲線,由圖9可知,最大豎向沉降值在2.8 mm～3.8 mm之間,沉降槽形態總體呈“漏斗狀”。為了方便根據地面沉降曲線對破損孔位置進行相關回歸分析,本文選取沉降槽所在位置(即水平位置-15 cm～15 cm)進行回歸分析。

采用試算逼近法對所有工況的地面沉降曲線進行擬合,經多次試算,選用二元一次方程y=ax2+bx+c作為數學模型。擬合結果分析過程中,引入決策系數R2對擬合結果做出定量的判斷,決策系數R2越接近1,表示擬合效果越好。本次擬合中,決策系數R2均大于0.99,表明擬合效果呈高度相關,不同工況的擬合結果如表3所示。