無壓管道破損致土壤顆粒流失變化的數值分析

摘" 要：管材質量、腐蝕老化等易引起管道破損滲漏，造成土壤顆粒流失，進而產生地下空洞，逐漸導致城市地面塌陷發生危險事故。針對無壓管線破損導致的顆粒流失問題，該文利用Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接觸模型對具有一定含水率的黏重黑土開展數值分析。通過對比不同含水率土體、管道破碎口及管道埋深的顆粒流失和總法向力變化，重點研究初期水土流失帶來的土壤松動情況。

關鍵詞：管道滲漏；數值分析；EDEM；顆粒流失量；總法向力

中圖分類號：TU990.3" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）05-0075-04

Abstract： The quality of pipes， corrosion and aging， etc. can easily cause damage and leakage of pipes， causing the loss of soil particles， which in turn creates underground cavities， and gradually develops， leading to dangerous accidents caused by urban ground collapse. Aiming at the problem of particle loss caused by the damage of non-pressurized pipelines， this paper uses the Hertz-Mindlin with JKR Cohesion contact model to carry out a numerical analysis of viscous and heavy black soil with a certain moisture content. By comparing the particle loss and total normal force changes in soil with different moisture content， pipeline fracture holes and pipeline burial depths， the focus is on studying the soil loosening caused by initial soil erosion.

Keywords： pipeline leakage; numerical analysis; EDEM; particulate loss; total normal force

城市地下管網是城市重要的地下基礎設施之一，管道等滲漏問題不僅造成水資源的浪費與環境污染，還會引起水土流失，發生地面沉降塌陷，危及公共安全[1]。

目前，國內有許多關于管道滲漏的仿真模擬研究，一些學者利用CFD-DEM與ABAQUS模擬土顆粒與水的相互作用[2]，使用Geostudio、Midas-NX以及Flac3D軟件對事故演化過程進行了全過程數值模擬分析[3]。本文應用離散元軟件EDEM對管道滲漏初期的物理現象進行模擬仿真，選取\"Hertz-Mindlin with JKR Cohesion\"為接觸模型，模擬不同含水率、流失口尺寸及埋深對初期滲漏的影響，記錄分析土顆粒不同狀態下的流失機理，同時討論宏觀現象上出現差異的原因。

1" 材料與方法

1.1" 裝置與參數

土顆粒之間的黏結力是必需考慮的重要因素[4]。因此，本次數值模擬試驗的介質設置為比砂土黏結力明顯的黑黏土，其孔隙率低，黏粒多，腐殖質含量高，在含水率超過20%時處于流變體狀態。為便于監測將顆粒放大10倍（顆粒半徑為2～4 mm），通過改變JKR模型顆粒的表面能量值來間接反映顆粒的含水量[5]。仿真材料的各種物理參數具體見表1。

本文模擬管道滲漏的模型如圖1所示，關鍵點設計如下。

1）顆粒床底部的長寬為150 mm×150 mm，底面正中間設置不同尺寸流失口。

2）顆粒床埋深根據不同試驗方案調整。

3）下部設置收集箱，收集箱頂面開口，同時緊貼顆粒床底部，較顆粒床底面長和寬分別增加30 mm，高度隨不同試驗方案調整。

1.2" 試驗方案

本文設計了18組數值試驗方案，見表2。首先，前5次試驗按照控制變量的設計原則只改變某一影響參數，分別探究在不同含水率、流失口尺寸及管道埋深的情況下，初期滲漏結果的差距。其次，根據前5次初步試驗的結論（因埋深的變化最為明顯），加入后12次（方案6—方案18）針對埋深變化的仿真試驗?？偡抡鏁r間為150 s，統計自流失口進入收集箱的顆粒質量，同時監控容納箱內總法向力變化。

2" 流失管道滲漏初期分析

2.1" 滲漏初期影響顆粒流失因素分析

2.1.1" 流失口尺寸（方案1、方案4、方案5）

本文試驗設置流失口形狀為圓形孔，直徑分別為15、20、25 mm。管道在不同流失口尺寸時顆粒流失質量與總法向力的發展如圖2所示。

2.1.2" 管道埋深（方案1、方案2）

埋深50 mm和埋深150 mm試驗結果如圖3所示，顆粒流失總量與總法向力都發生明顯差距。圖3（a）中第150 s時埋深150 mm的流失顆粒質量近乎為50 mm的100倍。

在圖3（b）中，50 mm埋深較淺，沒有上部壓力的顆粒為跨過前方小顆粒，增加碰撞擠壓，但埋深150 mm的上層顆粒能夠壓住下部顆粒，避免顆粒為躍遷發生更大碰撞，總法向力的最大增長幅度僅為埋深50 mm的一半，下層顆粒流失后，上層顆粒跟隨向下運移，遷移流失發生導致土體變形，中期總法向力往復增減，30 s后變化波動減小。可以看出，管道埋深是滲漏沉降的重要影響因素。不同的埋深增加了上部重力，下部顆粒受到來自上方顆粒的作用力，流失速度與流失量增長極快，地層發展空洞的危險性增加，發生空洞的概率增大。

2.1.3" 介質含水率（方案1、方案3）

因表觀特性與表面能在很大程度上直接影響了界面黏附性能[7]，為控制含水率不同，使用Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接觸模型，含水率（12.46±1）%與（17.15±1）%的土壤表面能參數分別為7.46和8.41 J/m2。

試驗結果如圖4所示，含水率（17.15±1）%的流失量與流失速度明顯大于另一工況，說明土壤含水率對土顆粒性質的重要改變。首先二者都是不飽和土壤，含水率過高使顆粒間的吸力減小，被水分子瓦解的顆粒較為松散，使得流失通道被堵塞概率減小，同時部分顆粒在墜落后因表面能拉力與自身重力易牽引出更多顆粒。其次，從圖4（b）中發現含水率（17.15±1）%的總法向力持續小于含水率（12.46±1）%，主要因為更多的水分子在顆粒間的潤滑作用，減少了顆粒之間的相互碰撞擠壓，使流失路徑通暢，總法向力較小且下降趨勢更明顯。

方案1—方案5的試驗結果各有不同，統計后繪制圖5，其中，圖5（a）為雙y軸點線圖（因方案2與其他方案結果差距過大，對應右側坐標軸），圖5（b）為總法向力發展狀況對比圖。綜合觀察發現，管道埋深對滲漏的影響是最明顯的，埋深150 mm的方案顆粒流失量最大，且總法向力一直保持在最低狀態。

2.2" 管道埋深對滲漏影響的討論（方案1、方案2、方案i）

3個因素中，埋深對仿真試驗的影響較大。因黏土累計流失結果較法向力變化更為突出，選擇顆粒流失情況進行分析，共14次針對埋深變化的仿真試驗（方案1、方案2、方案i），統計變化數據，如圖6和圖7所示。

圖6用于描述不同管道埋深時在第150 s時的累計顆粒流失質量，即圖7的柱狀堆積圖的灰色區域。圖7柱狀堆積圖描述不同埋深時剩余顆粒質量占總質量的比例，同時白色區域的剩余顆粒質量與灰色區域的流失顆粒質量形成直觀對比。百分比數字=剩余顆粒質量/總質量，剩余顆粒質量占比在不同埋深時的發展分為2個階段，先下降再上升，趨向于飽和的1 050 mm試驗剩余顆粒質量占比為63.79%。14次試驗可以觀察出埋深的影響較大，即隨著埋深增加，顆粒流失量增長迅速，直到埋深接近1 050 mm時即趨向于飽和的臨界狀態。

3" 結論

本文針對管道滲漏初期的顆粒流失狀態開展數值模擬試驗，分析不同含水率土體、管道破碎口及埋深對管道滲漏的宏觀影響，可以得出如下初步結論。

1）不同試驗方案滲漏初期黏土流失量發展速度不同，流失口尺寸決定了流失通道的大小，管道埋深增加上部顆粒重力，含水率決定了顆粒之間的表面能大小。

2）在流失口出現后，顆粒總法向力前期急劇增加，中期波動劇烈，呈下降趨勢，后期在一定區間內保持穩定。

3）諸多影響因素中，埋深的影響較大。隨著埋深增加，流失量增長迅速，直到埋深接近1 050 mm時趨向于臨界狀態，顆粒流失累積量不發生大規模增長。

參考文獻：

[1] 黃肇剛.地下管線滲漏的探地雷達信號分析和定位方法研究[D].廣州：廣州大學，2022.

[2] 伍吉富.基于CFD-DEM耦合的條縫出流顆粒逸散及流場特性研究[D].西安：西安建筑科技大學，2020.

[3] 楊光.城市隧道施工影響下地下管線變形破壞特點及滲漏水影響機理[D].北京：北京交通大學，2018.

[4] 李俊偉，佟金，胡斌，等.不同含水率黏重黑土與觸土部件互作的離散元仿真參數標定[J].農業工程學報，2019，35（6）：130-140.

[5] 吳東，孫健，張寶金，等.含水鐵礦石在計量斗內黏附行為的模擬研究[J].福建冶金，2021，50（6）：10-13.

[6] 吳震，王利強，徐立敏，等.基于靜態和動態休止角的鈦白粉離散元仿真參數標定[J].中國粉體技術，2023，29（4）：108-119.

[7] 胡芙蓉，涂崇志，李仁君，等.不同集料表觀特性對瀝青-集料黏附性能的影響[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2020，44（2）：363-36.