摘" 要：管材質(zhì)量、腐蝕老化等易引起管道破損滲漏，造成土壤顆粒流失，進(jìn)而產(chǎn)生地下空洞，逐漸導(dǎo)致城市地面塌陷發(fā)生危險(xiǎn)事故。針對(duì)無(wú)壓管線破損導(dǎo)致的顆粒流失問(wèn)題，該文利用Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接觸模型對(duì)具有一定含水率的黏重黑土開(kāi)展數(shù)值分析。通過(guò)對(duì)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(diǎn)研究初期水土流失帶來(lái)的土壤松動(dòng)情況。

關(guān)鍵詞：管道滲漏；數(shù)值分析；EDEM；顆粒流失量；總法向力

中圖分類號(hào)：TU990.3" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(wǎng)是城市重要的地下基礎(chǔ)設(shè)施之一，管道等滲漏問(wèn)題不僅造成水資源的浪費(fèi)與環(huán)境污染，還會(huì)引起水土流失，發(fā)生地面沉降塌陷，危及公共安全[1]。

目前，國(guó)內(nèi)有許多關(guān)于管道滲漏的仿真模擬研究，一些學(xué)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(duì)事故演化過(guò)程進(jìn)行了全過(guò)程數(shù)值模擬分析[3]。本文應(yīng)用離散元軟件EDEM對(duì)管道滲漏初期的物理現(xiàn)象進(jìn)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(duì)初期滲漏的影響，記錄分析土顆粒不同狀態(tài)下的流失機(jī)理，同時(shí)討論宏觀現(xiàn)象上出現(xiàn)差異的原因。

1" 材料與方法

1.1" 裝置與參數(shù)

土顆粒之間的黏結(jié)力是必需考慮的重要因素[4]。因此，本次數(shù)值模擬試驗(yàn)的介質(zhì)設(shè)置為比砂土黏結(jié)力明顯的黑黏土，其孔隙率低，黏粒多，腐殖質(zhì)含量高，在含水率超過(guò)20%時(shí)處于流變體狀態(tài)。為便于監(jiān)測(cè)將顆粒放大10倍（顆粒半徑為2～4 mm），通過(guò)改變JKR模型顆粒的表面能量值來(lái)間接反映顆粒的含水量[5]。仿真材料的各種物理參數(shù)具體見(jiàn)表1。

本文模擬管道滲漏的模型如圖1所示，關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)計(jì)如下。

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

2）顆粒床埋深根據(jù)不同試驗(yàn)方案調(diào)整。

3）下部設(shè)置收集箱，收集箱頂面開(kāi)口，同時(shí)緊貼顆粒床底部，較顆粒床底面長(zhǎng)和寬分別增加30 mm，高度隨不同試驗(yàn)方案調(diào)整。

1.2" 試驗(yàn)方案

本文設(shè)計(jì)了18組數(shù)值試驗(yàn)方案，見(jiàn)表2。首先，前5次試驗(yàn)按照控制變量的設(shè)計(jì)原則只改變某一影響參數(shù)，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(jié)果的差距。其次，根據(jù)前5次初步試驗(yàn)的結(jié)論（因埋深的變化最為明顯），加入后12次（方案6—方案18）針對(duì)埋深變化的仿真試驗(yàn)?？偡抡鏁r(shí)間為150 s，統(tǒng)計(jì)自流失口進(jìn)入收集箱的顆粒質(zhì)量，同時(shí)監(jiān)控容納箱內(nèi)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(yàn)設(shè)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(shí)顆粒流失質(zhì)量與總法向力的發(fā)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(yàn)結(jié)果如圖3所示，顆粒流失總量與總法向力都發(fā)生明顯差距。圖3（a）中第150 s時(shí)埋深150 mm的流失顆粒質(zhì)量近乎為50 mm的100倍。

在圖3（b）中，50 mm埋深較淺，沒(méi)有上部壓力的顆粒為跨過(guò)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(fā)生更大碰撞，總法向力的最大增長(zhǎng)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(yùn)移，遷移流失發(fā)生導(dǎo)致土體變形，中期總法向力往復(fù)增減，30 s后變化波動(dòng)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(lái)自上方顆粒的作用力，流失速度與流失量增長(zhǎng)極快，地層發(fā)展空洞的危險(xiǎn)性增加，發(fā)生空洞的概率增大。

2.1.3" 介質(zhì)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(shù)分別為7.46和8.41 J/m2。

試驗(yàn)結(jié)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(shuō)明土壤含水率對(duì)土顆粒性質(zhì)的重要改變。首先二者都是不飽和土壤，含水率過(guò)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(shí)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(fā)現(xiàn)含水率（17.15±1）%的總法向力持續(xù)小于含水率（12.46±1）%，主要因?yàn)楦嗟乃肿釉陬w粒間的潤(rùn)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(shì)更明顯。

方案1—方案5的試驗(yàn)結(jié)果各有不同，統(tǒng)計(jì)后繪制圖5，其中，圖5（a）為雙y軸點(diǎn)線圖（因方案2與其他方案結(jié)果差距過(guò)大，對(duì)應(yīng)右側(cè)坐標(biāo)軸），圖5（b）為總法向力發(fā)展?fàn)顩r對(duì)比圖。綜合觀察發(fā)現(xiàn)，管道埋深對(duì)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(tài)。

2.2" 管道埋深對(duì)滲漏影響的討論（方案1、方案2、方案i）

3個(gè)因素中，埋深對(duì)仿真試驗(yàn)的影響較大。因黏土累計(jì)流失結(jié)果較法向力變化更為突出，選擇顆粒流失情況進(jìn)行分析，共14次針對(duì)埋深變化的仿真試驗(yàn)（方案1、方案2、方案i），統(tǒng)計(jì)變化數(shù)據(jù)，如圖6和圖7所示。

圖6用于描述不同管道埋深時(shí)在第150 s時(shí)的累計(jì)顆粒流失質(zhì)量，即圖7的柱狀堆積圖的灰色區(qū)域。圖7柱狀堆積圖描述不同埋深時(shí)剩余顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的比例，同時(shí)白色區(qū)域的剩余顆粒質(zhì)量與灰色區(qū)域的流失顆粒質(zhì)量形成直觀對(duì)比。百分比數(shù)字=剩余顆粒質(zhì)量/總質(zhì)量，剩余顆粒質(zhì)量占比在不同埋深時(shí)的發(fā)展分為2個(gè)階段，先下降再上升，趨向于飽和的1 050 mm試驗(yàn)剩余顆粒質(zhì)量占比為63.79%。14次試驗(yàn)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(zhǎng)迅速，直到埋深接近1 050 mm時(shí)即趨向于飽和的臨界狀態(tài)。

3" 結(jié)論

本文針對(duì)管道滲漏初期的顆粒流失狀態(tài)開(kāi)展數(shù)值模擬試驗(yàn)，分析不同含水率土體、管道破碎口及埋深對(duì)管道滲漏的宏觀影響，可以得出如下初步結(jié)論。

1）不同試驗(yàn)方案滲漏初期黏土流失量發(fā)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(xiàn)后，顆粒總法向力前期急劇增加，中期波動(dòng)劇烈，呈下降趨勢(shì)，后期在一定區(qū)間內(nèi)保持穩(wěn)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(zhǎng)迅速，直到埋深接近1 050 mm時(shí)趨向于臨界狀態(tài)，顆粒流失累積量不發(fā)生大規(guī)模增長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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