无压管道破损致土壤颗粒流失变化的数值分析

摘" 要：管材质量、腐蚀老化等易引起管道破损渗漏，造成土壤颗粒流失，进而产生地下空洞，逐渐导致城市地面塌陷发生危险事故。针对无压管线破损导致的颗粒流失问题，该文利用Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接触模型对具有一定含水率的黏重黑土开展数值分析。通过对比不同含水率土体、管道破碎口及管道埋深的颗粒流失和总法向力变化，重点研究初期水土流失带来的土壤松动情况。

关键词：管道渗漏；数值分析；EDEM；颗粒流失量；总法向力

中图分类号：TU990.3" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：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

城市地下管网是城市重要的地下基础设施之一，管道等渗漏问题不仅造成水资源的浪费与环境污染，还会引起水土流失，发生地面沉降塌陷，危及公共安全[1]。

目前，国内有许多关于管道渗漏的仿真模拟研究，一些学者利用CFD-DEM与ABAQUS模拟土颗粒与水的相互作用[2]，使用Geostudio、Midas-NX以及Flac3D软件对事故演化过程进行了全过程数值模拟分析[3]。本文应用离散元软件EDEM对管道渗漏初期的物理现象进行模拟仿真，选取\"Hertz-Mindlin with JKR Cohesion\"为接触模型，模拟不同含水率、流失口尺寸及埋深对初期渗漏的影响，记录分析土颗粒不同状态下的流失机理，同时讨论宏观现象上出现差异的原因。

1" 材料与方法

1.1" 装置与参数

土颗粒之间的黏结力是必需考虑的重要因素[4]。因此，本次数值模拟试验的介质设置为比砂土黏结力明显的黑黏土，其孔隙率低，黏粒多，腐殖质含量高，在含水率超过20%时处于流变体状态。为便于监测将颗粒放大10倍（颗粒半径为2～4 mm），通过改变JKR模型颗粒的表面能量值来间接反映颗粒的含水量[5]。仿真材料的各种物理参数具体见表1。

本文模拟管道渗漏的模型如图1所示，关键点设计如下。

1）颗粒床底部的长宽为150 mm×150 mm，底面正中间设置不同尺寸流失口。

2）颗粒床埋深根据不同试验方案调整。

3）下部设置收集箱，收集箱顶面开口，同时紧贴颗粒床底部，较颗粒床底面长和宽分别增加30 mm，高度随不同试验方案调整。

1.2" 试验方案

本文设计了18组数值试验方案，见表2。首先，前5次试验按照控制变量的设计原则只改变某一影响参数，分别探究在不同含水率、流失口尺寸及管道埋深的情况下，初期渗漏结果的差距。其次，根据前5次初步试验的结论（因埋深的变化最为明显），加入后12次（方案6—方案18）针对埋深变化的仿真试验。总仿真时间为150 s，统计自流失口进入收集箱的颗粒质量，同时监控容纳箱内总法向力变化。

2" 流失管道渗漏初期分析

2.1" 渗漏初期影响颗粒流失因素分析

2.1.1" 流失口尺寸（方案1、方案4、方案5）

本文试验设置流失口形状为圆形孔，直径分别为15、20、25 mm。管道在不同流失口尺寸时颗粒流失质量与总法向力的发展如图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试验结果如图3所示，颗粒流失总量与总法向力都发生明显差距。图3（a）中第150 s时埋深150 mm的流失颗粒质量近乎为50 mm的100倍。

在图3（b）中，50 mm埋深较浅，没有上部压力的颗粒为跨过前方小颗粒，增加碰撞挤压，但埋深150 mm的上层颗粒能够压住下部颗粒，避免颗粒为跃迁发生更大碰撞，总法向力的最大增长幅度仅为埋深50 mm的一半，下层颗粒流失后，上层颗粒跟随向下运移，迁移流失发生导致土体变形，中期总法向力往复增减，30 s后变化波动减小。可以看出，管道埋深是渗漏沉降的重要影响因素。不同的埋深增加了上部重力，下部颗粒受到来自上方颗粒的作用力，流失速度与流失量增长极快，地层发展空洞的危险性增加，发生空洞的概率增大。

2.1.3" 介质含水率（方案1、方案3）

因表观特性与表面能在很大程度上直接影响了界面黏附性能[7]，为控制含水率不同，使用Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接触模型，含水率（12.46±1）%与（17.15±1）%的土壤表面能参数分别为7.46和8.41 J/m2。

试验结果如图4所示，含水率（17.15±1）%的流失量与流失速度明显大于另一工况，说明土壤含水率对土颗粒性质的重要改变。首先二者都是不饱和土壤，含水率过高使颗粒间的吸力减小，被水分子瓦解的颗粒较为松散，使得流失通道被堵塞概率减小，同时部分颗粒在坠落后因表面能拉力与自身重力易牵引出更多颗粒。其次，从图4（b）中发现含水率（17.15±1）%的总法向力持续小于含水率（12.46±1）%，主要因为更多的水分子在颗粒间的润滑作用，减少了颗粒之间的相互碰撞挤压，使流失路径通畅，总法向力较小且下降趋势更明显。

方案1—方案5的试验结果各有不同，统计后绘制图5，其中，图5（a）为双y轴点线图（因方案2与其他方案结果差距过大，对应右侧坐标轴），图5（b）为总法向力发展状况对比图。综合观察发现，管道埋深对渗漏的影响是最明显的，埋深150 mm的方案颗粒流失量最大，且总法向力一直保持在最低状态。

2.2" 管道埋深对渗漏影响的讨论（方案1、方案2、方案i）

3个因素中，埋深对仿真试验的影响较大。因黏土累计流失结果较法向力变化更为突出，选择颗粒流失情况进行分析，共14次针对埋深变化的仿真试验（方案1、方案2、方案i），统计变化数据，如图6和图7所示。

图6用于描述不同管道埋深时在第150 s时的累计颗粒流失质量，即图7的柱状堆积图的灰色区域。图7柱状堆积图描述不同埋深时剩余颗粒质量占总质量的比例，同时白色区域的剩余颗粒质量与灰色区域的流失颗粒质量形成直观对比。百分比数字=剩余颗粒质量/总质量，剩余颗粒质量占比在不同埋深时的发展分为2个阶段，先下降再上升，趋向于饱和的1 050 mm试验剩余颗粒质量占比为63.79%。14次试验可以观察出埋深的影响较大，即随着埋深增加，颗粒流失量增长迅速，直到埋深接近1 050 mm时即趋向于饱和的临界状态。

3" 结论

本文针对管道渗漏初期的颗粒流失状态开展数值模拟试验，分析不同含水率土体、管道破碎口及埋深对管道渗漏的宏观影响，可以得出如下初步结论。

1）不同试验方案渗漏初期黏土流失量发展速度不同，流失口尺寸决定了流失通道的大小，管道埋深增加上部颗粒重力，含水率决定了颗粒之间的表面能大小。

2）在流失口出现后，颗粒总法向力前期急剧增加，中期波动剧烈，呈下降趋势，后期在一定区间内保持稳定。

3）诸多影响因素中，埋深的影响较大。随着埋深增加，流失量增长迅速，直到埋深接近1 050 mm时趋向于临界状态，颗粒流失累积量不发生大规模增长。

参考文献：

[1] 黄肇刚.地下管线渗漏的探地雷达信号分析和定位方法研究[D].广州：广州大学，2022.

[2] 伍吉富.基于CFD-DEM耦合的条缝出流颗粒逸散及流场特性研究[D].西安：西安建筑科技大学，2020.

[3] 杨光.城市隧道施工影响下地下管线变形破坏特点及渗漏水影响机理[D].北京：北京交通大学，2018.

[4] 李俊伟，佟金，胡斌，等.不同含水率黏重黑土与触土部件互作的离散元仿真参数标定[J].农业工程学报，2019，35（6）：130-140.

[5] 吴东，孙健，张宝金，等.含水铁矿石在计量斗内黏附行为的模拟研究[J].福建冶金，2021，50（6）：10-13.

[6] 吴震，王利强，徐立敏，等.基于静态和动态休止角的钛白粉离散元仿真参数标定[J].中国粉体技术，2023，29（4）：108-119.

[7] 胡芙蓉，涂崇志，李仁君，等.不同集料表观特性对沥青-集料黏附性能的影响[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2020，44（2）：363-36.