岩土力学 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (S1): 507-518.doi: 10.16285/j.rsm.2024.1199CSTR: 32223.14.j.rsm.2024.1199

• 数值分析 • 上一篇    下一篇

管道破损诱发地面沉降细观模拟与影响因素分析

孙志亮1,邵敏2,王叶晨梓3,刘忠2,任伟中1,柏巍1,李朋1   

  1. 1. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程安全全国重点实验室,湖北 武汉 430071; 2. 杭州市城建消防中心(杭州市城建信息中心),浙江 杭州 310020;3. 杭州市勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 310012
  • 收稿日期:2024-09-29 接受日期:2024-11-28 出版日期:2025-08-08 发布日期:2025-09-01
  • 通讯作者: 柏巍,男,1982年生,博士,副研究员,主要从事特殊土土力学、地基与基础工程方面研究工作。E-mail: wbai@whrsm.ac.cn
  • 作者简介:孙志亮,男,1987年生,博士,副研究员,主要从事特殊土防灾减灾及土动力学等方面的研究工作。E-mail: zlsun@whrsm.ac.cn
  • 基金资助:
    十四五国家重点研发计划(No.2021YFC3001300);中国科学院岩土力学与工程安全重点实验室项目(No.SKLGME-JBGS2403);湖北省自然科学基金(No.2022CFB417)。

Mesoscopic simulation and analysis of influencing factors for ground subsidence induced by leakage through pipeline defect

SUN Zhi-liang1, SHAO Min2, WANG Ye-chen-zi3, LIU Zhong2, REN Wei-zhong1, BAI Wei1, LI Peng1   

  1. 1. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering Safety, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, Hubei 430071, China; 2. Hangzhou Urban Construction Fire Protection Center (Hangzhou Urban Construction Information Center), Hangzhou, Zhejiang 310020, China; 3. Hangzhou Kance Engineering Consultants Ltd., Hangzhou, Zhejiang 310012, China
  • Received:2024-09-29 Accepted:2024-11-28 Online:2025-08-08 Published:2025-09-01
  • Supported by:
    This work was supported by the 14th Five-Year National Key R&D Program of China (2021YFC3001300), the State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering Safety Project, Chinese Academy of Sciences (SKLGME-JBGS2403) and the Hubei Provincial Natural Science Foundation (2022CFB417).

摘要: 为研究砂土在管道破损渗流侵蚀作用下的运移流失过程,探寻产生地面沉陷的主要影响因素,采用颗粒流(particle flow code,PFC)与计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)耦合的方法,针对水管直径、破损孔洞尺寸、水管埋置深度、砂土内摩擦角以及地下水深度5个因素,按3水平设计正交试验,开展细观数值模拟。数值试验结果发现,砂土地面沉陷呈V形漏斗分布,沉降槽随着时间增长在横向与竖向拓展。正交试验结果的极差分析与方差分析表明,地下水深度hw对沉降槽深度影响最大且显著,地下水越深,沉降槽深度越小。影响因素排序其次是破损孔洞直径d,随后是砂土内摩擦角与水管直径DN。水管埋置深度hs对沉降槽深度影响不明显,在此基础上,提出了不同条件下管道破损渗漏诱发地面沉陷范围的估算公式。研究结果可为市政水管防路面塌陷设计提供参考。

关键词: 管道渗漏, 地面沉陷, 离散元?计算流体动力学, 数值模拟, 正交试验

Abstract: A coupled particle flow code (PFC) and computational fluid dynamics (CFD) method was adopted to study the transport and loss process of sand under pipeline orifice seepage erosion and to identify the main factors influencing ground subsidence. Orthogonal tests with three levels were designed to conduct mesoscopic numerical simulations for five factors: pipeline diameter, orifice size, buried depth of pipeline, sand internal friction angle, and groundwater depth. The numerical simulation results show that sandy ground settlement exhibits a V-shaped funnel distribution, with subsidence expanding both horizontally and vertically over time. Range analysis and variance analysis of the orthogonal test results indicate that groundwater depth hw has the greatest and significant impact on subsidence depth. Specifically, greater groundwater depth correlates with reduced subsidence depth. The subsequent ranking of influencing factors is: orifice size d, internal friction angle  and pipeline diameter DN. Pipeline buried depth has no significant impact on ground surface settlement. Based on these findings, an estimation formula for ground subsidence range induced by pipeline leakage under various conditions was proposed. These results provide a reference for municipal pipeline design to mitigate ground collapse.

Key words: pipeline leakage, ground subsidence, PFC?CFD, numerical simulation, orthogonal test

中图分类号: TU478
[1] 张奇, 王驹, 刘江峰, 曹胜飞, 谢敬礼, 成建峰, . 热-水-力多场耦合下高放废物处置库核心处置单元间距设计研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(8): 2626-2638.
[2] 梁庆国, 李景, 张崇辉, 刘彤彤, 孙志涛, . 基底均匀膨胀作用下黄土−泥岩复合地层隧道衬砌力学响应研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(6): 1811-1824.
[3] 朱先祥, 张琦, 马俊鹏, 王永军, 孟凡贞, . 浆−水置换效应下含水砂层渗透注浆扩散机制[J]. 岩土力学, 2025, 46(6): 1957-1966.
[4] 杨明云, 陈川, 赖莹, 陈云敏. 串联锚在黏土中的三向受荷承载力分析[J]. 岩土力学, 2025, 46(2): 582-590.
[5] 张凌博, 孙宜松, 程星磊, 郭群录, 赵川, 刘京红. 基于损伤能量耗散的三维土体切削破坏面表征方法研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(11): 3626-3636.
[6] 张昕晔, 刘志伟, 翁效林, 李铉聪, 赵建崇, 刘小光. 上砂下黏复合地层隧道开挖面稳定性及破坏模式研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(11): 3637-3648.
[7] 吴迪, 陈嵘, 孔纲强, 牛庚, 缪玉松, 王振兴. 冷-热循环温度下桥梁能量排桩热-力响应特性现场试验与数值模拟[J]. 岩土力学, 2025, 46(11): 3649-3660.
[8] 许国庆, 黄高翔, 王协康, 罗登泽, 李洪涛, 姚强, . 新型弧形聚能爆破作用下的岩石破裂演化机制研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(10): 3267-3279.
[9] 王帅, 王豫徽, 王玲, 李佳祺, 赵梓皓, 庞凯旋, . 基于晶体模型的岩石孔隙结构与矿物组成对裂纹扩展影响机制研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(10): 3289-3301.
[10] 杨立. 平板载荷试验数值分析及承载力判定标准研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(S1): 723-730.
[11] 薛秀丽, 谢伟睿, 廖欢, 曾超峰, 陈宏波, 徐长节, 韩磊, . 邻近深埋地铁车站水−土阻隔效应及其对基坑抽水致沉的影响[J]. 岩土力学, 2024, 45(9): 2786-2796.
[12] 吕茂淋, 朱珍德, 周露明, 葛鑫梁, . 基于相场法的预制双裂隙岩体水力压裂扩展数值模拟研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(6): 1850-1862.
[13] 马登辉, 韩迅, 蔡正银, 关云飞, . 静压桩的桩侧土压力分布规律数值分析[J]. 岩土力学, 2024, 45(6): 1863-1872.
[14] 陈磊, 张强, 贾朝军, 雷明锋, 黄娟, 胡晶, . 强降雨对库岸堆积体边坡稳定性影响的离心模型试验和数值模拟研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(5): 1423-1434.
[15] 周慧颖, 李树忱, 王曼灵, 袁超, 张俊艇, 冯健鹏, . 气孔杏仁状玄武岩随机三维模型构建与 单轴压缩力学行为研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(4): 1214-1232.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
No Suggested Reading articles found!