黄泛区粉土研究综述

黄泛区粉土研究综述

徐进进,王向阳,王红赏,韩俊,敦政航

郑州大学  450001

摘要：黄泛区人口稠密，粉土分布广泛，大量的工程建设对粉土工程性质研究的需求很大。黄泛区粉土和一般的粉土相比，分布于黄泛区的粉土具有一系列工程缺点，包括但不限于粉粒含量占比高、黏性差、级配不良、结构松散，使得在黄泛区的工程建设在建设过程中或运营时会遇到多种工程问题，尤其是城市中因水力侵蚀粉土层导致塌陷事故频发。综述出于避免黄泛区粉土引发事故的目的，通过参考多份文献，总结黄泛区粉土研究发展的现状。

关键词：黄泛区 工程特点 工程问题 发展现状

一、引言

受黄河淮河流域的影响，河南境内大部分地区都属于黄泛区，粉土广泛分布。一般将土壤粒径大于0.075mm且质量占比小于总质量的一半，塑性指数大于10的土被称作粉土[1]。我国黄河流域地区雨水比较多，并且流域内的植被覆盖率不高，时常发生洪涝灾害，在我国的历史上黄河的河道就发生了多次的改变。进入21世纪之后，黄河河道的多次改变和决堤使山东的西南部分地区、河南东部以及淮北地区成为了泛滥淤积区，即黄泛区[2-3]。黄河流经黄土高原时在水流中携带了大量的粉土，这些被水流挟裹来的粉土大多都淤积在下游地区，从而演变成了独特的黄泛区粉土。黄泛区的粉土和普通的粉土相比，黄泛区粉土具有一系列工程缺点，级配不良、结构松散、粘性差使得黄泛区建设苦难重重。郑州市地处黄河冲洪积平原，是黄泛区的重要组成部分，有学者研究发现，郑州地区浅层土体以粉土、粉质黏土为主，且分布极为广泛。

二、研究背景

最近十多年内，我国城市道路塌陷事故频发[4-9]，城市的交通安全问题严重的影响了人民的生命和财产安全，不利于提升人民生活幸福感，引发了多方关注。2012年7月21日，北京暴雨，水灾过后，北京的城区道路上出现上百处的塌陷；2013年，深圳龙岗区横岗街面突现塌陷坑，导致5人死亡和1人受伤，事后测量该塌陷坑长约12m、宽约6m、深约3m；2014年5月，广东省惠州市遭遇暴雨，导致该地区的地下管线处的土壤被掏空，形成了将近上百平方米的空洞，有两位路人不慎掉入；2015年2月10日，在武汉市建设大道与黄孝河路交叉口处突发地陷，路面塌陷形成了一个300多平方米的大坑，原因是盾构机密封处损坏，引起了隧道内涌水涌砂。

城市道路路面的坍塌总是让人们防不胜防，因此每次发生事故人们往往来不及反应，导致巨大且突然的破坏，人民的生命财产安全在这类威胁下没有有力的保护，并在社会上产生巨大的负面影响。由于城市道路塌陷事故的频发，许多的城市都十分重视此类事情，例如深圳市“重大民生工程”中城市路面塌陷的治理已成为重要事项，计划在3年内拨款21亿元对此类事故进行研究和解决；领域内专家学者们针对地下空洞成因、如何预防、应对地面塌陷的措施进行了许多相关研究[10-15]。

在河南境内，许多的地质事故是由于管线泄露对粉土造成严重的机理破坏造成的。据调查结果显示，随着城市化进程的不断推进，黄泛区地区路面塌陷事故频繁发生，由对事故发生的原因进行统计分析发现，临近管线泄漏引发了大部分塌陷事故。2013年深圳龙岗区横岗路段由于道路下方的暗渠泄漏，导致路基掏空引起地陷，造成了5死多伤的严重后果；2015年西直门桥东某绿地内输水管线发生泄漏，造成了严重的拥堵；2015年兰州市某输水管线破裂，导致路面下方形成空洞，车辆行驶至空洞上方后形成塌陷，造成了车毁人亡的严重后果[16]。在郑州市内，近些年来也发生了多起的路面塌陷事故，例如，在2015年中原路路段路面塌方事故，就是由于当地的供水管道泄露，从而形成了塌方，塌方长度达到了30米，导致多名人员伤亡。又根据调查统计，光2016年，郑州西三环快速路发生了二十余次的路面塌陷事故，并且事故发生的原因大多都是管线的泄露[17]。综上所述，地下管线泄漏会造成水资源的严重浪费，城市居民正常生活无法保障，还会冲走泥土形成地下空洞，导致地面塌陷。由于以上因素，地下管线泄漏造成的城市道路塌陷事故已经成为了城市道路安全方面十分突出的问题，但是因为渗流破坏机理具有复杂性与随机性，所以虽然大家对此十分关心，但是研究此领域的实验却很少。到了20世纪初期，世界各国研究者开始摸索了解渗透破坏的形成原理，但是即使经过了大量实验和理论探索，现今学界对渗透破坏形成机理仍然没有一个定论 [18]。为了认识粉土渗流破坏灾害的形成机制以及演化的规律，减少塌陷事故的发生次数，保护人民生命财产的安全以及保障城市道路交通的正常运行，此篇文章在前人的理论成果的基础上，我们对黄泛区在粉土发生流土破坏时的临界条件研究成果进行了归纳和整理，为管线泄漏致路面塌陷等工程破坏后机理分析提供思路参考。

三、理论研究

高明生[19]对国内城市道路塌陷事故的原因和危害进行了统计，从统计学角度对道路塌陷原因进行了分析，并提出了预防措施，认为解决道路塌陷的问题只有从塌陷产生的原因和机理入手，尤其是对于老旧管线破裂渗漏问题需要认真分析和对待。

欧阳振华[20]通过对土洞形成与扩展机理进行研究，提出地面塌陷会经历土洞形成、土洞扩展以及上覆土层失稳三个过程，地下水的参与对土洞的形成和发展起关键作用。

李涛[21]确认了软土和粗粒土地层的地陷破坏模式，导出了计算地陷安全系数的公式，并析了影响地陷的相关因素。还采用数值模拟方法分析了软土和粗粒土地层地陷时的地层变形规律。

侯超群[22]研究了松散土层地区产生地面塌陷的机理。松散土层中细颗粒土在地下水的渗透作用下被水流带走，而剩下的粗粒土构成松散骨架并形成了更大的过水渗透通道。在骨架效应和土拱效应下，土层可以维持应力平衡，地面能维持一个临界塌陷的状况。外部荷载的扰动或者内部水土状态的变化，都会引起临界状态急剧地发生变化，平衡打破，发生地面塌陷。

万志清，秦四清等[23]研究了影响地下空洞形成和发育的主要因素，并发现超静孔隙水压力和真空吸力会剥落地下的土体结构，在水力坡降的作用下，土体结构中的细颗粒持续流失，两者共同作用，使得地下空洞尺寸不断扩大。形成地下空洞的初始条件则与地下水位降幅、地下水流速以及抽水涌水量有关。

四、实验研究

Sawangsuriya[24]将泰国某一条高速公路作为研究样本，对高速公路裂缝土进行了研究，发现引起高速公路裂缝地主要原因是由于地下水引起了土体干缩湿胀而导致高速公路地开裂。

姜伏伟等[25]从管道流理论方面分析了土洞发育判据，建立了数学表达式，推导出土体破坏的临界水力条件，并设计了管道流实验装置和试验方法。Donatella Sterpi等利用自制渗透潜蚀设备，模拟了在室内不同水利梯度下，重塑细颗粒土的潜蚀试验，并收集了土水混合物，得出渗透破坏的临界水利梯度和土颗粒随时间的损失规律，提出一个由渗流作用引起土壤细颗粒侵蚀和运营模型。

郭帅[26]分别对无压和有压管道进行建模分析，对渗透量进行研究，评估管道破损还有渗透系数对渗透量的影响，又通过实验研究渗透系数，颗粒大小，破损口对渗透量的影响。

翟淑花等[27]采用FLAC软件进行实验，意从数字模拟入手，从地下空洞对地下管线影响角度入手进行研究，模拟结果得出：当空洞尺寸超过管线尺寸时，地下空洞的存在对管线应力场和位移场会产生很大影响，结果上体现为地表和管线的不均匀沉降均有增大，而管线水平两侧出现弯矩和最大主应力。

鲍国栋[28]自行设计了一套管线渗漏模拟实验装置，并基于该套试验装置对排水管内渗、外渗现象进行了研究，并总结规律。此外，鲍国栋针对使用了不锈钢套管技术修复的破损管线进行了力学指标测试和抗腐蚀性测试，从修复效果角度进行评价。

姜梦林[29] 以管线渗漏引起黄土湿陷变形的现象为主题进行了一些针对性研究，通过使用Fluent软件模拟实验对管线渗漏引起的渗透范围进行了研究，计算了在一定时间内水分场的变化过程，得到随时间而发生变化的不同深度土体的湿陷量值的规律。

张成平等[30]选择了给排水管道渗透在隧道施工的过程中对地表塌陷产生的影响作为研究主题，通过实验模型研究发现：管线的渗透范围大小对地表塌陷范围和沉降值产生了很大的影响，对塌陷破裂面甚至产生了决定性的影响

五、数值模拟

程旷[31]提出由于物理实验的局限性，室内模型试验以及原型试验与自然情况存在差距，使得对水土系统研究的细观机理进行更深入了解具有较大难度。近年来离散模拟技术快速发展，为水土流动系统的内部力学行为分析和细观机理的研究提供了行而有效的研究工具。

张刚[32]对水流垂直方向的堤坝管涌现象分别进行了室内模型模拟和颗粒流模拟实验。运用颗粒流程序采用固液耦合的分析模型对管涌现象作进一步的数值模拟分析。分析了管涌产生、发展在颗粒细观尺度的原因，这些结果为PFC2D在渗流和渗透破坏等方面的深入研究应用提供了一定的实用依据，同时也为在细观尺度上解释和分析管涌现象提供了一条新的途径。

陶连金[33]基于离散元软件对城市道路路基下空洞的发展破坏进行数值模拟，分析空洞规模、埋深、施工振动、空洞周围土性对空洞稳定性的影响。

杨传芳[34]基于PFC3D颗粒离散元软件分析，建立起砂土地层隧洞端部的土体数值模型，探讨端部土体滑移破坏特点、变化规律和主要的影响因素，并采用强度折减法以及能量突变理论，对端部土体的稳定性进行定量分析。

张小玲[35]在离散元软件PFC3D基础上使用DEM（离散元）与CFD（计算流体动力学）耦合模块，考虑流体高速渗流时的流体压力梯度力对流固耦合过程的影响，建立土颗粒与流体双向耦合作用下的细观数值模拟模型，针对渗流发生和发展的过程中土体力学性能和水力性质进行了研究，定性地揭示了地表塌陷过程中的演化规律与灾变机理。

六、结论

在黄泛区，黄河河流从上游带来了大量粉土，淤积在下游河道，形成了独有的黄泛区粉土。在经历了河流堆积物的反复冲刷与沉淀的过程后，与普通粉土相比，黄泛区粉土变得具有诸多工程缺点，如粉粒含量占比高、级配不良、黏性差、结构松散、颗粒磨圆度低等。同时，在河南境内，也有许多的地质事故是由于管线泄露对粉土造成严重的机理破坏造成的。据调查结果显示，随着城市化进程的不断推进，黄泛区地区路面塌陷事故频繁发生，且对事故发生的原因进行统计分析发现，大部分塌陷事故是由于管线泄漏引发。

基于上述原因，地下管线泄漏已经成为城市道路安全防护领域备受关注的问题。本文在现有理论成果的基础上，对粉土区管线泄露造成的渗透破坏进行了进一步探讨与分析，为管线泄漏致路面塌陷等工程破坏后机理分析提供理论依据，减少或避免工程安全事故的发生。

通过查询各方研究，从理论研究方面总结松散土层地区地面塌陷的机理，因素，变形规律，从实验研究方面研究管线渗漏时的各种情况及造成的影响，从数值模拟方面严谨地观察土体的各项变化。最终汇总三方资料，总结出所研究对象的各项指标。

参考文献

[1]谢小妍.土力学[M]．北京：中国农业出版社，北京：科学出版社，1999．

[2] 贾志刚.黄泛区粉土水力特征参数研究[D];中国地质大学,2017.

[3] 孙瑞民,杨凤灵.郑州地区饱和粉土的工程地质特性研究[J].河南科学,2009,27(03):346-50

[4] 马延明.北京城建工程基坑和地面塌陷灾害研究[J].城市地质,2007(04):5-8.

[5] 宋谷长,叶远春,刘庆仁.北京市城市道路塌陷成因及对策分析[J].城市道桥与防洪,2011(08):250-252.

[6] 刘江龙,刘会平,吴湘滨.广州市地面塌陷的形成原因与时空分布[J].灾害学,2007(04):62-65.

[7] 张瑛.辽宁地面塌陷现状、成因及防治对策[J].中国地质灾害与防治学报,1998(03):94-98.

[8] 戴长寿.南京中山南路路面塌陷原因浅析[J].江苏地质,1990(02):47-48.

[9] 毛小平,吴冲龙,师学明.天津高新技术产业园区海泰小区路面塌陷成因[J].工程地质学报, 2016(02):299-308

[10] 李智强.城市道路塌陷成因与机理分析[J].华东公路,2013(04):3-5.

[11] 任建波,刘元雪,胡明,等.城市非岩溶环境地面塌陷危险性模糊评价[J].兵器装备工程学报,2017(01):168-173.

[12] 王智强.城市可溶岩区地面塌陷灾害勘查重难点问题分析[J].山西建筑,2016(20):70-72.

[13] 张文华赵安文.地面塌陷的模式及特殊危害[J].地质灾害与环境保护,2003(01):7-10.

[14] 罗小杰,罗程.覆盖型岩溶地面塌陷综合地质预测与危险性评估[J].中国岩溶,2016(01):51-59.

[15] 罗小杰.也论覆盖型岩溶地面塌陷机理[J].工程地质学报,2015(05):886-895.

[16] 刘春明.城市道路塌陷成因分析与对策[J].城市勘测,2018,S1):184-7.

[17] 魏晓颖,李海燕,张晴.郑州西三环道路频繁塌陷成因探讨[J].科技创新与应用,2016,02):169-70+72.

[18] 周健.渗透破坏若干问题的解析解及机理分析[A].中国水利学会岩土力学专业委员会.第一届中国水利水电岩土力学与工程学术讨论会论文集（上册）[C].中国水利学会岩土力学专业委员会:中国水利学会,2006:4

[19] 高明生.城市道路塌陷原因分析及预防措施[J].市政技术，2014，32（S1）:39-42.

[20] 欧阳振华，蔡美峰，李长洪.地表塌陷中隐伏土洞的形成与扩展机理研究[J].金属矿山，2006，（06）:16-18.

[21] 李涛，张子真，宗露丹.地下空洞引起土质地层地陷的形成机制与预测研究[J].岩土力学，2015，36（07）:1995-2002.

[22] 侯超群，董满生，逄焕平.松散土体型地面塌陷成因分析及机理研究[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2013，36（01）:63-67.

[23] 万志清秦四清李志刚钱海涛.土洞形成的机理及起始条件[J].岩石力学与工程学报，2003，（08）:1377-1382.

[24] A Sawangsuriya， Jotisankasa A， Anuvechsirikiat S. Classification of Shrinkage and Swelling Potential of a Subgrade Soil in Central Thailand[J]. Springer Berlin Heidelberg， 2012.

[25] 姜伏伟.粘性土渗透破坏临界条件推导及试验探讨[J].地下空间与工程学报，2017，13（06）:1472-1476.

[26] B. ARING, BERG. Void Ratio of Noncohesive Soils and Similar Materials [J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1992, 118(9):

[27] C.S.P.OJHA, V.P.SINGH, D.D.ADRIAN. Assessment of the role of slit as a safety valve in failure of levees [J]. International Journal of Sediment Research, 2008, 23(04): 361-75.

[28] 铁道第一勘察设计院.铁路路基设计规范[M].行业标准-铁道.2005:109P.;A5.

[29] 谢小妍.土力学[M].北京：中国农业出版社，北京：科学出版社，1999.

[30] Taylor D W．Fundamentals of soil mechanics［M］．New York:John Wiley & Sons，Inc， 1948.

[31] 程旷.基于离散元的渗流致断级配土颗粒运移数值分析方法研究[D].大连理工大学，2019.

[32] 张刚，周健，姚志雄.堤坝管涌的室内试验与颗粒流细观模拟研究[J].水文地质工程地质，2007，（06）:83-86.

[33] 陶连金，袁松，安军海.城市道路地下空洞病害发展机理及对路面塌陷的影响[J].黑龙江科技大学学报，2015，25（03）:289-293.

[34] 杨芳传.基于PFC流固耦合的砂土层隧洞端部土体稳定性分析[D].长沙理工大学,2018.

[35] 管线渗漏引发地面塌陷的DEM_CFD耦合数值模拟_张小玲（1）[J].

基金项目：郑州大学大学生创新创业训练计划项目资助，项目名称：黄泛区粉土接触渗透破坏试验研究，课题编号：2022cxcy311