CN114935431B - 一种埋地管道渗漏引发水土流失的加速模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种埋地管道渗漏引发水土流失的加速模拟方法，包括：模拟材料组份及配比确定；模拟材料配制；将模拟材料填充入密封囊；对密封囊内材料进行抽真空密实；在密封囊的进、出水口连接水管；基坑开挖；放入密封囊并进行基坑回填；密封囊内加水；水土流失模拟；局部脱空模拟。本发明所提供的埋地管道渗漏引发水土流失的加速模拟方法能够确保模拟设置的有效性和真实性；保证了对水土流失过程模拟的完整性和模拟结果的可靠性；能够极大程度地缩短实际管道渗漏至引发脱空的全过程；并且可以适应各种需要模拟管道渗漏至脱空的场景；可推广至各种地下空间与地下工程的水土流失模拟。

Description

一种埋地管道渗漏引发水土流失的加速模拟方法

技术领域

本发明涉及埋地管道技术领域，特别涉及一种埋地管道渗漏引发水土流失的加速模拟方法。

背景技术

随着城镇化的持续推进，城市地下管网数量不断激增。八十年代以前建设的管道因建设条件限制，管道质量较差，且多数已超期服役。由于缺乏维护和修复，大部分此时期修建的管段存在不同程度的“跑、冒、滴、漏”等缺陷。但由于埋地管线的隐蔽性，对于出现的管段缺陷一般难以及时发现，导致管网中的液体通过破损口向管网外部渗漏，进而使得管道周边水土流失，严重情况下会导致地面沉降、路面塌陷等事故，给人民的生命和财产安全带来极大危害。

为了有效防止管段脱空等事故发生，有必要针对管道渗漏导致脱空事故的演化机理进行模拟研究。由于管道在服役过程中出现缺损导致渗漏具有隐蔽性，且引发水土流失至脱空的时间跨度可高达几十年，因此，合理加速其演化过程是研究演化机理的有效方式。当前，关于埋地管道的渗漏引发水土流失的模拟还属于起步阶段，主要方法是设置足尺实验，直接在拟模拟埋地管道位置处挖出该区域的土层，对管道进行回填后进行相应的力学测试来观察管道和土壤的性质变化。此类方法的实验设置与实际发生管道周围渗漏至脱空的土壤情况存在较大差距，实验过程主要控制了渗漏引发水土流失和脱空的起始条件和最终结果，忽略了水土流失的中间环节，导致模拟得出的结果的真实性不足，难以有效揭示实际的水土流失导致路面沉降等事故的演化机理。

发明内容

本发明提供了一种埋地管道渗漏引发水土流失的加速模拟方法，以解决关于埋地管道的渗漏引发水土流失的模拟，现有技术模拟得出的结果的真实性不足，难以有效揭示实际的水土流失导致路面沉降等事故的演化机理的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种埋地管道渗漏引发水土流失的加速模拟方法，包括：

S1，根据拟模拟管道埋设位置处的土壤情况及所需加速水土流失至脱空的时间，确定模拟材料的组份以及模拟材料中的各组份的配比；

S2，按照确定好的组份和配比，配置模拟材料，并搅拌均匀；

S3，将配置好的模拟材料填充入密封囊中，并通过振动操作使模拟材料在密封囊中均匀分布；其中，所述密封囊设置有进水口、上出水口以及下出水口；

S4，基于拟模拟管道埋设位置处工程土壤的压实度，对密封囊内的模拟材料进行抽真空操作以提高其压实度，使模拟材料压实度和实际土层压实度一致；

S5，在密封囊内的模拟材料完成抽真空操作后，在密封囊的进水口连接进水管，上出水口连接上出水管，下出水口连接下出水管并在下出水管连接阀门；

S6，针对需要模拟管道渗漏位置处进行基坑开挖；

S7，在完成基坑开挖后，按照需模拟脱空位置放置密封囊，使密封囊紧贴管壁后，对开挖的基坑使用开挖原位土进行回填，在回填过程中，向地面引出所述上出水管、下出水管以及进水管；其中，引出后的进水管的水头高度高于上出水管的水头高度，下出水管位于密封囊一侧并保持与密封囊同一水平高度；

S8，关闭所述阀门，由所述进水口以需模拟渗漏的速率向所述密封囊注水，让水不断地充入所述密封囊中，并形成一定水头高度，模拟水分侵蚀沙土过程；

S9，利用充满水的密封囊进行水土流失模拟；

S10，利用充满水的密封囊进行局部脱空模拟。

进一步地，所述模拟材料包括主料和辅料；其中，所述主料为拟模拟管道埋设位置处的原位土或性质相近土壤，土壤为工程用黏土或粉土；所述辅料为工业盐，工业盐为氯化钠或氯化钾，且工业盐包括工业粗盐和工业细盐。

进一步地，模拟材料中工业细盐的比例越高，水土流失至脱空的时间越短。

可选地，所述密封囊的形状为立方体型；所述密封囊的材料为橡胶或者硅胶；所述密封囊内衬有纤维骨架结构，以提升其强度。

进一步地，在将配置好的模拟材料填充入密封囊中后，将填充好模拟材料的密封囊放置于振捣台再次振捣，以确保密封囊中的模拟材料分布均匀。

进一步地，在对密封囊内的模拟材料进行抽真空操作时，用管道按压在所述密封囊的表面，以让所述密封囊在抽真空后形成与管道形状相匹配的弧度。

进一步地，在向所述密封囊注水时，在所述密封囊中设置动水压力传感器，当动水压力数值达到峰值后，判断所述密封囊中的模拟材料已经被水润湿；

且在注水时，依据实验预期时间，调整注水速率，以加快或放缓实验速度。

进一步地，所述利用充满水的密封囊进行水土流失模拟，包括：

当所述密封囊内充满水后，过量的水由所述上出水口不断流出所述密封囊，并带有一定量的土颗粒，以此进行水土流失模拟。

进一步地，所述利用充满水的密封囊进行局部脱空模拟，包括：

当水不断注入所述密封囊，所述上出水口流出水的沙土量不断减少至逐渐清澈，表明沙土被充分浸润，呈现一种液化状态；此时打开所述下出水口的阀门，在提前设置好所述进水口和所述下出水口之间高低水头压差的作用下，沙土大量流出，并形成脱空空间，以此进行局部脱空模拟。

进一步地，在利用充满水的密封囊进行局部脱空模拟时，在需要模拟渗漏导致沙土流失位置处设置多个尺寸不一样的密封囊，来模拟多级别脱空。

本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

1、本发明设计的水土流失模拟方法在设置上可以通过柔软的橡胶或者硅胶材料制成的密封囊实现脱空区域紧贴管外壁，且通过对密封囊的抽真空处理还原了发生脱空之前土层的压实度等力学性能，确保模拟设置的有效性和真实性；

2、本发明所设计的管道渗漏引发水土流失的加水模拟方法最大限度还原了渗漏水浸润土层后导致沙土液化，引发管涌至脱空的全过程，保证了对水土流失过程模拟的完整性和模拟结果的可靠性；

3、实际埋地管道发生渗漏到引发脱空过程的持续时间可能长达数年，不利于观察和研究此过程的发生机理，本发明所设计的水土流失加速模拟方法极大程度缩短了实际管道渗漏至引发脱空的全过程，为探究在管道不同位置处发生渗漏至管道周围沙土流失到脱空和沉降等事故的发展过程提供参考，有助于指导管道的监测以及维护；

4、本发明所设计的模拟方法可以依据所需模拟管道的大小以及发生渗漏的位置，调整所对应密封囊的大小以及改变密封囊的出进水口，以适应各种所需要模拟管道渗漏至脱空的场景；

5、本发明所设计的水土流失加速模拟方法可以推广至各种地下空间与地下工程的水土流失模拟，例如地基的脱空模拟、隧道的脱空模拟等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的埋地管道渗漏引发水土流失的加速模拟方法的执行流程示意图；

图2是本发明实施例提供的密封囊形状及进出水口位置示意图；其中，(a)为密封囊的正视图，(b)为密封囊的侧视图，(c)为密封囊的左视图；

图3是本发明实施例提供的另一种密封囊形状及进出水口位置示意图；其中，(a)为密封囊的正视图，(b)为密封囊的侧视图，(c)为密封囊的左视图；

图4是本发明实施例提供的基坑开挖示意图；其中，(a)为基坑开挖正视图，(b)为基坑开挖俯视图；

图5是本发明实施例提供的密封囊应用于公路交通领域路面积层水土流失模拟的布置图；

图6是本发明实施例提供的密封囊实际布置图。

附图标记说明：

110、密封囊；111、进水口；112、上出水口；113、下出水口；114、阀门；

115、进水管；116、上出水管；117、下出水管；

131、压实度85％的回填土；132、压实度90％的回填土；

133、压实度95％的回填土；134、天然土层；135、公路面层；

140、埋地管道；141、埋地管道接头；142、公路交通领域实验所用车辆；

150、基坑。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

第一实施例

针对埋地管道渗漏问题以及当前关于埋地管道渗漏引发水土流失模拟试验方法的不足之处，本实施例提供了一种埋地管道渗漏引发水土流失的加速模拟方法，该埋地管道渗漏引发水土流失的加速模拟方法的执行流程包括以下步骤：

S1，根据拟模拟管道埋设位置处的土壤情况及所需加速水土流失至脱空的时间，确定模拟材料的组份以及模拟材料中的各组份的配比；

其中，所述模拟材料包括主料和辅料；其中，所述主料为拟模拟管道埋设位置处的原位土或性质相近土壤，所选土壤为工程用黏土或粉土；所述辅料为工业盐，所选工业盐为氯化钠或氯化钾，且工业盐包括工业粗盐和工业细盐。

具体地，在本实施例中，上述S1具体为：根据拟模拟管道埋设位置处土壤情况，选择原位土或者性质相近土壤类型作为主料；根据所需加速水土流失至脱空的时间，选择辅料类型，以及辅料和主料的配比。

在一可行的实施例中，选择埋地管道常用低液限黏土为主料，工业氯化钠为辅料。其中，工业氯化钠分别选择细颗粒氯化钠和粗颗粒氯化钠两种，最后将低液限黏土和工业氯化钠以一定体积比组合，其中，细颗粒氯化钠和粗颗粒氯化钠以一定的的体积比混合，组成模拟所需材料。并可通过提升辅料中细颗粒的比例来加速水土流失至脱空的时间，或者减少辅料中细颗粒的比例来减慢水土流失至脱空的时间。其加速原理是相较于实际水土流失过程中，水流浸泡土壤后，逐渐带走细砂颗粒并形成渗漏通道。本发明直接使用氯化钠或氯化钾模拟沙土中的细颗粒，并使其遇水溶解，加速了水流逐渐带走细沙颗粒的过程。

S2，按照确定好的组份和配比，配置模拟材料，并搅拌均匀；

具体地，在本实施例中，上述S2具体为：将所需主料和辅料以确定比例放入搅拌机，进行充分搅拌，以完成模拟材料的配置。

S3，将配置好的模拟材料填充入密封囊中，并通过振动操作使模拟材料在密封囊中均匀分布；其中，所述密封囊设置有进水口、上出水口以及下出水口；

其中，密封囊的形状为立方体型；根据埋设深度和所需承重选择使用强度较高的橡胶材质或者硅胶材质；且通过内衬纤维骨架结构提升其强度。

在一可行的实施例中，可将填充好模拟材料的密封囊放置振捣台再次振捣，从而确保密封囊中的模拟材料分布均匀。

S4，基于拟模拟管道埋设位置处工程土壤的压实度，对密封囊内的模拟材料进行抽真空操作以提高其压实度，使模拟材料压实度和实际土层压实度一致；

在一可行的实施例中，为了让密封囊在抽真空后有一定的弧度，可用管道按压在密封囊表面后进行抽真空处理，以让密封囊形成与管道形状匹配的弧度。

S5，在密封囊内的模拟材料完成抽真空操作后，在密封囊的进水口连接进水管，上出水口连接上出水管，下出水口连接下出水管并在下出水管连接阀门；

其中，进、出水口的水管长度和大小可根据密封囊的大小和埋设深度调整。

S6，针对需要模拟管道渗漏位置处进行基坑开挖；

其中，进行基坑开挖时，开挖大小根据所使用密封囊的大小和拟模拟管道渗漏处的位置确定，开挖深度依据管道埋深大小确定。

S7，在完成基坑开挖后，按照需模拟脱空位置放置密封囊，使密封囊紧贴管壁后，对开挖的基坑使用开挖原位土进行回填，在回填过程中，向地面引出所述上出水管、下出水管以及进水管；其中，引出后的进水管的水头高度高于上出水管的水头高度，下出水管位于密封囊一侧并保持与密封囊同一水平高度；

S8，关闭所述阀门，由所述进水口以需模拟渗漏的速率向所述密封囊注水，让水不断地充入所述密封囊中，并形成一定水头高度，模拟水分侵蚀沙土过程；

在一可行的实施例中，在向所述密封囊注水时，可通过在所述密封囊中设置动水压力传感器，来观察水分逐渐侵蚀密封囊中的混合材料这一过程，当动水压力数值达到峰值后，可以初步判断所述密封囊中的模拟材料已经被水润湿。

在另一可行的实施例中，在向所述密封囊注水时，可以依据实验预期时间，调整注水速率以加快或放缓实验速度。

S9，利用充满水的密封囊进行水土流失模拟；

具体地，上述S9为：当密封囊内充满水后，过量的水会由上出水口不断流出密封囊，并带有一定量的土颗粒，以此进行水土流失模拟。

S10，利用充满水的密封囊进行局部脱空模拟。

具体地，上述S10为：当水不断注入所述密封囊，上出水口流出水的沙土量不断减少至逐渐清澈，表明沙土被充分浸润，呈现一种液化状态。此时打开下出水口的阀门，在提前设置进水口和下出水口之间高低水头压差的作用下，沙土大量流出，并形成脱空空间。其中，可根据需要模拟水土流失区域所需体积，增大或减小矩形密封囊的尺寸。并且在一可行的实施例中，可在需要模拟渗漏导致沙土流失位置处设置多个尺寸不一样的密封囊，来模拟多级别脱空。

第二实施例

请参阅图1至图6，本实施例以对埋地1.5米深，内径300毫米，外径400毫米的埋地管道接头141处渗漏的加速水土流失模拟为例，对本发明的加速模拟方法进行说明，模拟过程为控制以渗漏速度50毫升每秒时，在2小时内发生水土流失至出现局部脱空过程，其执行流程如图1所示，包括以下步骤：

S1，模拟材料配比确定，具体为：根据《GBT 50145 2007土的工程分类标准》，选取埋地管道中常用粉质沙土为主料，依据工程实际及实验预期，选取工业粗盐、工业细盐和原位土作为混合材料，混合比例为：原位土与工业盐体积比为6:4、工业粗盐与工业细盐体积比为1:1。

S2，模拟材料配制，具体为：根据模拟材料的比例使用搅拌机进行搅拌，确保模拟材料混合均匀即可，搅拌完后的材料需密封处理，防止辅料提前潮解。

S3，模拟材料填充，具体为：提前密封好密封囊110的上出水口112和下出水口113，并将配置好的模拟料由密封囊110的进水口111倒入，倒入过程中可对密封囊110进行抖动处理，让模拟材料在密封囊110中分布均匀，当密封囊110中的模拟材料填充至4/5后可停止填充。

其中，密封囊110的形状及进出水口位置如图2所示，当然也可以改变密封囊110的进出水口位置，以适应不同实验要求，如图3所示。

S4，抽真空密实，具体为：为提高密封囊110中模拟材料的压实度，利用工业真空泵由密封囊110的进水口111进行抽真空处理。

S5，连接进、出水口水管，具体为：抽真空压实后，可打开密封囊110的上出水口112和下出水口113的塞子，并在进水口111外连接进水管115，在上出水口112外连接上出水管116，在下出水口113外连接下出水管117，并在下出水管117上设置阀门114；其中，所用水管为长度为两米的加筋水管，水管和密封囊110的接口处使用防水密封胶带绑好，防止液体流出。

S6，基坑开挖，具体为：先根据拟模拟管道的尺寸，开挖出一个长8.5米，宽1.5米，深1.5米的基坑150，然后在基坑150中的埋地管道接头141处再次往下挖出一个长1米，宽0.4米，深0.2米的模拟密封囊基坑，开挖后放入填充好材料的密封囊110，并用细沙土填满基坑四周与密封囊110间的空隙。最后在密封囊110表面放入埋地管道140，使密封囊110和埋地管道140表面紧密贴合。

其中，在本实施例中，基坑开挖如图4所示。

S7，基坑回填，具体为：开挖完成后按照需模拟脱空位置放置密封囊110，使用基坑开挖的原位土进行回填，回填过程中需向地面引出密封囊110两侧的上出水管116和进水管115，并使引出后的进水管115的水头高度略高于上出水管116，向密封囊110一侧保持和密封囊110的同一水平高度引出下出水管117。

其中，在本实施例中，密封囊110应用于公路交通领域路面积层水土流失模拟的布置如图5所示，密封囊110实际布置如图6所示。

S8，密封囊内加水，具体为：当基坑回填完毕后，由进水管115以50毫升每秒的速率往密封囊110中加水，让水不断地充入密封囊110中，并根据上出水管116和进水管115的高度形成一定水头高度，一方面加速水往沙土中浸润，一方面保持密封囊110中有一定的形貌，维持水土流失区域的力学边界条件。

S9，水土流失模拟，具体为：当密封囊110内充满水后，会由上出水管116不断流出密封囊110内的水，并由于密封囊110中的工业氯化钠的溶解，土骨架被不断地侵蚀，密封囊110中模拟材料内部孔隙增多，使上出水管116中持续带出部分土颗粒。

S10，局部脱空模拟，具体为：在此种状态下持续一段时间后，上出水管116中带出的土颗粒逐渐减少，流出的水逐渐清澈，表明此时已经形成稳定的水流通道，沙土已经逐渐液化；此时，打开阀门114，让水携带大部分混合物从下出水管117流出，形成局部脱空。局部脱空形成后，可持续由下出水管117流出带有土颗粒的水，模拟慢速持续沙土流失。

其中，不同配比下利用模拟材料进行加速水土流失实验结果如表1所示。

表1不同配比下利用模拟材料进行加速水土流失实验结果

综上，本发明所提供的加速模拟方法，能够确保模拟设置的有效性和真实性；保证了对水土流失过程模拟的完整性和模拟结果的可靠性；能够极大程度地缩短实际管道渗漏至引发脱空的全过程；并且可以适应各种需要模拟管道渗漏至脱空的场景；可推广至各种地下空间与地下工程的水土流失模拟。

此外，需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

Claims (5)

1.一种埋地管道渗漏引发水土流失的加速模拟方法，其特征在于，包括：

S1，根据拟模拟管道埋设位置处的土壤情况及所需加速水土流失至脱空的时间，确定模拟材料的组份以及模拟材料中的各组份的配比；

S2，按照确定好的组份和配比，配置模拟材料，并搅拌均匀；

S3，将配置好的模拟材料填充入密封囊中，并通过振动操作使模拟材料在密封囊中均匀分布；其中，所述密封囊设置有进水口、上出水口以及下出水口；

S4，基于拟模拟管道埋设位置处工程土壤的压实度，对密封囊内的模拟材料进行抽真空操作以提高其压实度，使模拟材料压实度和实际土层压实度一致；

S5，在密封囊内的模拟材料完成抽真空操作后，在密封囊的进水口连接进水管，上出水口连接上出水管，下出水口连接下出水管并在下出水管连接阀门；

S6，针对需要模拟管道渗漏位置处进行基坑开挖；

S7，在完成基坑开挖后，按照需模拟脱空位置放置密封囊，使密封囊紧贴管壁后，对开挖的基坑使用开挖原位土进行回填，在回填过程中，向地面引出所述上出水管、下出水管以及进水管；其中，引出后的进水管的水头高度高于上出水管的水头高度，下出水管位于密封囊一侧并保持与密封囊同一水平高度；

S8，关闭所述阀门，由所述进水口以需模拟渗漏的速率向所述密封囊注水，让水不断地充入所述密封囊中，并形成一定水头高度，模拟水分侵蚀沙土过程；

S9，利用充满水的密封囊进行水土流失模拟；

S10，利用充满水的密封囊进行局部脱空模拟；

所述模拟材料包括主料和辅料；其中，所述主料为拟模拟管道埋设位置处的原位土或性质相近土壤，所述土壤为工程用黏土或粉土；所述辅料为工业盐，所述工业盐为氯化钠或氯化钾，且所述工业盐包括工业粗盐和工业细盐；

所述模拟材料中，工业细盐的比例越高，水土流失至脱空的时间越短；

所述利用充满水的密封囊进行水土流失模拟，包括：

当所述密封囊内充满水后，过量的水由所述上出水口不断流出所述密封囊，并带有一定量的土颗粒，以此进行水土流失模拟；

所述利用充满水的密封囊进行局部脱空模拟，包括：

当水不断注入所述密封囊，所述上出水口流出水的沙土量不断减少至逐渐清澈，表明沙土被充分浸润，呈现一种液化状态；此时打开所述下出水口的阀门，在提前设置好所述进水口和所述下出水口之间高低水头压差的作用下，沙土大量流出，并形成脱空空间，以此进行局部脱空模拟；

在利用充满水的密封囊进行局部脱空模拟时，在需要模拟渗漏导致沙土流失位置处设置多个尺寸不一样的密封囊，来模拟多级别脱空。

2.如权利要求1所述的埋地管道渗漏引发水土流失的加速模拟方法，其特征在于，所述密封囊的形状为立方体型；所述密封囊的材料为橡胶或者硅胶；

所述密封囊内衬有纤维骨架结构，以提升其强度。

3.如权利要求1所述的埋地管道渗漏引发水土流失的加速模拟方法，其特征在于，在将配置好的模拟材料填充入密封囊中后，将填充好模拟材料的密封囊放置于振捣台再次振捣，以确保密封囊中的模拟材料分布均匀。

4.如权利要求1所述的埋地管道渗漏引发水土流失的加速模拟方法，其特征在于，在对密封囊内的模拟材料进行抽真空操作时，用管道按压在所述密封囊的表面，以让所述密封囊在抽真空后形成与管道形状相匹配的弧度。

5.如权利要求1所述的埋地管道渗漏引发水土流失的加速模拟方法，其特征在于，在向所述密封囊注水时，在所述密封囊中设置动水压力传感器，当动水压力数值达到峰值后，判断所述密封囊中的模拟材料已经被水润湿；

且在注水时，依据实验预期时间，调整注水速率，以加快或放缓实验速度。

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