地下管道漏损对周围土体侵蚀影响研究

摘要

城市给排水管网的漏损、爆管引发供水中断、地表塌陷等问题，一系列的事故影响居民的生产生活。管道漏损口的水流侵蚀周围土体，形成侵蚀坑，爆管的突然发生、路面的塌陷与此有着很大的关系。土体的存在也会对管道漏损流量产生影响，漏损计算常用的孔口公式并未考虑管道周围土体的影响。
　　本文实验研究了漏损口周围土体侵蚀发展过程，推导了考虑土体影响的三维漏损计算公式并进行了实验验证。本文首先对管道漏损引发的路面塌陷问题进行分析并对土体侵蚀发展规律和管道漏损计算进行总结，得出研究漏损口周围土体侵蚀和推导漏损量计算公式的必要性。通过对漏损口周围水土相互作用基本理论进行了介绍，总结分析管道漏损侵蚀实验以及土体对漏损量影响的研究进展，为接下来的实验提供借鉴和参考。本文接着实验研究了漏损口向上时土体的侵蚀变化过程。通过实验发现随着漏损流量的逐渐增加，土体侵蚀过程可以明显地分为三个阶段。当流量达到完全流化临界流量时，土体破坏范围成倒圆锥体，并通过临界雷诺数推导得到侵蚀孔洞始现临界流量，基于点源模型推导了完全流化临界流量计算公式。再次，本文实验研究了漏损口向下时土体侵蚀变化的过程，与漏损口向上侵蚀产生的破坏形式不同，当达到临界流量时，土体流化区域为圆柱形，并通过量纲分析得到侵蚀坑尺寸经验公式，推导得到的完全临界流量公式与实验值吻合较好。本文还通过实验研究了考虑管道影响的漏损口向下土体侵蚀过程，实验发现管道的存在使得下部侵蚀坑的宽度和深度变大，基于量纲分析拟合得到考虑管道影响的侵蚀坑计算公式。实验发现随着管径的增大，完全流化临界流量反而减小。本文最后推导了考虑土体影响的三维漏损量计算公式，并通过实验进行验证，实验结果符合模型的计算结果。
　　本次研究主要针对土体条件为无粘性砂性土，并没有考虑粘性土体的侵蚀冲刷情况。后续可以考虑土壤颗粒粘聚力对土体侵蚀的影响。

目录

声明

致谢

摘要

1．绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．3 研究目的

1．4 研究内容

2．漏损口水土相互作用及关键问题

2．1 引言

2．2 漏损口土体流化概念

2．2．1 孔口水力学

2．2．2 土层中的渗流

2．3 漏损口土体侵蚀实验

2．4 土体对漏损流量影响研究

2．5 本章小结

3．漏损口向上土体侵蚀实验研究

3．1 引言

3．2 实验目的

3．3 实验装置和材料

3．4 实验步骤

3．5 实验结果和讨论

3．5．1 内部侵蚀过程

3．5．2 完全流化临界流量推导

3．6 本章小结

4．漏损口向下土体侵蚀实验研究

4．1 引言

4．2 实验装置与材料

4．3 实验步骤

4．4 实验结果与讨论

4．4．1 内部侵蚀过程

4．4．2 砂层高度对土体侵蚀的影响

4．4．3 颗粒粒径对土体侵蚀的影响

4．4．4 侵蚀坑的尺寸大小

4．4．5 完全流化临界流量

4．5 本章小结

5．考虑管道影响的土体侵蚀实验研究

5．1 引言

5．2 实验装置与材料

5．3 实验步骤

5．4 实验结果与讨论

5．4．1 内部侵蚀过程

5．4．2 管道对土体侵蚀影响

5．4．3 侵蚀坑计算公式拟合

5．5 本章小结

6．考虑土体影响的三维漏损计算

6．1 引言

6．2 渗漏模型建立

6．2．1 假设条件

6．2．2 模型方法

6．3 实验装置和材料

6．3．1 实验装置和方法

6．3．2 实验程序

6．4 实验结果验证

6．4．1 孔口漏损系数

6．4．2 渗漏计算方法验证

6．5 参数分析

6．5．1 土体渗透系数影响

6．5．2 管道管径影响

6．5．3 漏损口大小的影响

6．6 本章小结

7．结论与展望

7．1 主要结论

7．2 研究展望

参考文献

附录

作者简历