在多物理场耦合载荷作用下，埋设水管道对寒波的时变力学响应

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Time-dependent mechanical response of buried water pipelines to cold waves under coupled multiphysics loading

耦合寒潮、地下水波动与交通载荷的埋地供水管道多场耦合响应分析及关键参数识别。

　　

Olawale Ayinde|费王|胡群芳|车德路|季红艳|安冠峰

同济大学土木工程学院，上海200092，中国

摘要

城市供水管道是关键基础设施，其在复合载荷条件下的失效——尤其是在寒冷波等环境灾害期间——会严重扰乱供水系统。然而，这些管道对时变多物理场耦合（包括极端寒冷波温度）的机械响应仍知之甚少。为了解决这一问题，本研究在ABAQUS中开发了一个三维（3D）有限元（FE）模型，并通过现场监测数据进行了验证。该模型模拟了埋地管道在土压力、动态交通荷载、地下水波动、土-管相互作用以及寒冷波引起的热载荷共同作用下的瞬态响应，发现应力存在64%的对抗性耦合，在瞬态阶段还出现了局部协同放大现象。针对关键因素（地下水波动周期、交通荷载、土壤弹性模量、孔隙比、土壤渗透性和土-管摩擦系数）进行了全面的参数化和逐因素敏感性分析。结果表明，热应力、地下水变化和交通荷载的相互作用显著影响了管道的应力和位移，增加了结构失效的风险。敏感性分析表明，土壤弹性模量（E）和渗透性（k）是主要的影响因素。本研究为提高城市供水管道在综合运行和环境载荷条件下的韧性和安全性提供了重要见解。

引言

埋地供水管道是关键基础设施组成部分，构成了可靠的城市供水系统（Barton等人，2019年）。这些结构在复杂且苛刻的条件下运行，持续受到土压力、交通振动、地下水流动产生的水力作用以及内部压力的影响，同时还受到环境因素的胁迫（图1）（Huang等人，2022年；Mertz等人，2025年）。这些应力因素，加上腐蚀和老化等内部退化过程，大大增加了管道失效的风险。气候变化加剧了极端环境因素的频率和强度，对关键城市基础设施的韧性提出了挑战（Liu等人，2022年；Mishra和Sadhu，2023年）。其中，寒冷波（其特征是空气温度迅速且剧烈下降）构成了特别严重的威胁（Hu等人，2024b年；Li等人，2022a年）。这些事件触发了多种物理过程，包括土壤收缩、冻胀和材料脆化，这些过程与现有的运行载荷同时发生。当这些热机械瞬态效应叠加在埋地管道的复杂载荷环境中时，会产生尚未充分理解的耦合多物理场相互作用，可能导致灾难性失效。

一些研究人员研究了埋地管道在复杂和动态交通载荷下的机械行为。这些研究一致表明，移动车辆会在管道中产生动态应力、垂直弯曲力矩和局部变形，主要影响因素包括车辆质量、速度、埋设深度、管道直径和土壤性质。Zhang等人（2022年）采用了一种结合现场实验和数值分析的方法来研究埋地X65钢管道对动态交通载荷的响应。他们的发现证实，交通载荷会导致车轮路径下方的管道发生垂直弯曲和局部变形；然而，该研究没有考虑其他运行和环境因素的耦合效应。He等人（2024年）利用自行开发的动态应力测试系统评估了车辆位置、载荷和内部压力对管道响应的影响。他们确定车辆载荷是影响峰值应力的最重要因素，该应力始终出现在管道的顶部。尽管如此，该研究并未分析相关的管道位移，而位移对于评估管道的适用性和失效风险至关重要。Zhang等人（2023年）通过数值模拟研究了管道直径和埋设深度对埋地X80管道的影响。他们得出结论，增加这两个参数可以有效减轻交通载荷引起的应力，其中车辆质量是控制管道应力和应变水平的主要因素。Xu等人（2022年）开发了一个数值模型来模拟大直径管道在不同移动载荷和位置下的响应。他们的结果表明，随着载荷幅度的增加或其位置靠近管道，最大应力从管道底部转移到顶部。尽管这些研究提供了有价值的见解，但一个共同的局限性是它们仅关注交通载荷的影响。动态交通载荷与其他关键耦合场之间的相互作用仍不甚明了，这在预测实际管道行为方面存在显著差距。

埋地管道与地下水流动之间的相互作用给其机械响应带来了复杂性，影响了应力分布、位移以及土壤塌陷的敏感性，尤其是在地下水波动或泄漏的情况下。这种行为受到管道、周围土壤、地下水位和外部载荷之间耦合相互作用的控制（Li等人，2020b年）。Guo等人（2024年）使用自定义的破裂-塌陷模型测试装置实验研究了管道泄漏引起的土壤塌陷机制。他们的发现表明，地下水渗漏是塌陷的主要诱因，塌陷腔的深度显著影响了管道本身的应力演变。考虑到耦合相互作用，Li等人（2020年）对埋地管道在交通载荷和地下水波动共同作用下的动态FE分析表明，饱和度可以降低管道钟部的应力浓度，相比干燥土壤条件更为明显。同样，Ma等人（2024年）分析了在复杂服务载荷下的管道，得出结论：地下水位上升可以使最大管道应力降低8.3%，同时使垂直位移增加154%。Yu等人（2024a年）也发现，将地下水位从管道底部提升到顶部可以将最大应力降低17.6%（从1.19 MPa降至0.98 MPa），但使垂直位移增加80.5%。虽然这些研究提供了一些关于水力-机械耦合的宝贵见解，但一个关键局限性在于它们主要研究地下水与机械载荷（例如交通载荷）的相互作用，而没有考虑极端气候事件引起的热载荷。快速下降的地下水位引起的不稳定渗流力的影响也常常被忽视。

极低温度会在埋地管道中引发复杂行为，严重威胁其结构完整性和运行安全性（Hu等人，2024a年）。主要风险是管道材料的韧性向脆性的转变，特别是在动态载荷或内部压力波动下，这显著增加了突然灾难性断裂的敏感性。这种情况还伴随着热收缩，会产生拉力并促进地面移动（Rajani等人，2012年）。实证证据表明，寒冷天气与故障率增加有关（Rajani等人，2012年；Wols等人，2019年；Wols和Thienen，2016年；Yamijala等人，2009年）。对挪威超过25,000起事故的广泛故障数据库分析（Bruaset和S?grov，2018年）表明，随着温度下降，故障率急剧上升，像灰铸铁这样的小型脆性材料最为脆弱。这一趋势在多个地理背景下得到证实，从荷兰（Wols等人，2019年）到波兰（Pietrucha-Urbanik，2015年），Rajani等人（2012年）指出铸铁管道的临界风险阈值低于3°C。在机制层面，研究证实低温会直接降低材料性能，增加脆化风险。Khajedezfouli等人（2020年）证明了在低温下管道环焊缝的断裂韧性显著降低，而Fassina等人（2012年）发现，在氢气和H₂S存在的情况下，这些条件进一步加剧了脆性断裂的敏感性。除了材料脆化之外，热载荷本身也会产生显著应力。Huang等人（2020年）建立了空气温度下降与冻胀期间管道峰值应力之间的线性关系，而Li等人（2024年）量化了40°C的温度差异可以加速材料退化，使使用寿命缩短多达14%。

虽然以往的研究考察了单独或最多双场载荷对埋地管道的影响，但在极端条件下耦合热-水力-机械（THM）相互作用的非线性本质仍不甚明了。常见的工程实践依赖于单个场效应的简单叠加，本质上假设了线性叠加行为。然而，完全耦合的THM过程涉及复杂的非线性相互作用——包括接触条件变化、有效应力重新分布、相变和时间干扰——这些都会从根本上改变系统响应（Dayarathne等人，2023年；Yu等人，2024a年；Zhang等人，2024年）。对于处于寒冷波载荷下的管道，这些相互作用可能会产生对抗性效应（降低综合响应）或协同放大效应（超过叠加预测），其空间和时间变化是解耦分析无法捕捉的。目前存在一个关键差距，因为现有研究主要集中在单一或双场情景上，从而忽略了瞬态热冲击与持续机械和水力载荷相互叠加的复杂多物理场现实。

为了解决这一差距，本研究采用了一个经过验证的、完全耦合的THM有限元模型来研究在寒冷波、地下水和交通载荷共同作用下的埋地供水管道。我们的综合方法结合了现场监测数据和先进的数值建模，采用三阶段方法：（1）根据中国东部一个城市网络的测量温度数据开发和验证3D FE模型；（2）分析整个寒冷波期间冯·米塞斯应力和垂直位移的时变演变；（3）进行参数敏感性分析，以量化关键因素（包括土壤性质、界面摩擦、地下水波动周期和交通压力）的影响。该研究明确量化了非线性相互作用效应，提供了对管道脆弱性的经过验证的、现实的评估，并为气候适应性强的水基础设施的预测性维护策略提供了信息。

章节摘录

寒冷波

寒冷波是一种大规模的、快速发生的气象事件，其特征是极冷空气的入侵，导致温度在多天内显著且持续地降至临界阈值以下，需要加强社会保护（WMO，2023年）。与传统的季节性冬季低温不同，寒冷波强调时间尺度和强度的差异（Hu等人，2025年）。根据这一定义，空气温度数据

有限元建模

有限元分析软件ABAQUS因其先进的功能和全面的本构模型库而被广泛用于研究埋地供水管道的时变响应，这使其比其他计算工具具有显著优势。ABAQUS还提供了强大的数值稳定性和多功能特性，适用于非线性材料建模、土-管相互作用以及耦合孔隙压力-温度-位移分析。在本研究中，使用了3D

土-管道热响应

图10展示了寒冷波事件期间土壤和管道截面内温度分布的演变，温度范围从峰值13.1°C降至最低-6.23°C。等高线图清楚地显示了冷锋随时间的逐渐向下渗透。在96小时时（图10a），冷却效应仍然较浅，主要局限于土壤表面附近，对管道区域的影响很小，这与之前的观察结果一致（例如，Hu等人）

结论

本研究使用开发和验证的3D数值模型，研究了埋地运行中供水管道在寒冷波事件期间对复合多物理场载荷的时变机械响应。首先通过成功模拟土壤-管道温度场与现场监测数据进行了模型验证。随后，采用热-机械模型分析了管道在多物理场载荷下的机械行为。进行了全面的参数分析

CRediT作者贡献声明

Olawale Ayinde：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，验证，软件使用，形式分析，数据管理，概念化。Fei Wang：可视化，资源获取，项目管理，概念化。Qunfang Hu：撰写——审稿与编辑，项目管理，概念化。Delu Che：资源获取，数据管理。Hongyan Ji：资源获取，项目管理。Guanfeng An：资源获取，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢国家重点研发计划（项目编号：2022YFC3801000）的财政支持。