Water supply pipe leakage; water-sand jet; perforation; sand erosion; urban infrastructure safety

    城市地下管网是维系现代都市运行的主动脉与神经网。然而，在密集、交错的地下空间中，各类管线并非独立存在，单一管线的失效常会引发跨系统的连锁反应，形成复杂的耦合灾害。其中，给水管道的长期压力渗漏，不再仅仅是水资源流失问题，而已演变为威胁邻近燃气管线安全、甚至引发灾难性爆燃事故的重大风险源。这一风险的核心是一种被称为“砂侵蚀（Sand Erosion）”的现象。

    日本在水道工程与灾害防治领域有着深入的研究积淀。在相关文献^[1]中明确指出，地埋给水管道因接口老化、腐蚀或外力导致的持续性漏水，会形成高速水流，不断冲刷并裹挟管道周围回填土及地基土中的细小颗粒。这一过程导致土体骨架破坏、承载力丧失，形成具有流动性的水砂混合物。当这种侵蚀作用发生在与燃气管道紧邻的空间时，高速含砂水流便成为破坏燃气管道的直接机械力。这是一种“水砂射流冲蚀”现象，也是一种超越单纯腐蚀或外力破坏的、更为隐蔽和剧烈的管道失效模式。

    当前，我国针对地下各类管道事故频发的现状，正以前所未有的力度推进城市地下老旧管网更新改造。在此背景下，深入研究给水渗漏引发的砂侵蚀对燃气管道的穿孔破坏机理，并提出系统性的防治对策，对于精准投入资金、有效提升城市安全水平具有紧迫的现实意义。

    给水管道渗漏引发邻近燃气管道穿孔乃至爆燃，是一个多阶段、多物理场耦合的渐进式失效过程。

1.1 第一阶段：压力渗漏与水砂射流形成

    事故链的起点是给水管道因材料疲劳、焊接缺陷、腐蚀穿孔或第三方施工破坏等原因，出现持续性、尤其是具有一定压力的渗漏点。泄漏的水体并非静止扩散，而是在管道内压驱动下形成高速射流，如图1所示^[2]。这股射流持续作用于周边回填土，根据土壤颗粒级配的不同，细颗粒（粉土、细砂）首先被剥离、悬浮并随水流迁移。这一过程会逐步在漏水点前方形成空洞，并在燃气管沟方向形成一条富含砂粒的高速两相流（水-砂）通道，即“砂侵蚀”通道。

图1 给水管渗漏形成的高速射流

1.2 第二阶段：管壁的机械冲蚀与磨损减薄

    当含砂射流直接冲击或冲刷邻近燃气管道的表面时，便进入了直接的机械破坏阶段。国内实验研究表明，水砂射流对金属管壁的冲蚀是一个复杂的微切削与疲劳破坏过程^[3]：

    (1)微观切削：水中携带的砂粒（主要成分为石英，莫氏硬度高）以一定角度和速度撞击管壁，如同持续的“微切削”，直接剥离金属材料。

    (2)疲劳剥离：射流的脉动压力与砂粒的反复撞击，在管壁材料表层及次表层诱发循环应力，导致材料发生塑性变形和疲劳微裂纹。这些裂纹扩展、连接，最终导致材料成片状剥离。

    (3)关键影响因素：砂侵蚀破坏速率与水流速度、砂粒浓度及硬度有关，并与给水管和燃气管之间的间距有关。这意味着，管道间距与冲蚀风险有关。

1.3 第三阶段：电化学腐蚀的急剧协同与加速

    “砂侵蚀”环境对燃气管道的危害远不止于机械磨损。它创造了一个极度有利于电化学腐蚀发生的环境，并与机械冲蚀产生“1+1＞2”的协同破坏效应：

    (1)稳定电解液：饱和的水砂混合物提供了优良的离子导电环境，使腐蚀电池反应得以高效进行。

    (2)防腐层破坏：高速砂粒的持续冲击会严重破坏管道外防腐层，造成涂层剥离、破损，使钢质基体直接暴露。

    (3)协同效应：机械冲蚀不断磨去管道表面生成的腐蚀产物膜（这层膜通常能减缓腐蚀），使新鲜的、高活性的金属表面持续暴露于腐蚀介质中。同时，冲蚀造成的粗糙表面和微坑，增加了腐蚀反应的真实表面积。这种“磨损-腐蚀协同效应”能使管壁的失效速率比单纯腐蚀或单纯磨损快一个数量级，是导致管道在短期内发生局部穿孔而非均匀减薄的核心原因。

1.4 第四阶段：穿孔泄漏与气体聚集爆炸

    在上述协同作用下，燃气管壁在局部热点（如射流直接冲击点、防腐层破损点）的壁厚会加速减薄直至形成穿孔，燃气以射流或喷射形式泄漏。若泄漏点位于排水管涵、阀井、建筑基础沟槽、综合管廊舱室等通风受限的密闭或半密闭空间，比空气轻的天然气会首先在顶部聚集，逐渐形成达到爆炸极限（5%-15%）的云团。此时，任何意外的点火源（如电气火花、静电、明火作业）都将触发剧烈的气体爆炸，释放巨大能量。图2为日本横滨市某燃气管道受到水砂射流后的破损情况^[1]。

图2 水砂射流形成的燃气管破损

    为分析研究水砂射流引发穿孔的影响因素，日本东京都立大学、横滨国立大学和横滨市水道局团队基于相关事故产生的机理推测，对渗漏形成的水砂射流引发邻近燃气管穿孔的现象进行了实验与分析。

2.1 水砂射流实验^[1]

    (1)实验过程：“水砂射流穿孔”发生的机制通过图3所示的实验装置进行揭示。通过使用山砂进行再现实验，观察土粒流动状态及燃气管的磨损情况，揭示其发生的机制。此外，在影响因素的揭示方面，将研究管道之间的相邻距离，以及漏水射流孔的大小、水压和土质的影响情况。

    (2)实验方法：实验装置的构成如图3，装置的外观如图4所示。在长宽高各1.0m的实验槽中安装了与燃气管相同材质的实验用钢管，并在底部安装如图5所示的喷嘴进行漏水喷射的实验。为了调查实验中砂侵蚀的影响范围，采用相同材质的钢管实施表面涂层，管径为φ100mm。漏水发生位置与实验钢管的距离通过改变喷嘴的安装高度来调整，同时漏水孔的大小则通过改变喷嘴直径来决定。

    此外，在实验槽的侧面安装了亚克力板窗，以便观察砂土的流动情况。值得注意的是，喷嘴直径的大小考虑到漏水发生的不同阶段，采用了φ2.5mm、φ5mm和φ10mm三种类型。其他实验设备则由增压泵、压力表、流量计等组成。

图3 水砂射流穿孔实验装置

图4 实验装置外观图

图5 实验用喷嘴图

    (3)实验步骤：根据以下步骤进行实验。

    ① 将实验钢管固定在实验槽内，投入山砂或石英砂以再现埋设状态。

    ② 从消防栓供水，通过安装在实验槽底部的喷嘴向实验钢管喷射高压水。

    ③ 实验槽内保持满水状态，溢出的水经过沉淀槽排出。

    ④ 实验时间结束后，取出钢管，检查损坏状态。

    ⑤ 按相同流程调整实验参数，重复开展测试。

    (4)实验内容：实验进行了表1所示的三种类型，实验中使用的山砂和石英砂的粒度分布见表2。

表1 实验条件

表2 山砂和石英砂的粒度分布

    ① 实验1

    在再现事故现场的条件下进行实验，并利用结果揭示基本机制。投入砂土种类为山砂，水压为0.42MPa。为了研究其影响，隔离距离进行了7种从25mm到400mm的试验，喷嘴直径为3种，喷射时间为5种，共进行了44次实验。

    ② 实验2

    改变埋设砂土的粒径以调查土质的影响差异。投入颗粒较大的石英砂，水压为0.42MPa。不同的条件组合共进行3次实验。

    ③ 实验3

    改变水压以调查水压的影响差异。投入的砂土种类为山砂，水压为0.6MPa。不同的条件组合共进行3次实验。

2.2 钢管的磨损状况

    根据不同的实验条件，水砂射流对钢管产生的影响各不相同。当水压，距离以及山砂粒度等各方面的条件吻合时，喷射的水流会对钢管产生严重损伤，造成穿孔的结果。

    在喷嘴直径φ5mm，钢管与喷嘴的间隔距离50mm，水压0.42MPa，喷射时间72小时的情况下，从喷嘴喷出的水流不断卷起砂粒，与钢管发生稳定性冲击，起初钢管的表面出现涂层剥离，随后表面开始受损，到最后钢管表面因水砂射流产生了类似机械加工的孔洞。具体的损伤过程如图6所示。

图6 水砂射流穿孔示意

    对上述各种条件组合的实验结果进行分析和总结，结论如下。

    (1)因给水管漏水导致喷射的水流卷起砂粒并与邻近管道持续碰撞，造成钢管磨损而出现“水砂射流穿孔”现象。

    (2)给水管与邻近管道间距越小，管道穿孔事故的危险度越高。特别是当间距小于100mm时，短时间内将发生较大磨损，穿孔危险度高；而间距超过300mm时，磨损几乎不发生，穿孔危险度低。

    (3)漏水早期阶段，漏水孔越小，邻近管道磨损量越大，穿孔危险度越高。

    (4)埋土颗粒粗度越大，穿孔危险度越高。

    基于以上情况，若给水管与其他种类管道相邻，要防止“水砂射流穿孔”事故，需采用山砂或粒度小于山砂的细粒土进行埋填，并确保管道之间的间隔距离在300mm以上。

    (1)推行基于风险的动态间距标准：在新建或改造区域，强制进行给水与燃气并行管段的风险评估。根据管径、压力、土质条件，运用水砂射流冲蚀模型进行量化计算，确定科学的、非经验性的最小安全间距，并在设计图纸和施工验收中严格审查。

    (2)强制应用物理隔离技术：在高密度管线区、交叉穿越点，必须设置防渗、抗冲刷的物理隔离屏障，如混凝土套管、高密度聚乙烯隔板等，从根本上阻断射流路径。

    (3)优选材料与工艺：新建燃气管线优先采用耐磨损耐腐蚀的管材。对必须使用的钢质管道，应采用加强防腐措施并确保阴极保护系统有效。给水管道更新应选用球墨铸铁管、优质PE管等泄漏率更低的管材。回填土必须使用级配良好、抗冲刷的砂砾材料，并严格分层压实。

3.2 构建智能感知与预测性维护体系

    (1)部署“土壤﹣管道”一体化监测网络：在重点路段，除压力、流量监控外，增布分布式光纤声学传感器用于捕捉泄漏声波；安装土壤湿度、孔隙水压力传感器，实时感知“砂侵蚀”发生的前兆﹣土壤含水率的异常升高和土压力变化。

    (2)建设管网数字孪生与风险预警平台^[4]：整合GIS、BIM、实时监测数据，构建高精度地下管网数字孪生系统。嵌入水砂运移模型和管道冲蚀﹣腐蚀耦合失效算法，实现对高风险管段失效概率的实时动态评估与超前预警，变“被动抢险”为“主动防控”。

    (3)实施精准化内检测与状态评估：对运行超过15年的老旧管线、间距不足的并行管段，定期采用高清漏磁检测、超声导波、脉冲涡流等先进内检测技术，精准量化管壁剩余厚度，识别局部坑蚀和微裂纹，为风险分级与更换决策提供直接依据。

3.3 完善系统化应急管理与协同治理机制

    (1)制定“涉水泄漏”专项应急预案：建立水务与燃气部门的应急联动机制。当供水管网发生较大泄漏时，自动触发对邻近燃气管线的加强巡查与压力监测程序。明确联动处置流程，包括信息通报、联合勘察、风险评估、预防控停等环节。   

    (2)压实全生命周期主体责任与监管责任：通过立法明确管线规划、设计、施工、运维、废弃各环节主体的安全责任终身制。对违规缩短间距、巡检造假、隐瞒隐患等行为，依法实施行业禁入和刑事追责。提升监管的穿透力，利用信息化手段对企业的日常巡线、检测数据进行在线抽查。

    给水管渗漏引发的砂侵蚀，是导致邻近燃气管穿孔爆燃的一种具有高度隐蔽性和破坏性的耦合灾害模式。其核心破坏力来源于水砂射流的机械冲蚀与电化学腐蚀的强烈协同效应，这要求我们的安全认知必须从单一管线、单一失效模式，升级到多管线相互作用、多物理场耦合的系统性风险层面。

    为明确因“水砂射流”导致燃气管道穿孔事故的责任归属，原则上应以管道的后期施工方作为主要责任主体。因此，在管道规划与施工阶段，必须对新建管道周边既有埋设物进行全面勘查，并确保管线间保持足够的安全间距，以避免在突发事故中承担不必要的责任。

    本文融合日本 “砂侵蚀”防治的精细化思路与国内定量化研究成果，构建了从“压力渗漏”到“穿孔爆燃”的完整事故链模型。这为当前国家投入巨资开展的城市地下管网更新改造工作提供了一定的技术依据。同时，需构建智能感知与预测性维护体系，从根本上化解“看不见的地下风险”，筑牢超大特大城市安全运行的基石。