近年来城市地面塌陷事故频繁发生,在造成巨大财产损失的同时,对人们的生命安全产生巨大威胁。通过对造成地面塌陷事故的成因进行调查分析发现,在众多造成地面塌陷的原因中,水力管线破损是造成地面塌陷的主要原因。水力管线破损渗漏,致使周边土体含水量增加、水位升高改变土体和水力条件,侵蚀周边土体形成地下隐伏空洞,随着地下空洞的不断发育,最终造成地面塌陷或更大隐伏区域危害公共安全。因此对水力管线破损渗漏引起的地面塌陷机理进行研究,对保护人们的生命财产安全具有重要意义。针对目前推行的“雨污分流”的排水模式,在雨污管线同时破损条件下,污水管线作为水力管线提供水力条件,雨水管线作为排砂通道,研究复杂水力条件地面塌陷事故,并基于大量调研案例,研发了一套双管线水力致塌模型试验系统,试验系统由试验模型箱、量测系统、数据采集系统、加压进水系统等组成,可同时模拟管线破损后水体外渗与内渗复杂水力条件对侵蚀发展的影响。模型试验箱采用半结构模型,由进水管与排砂管组成,通过进水管模拟水力管线提供动水条件,由出砂管模拟无压破损管线提供出砂通道,模拟管线破损诱发的地面塌陷事故。通过理论分析、室内模型试验相结合的方法,研究水力管线内水体流速与侵蚀发展的关系以及不同影响因素对侵蚀发展状态的影响。具体研究内容如下:(1)针对水力管线破损后,水体渗漏使土体达到流砂状态沿其他破损管线发生渗流侵蚀的问题,通过建立临界静水压力平衡条件,推导了在土体开始发生流失时,水力管线内水体流动的临界流速。(2)针对土体流失后形成地下空洞,仍能维持稳定的现象,引入基质吸力的作用,研究非饱和土体通过毛细作用浸润后的土拱效应对土体支撑的作用,推导了水力管线内水体流速与形成的非饱和土拱极限承载力。(3)针对水力管线破损后对土体的冲蚀破坏问题,对单颗粒进行受力分析,推导得到在管线不同破损位置时,可动细颗粒的初始流动速度,得到可动颗粒初始流动速度范围。(4)通过室内模型试验,研究在不同砂土参数、不同水力条件、不同管线相对位置条件下,水力管线破损侵蚀土体发展过程、砂土流失量、水力管线渗水量、以及最终侵蚀发展状态,并引入非饱和土极限平衡理论,得到不同条件下侵蚀发展规律,验证理论分析。通过理论分析与室内模型试验结果表明:水力管线破损后,导致水体外渗使土体达到“流砂”状态,沿其他通道发生流失,在发生流砂后初始状态下,由于土体基质吸力和黏聚力的作用产生土拱效应仍能保持稳定。随着砂土流失量的不断增加,地下空洞范围不断扩大,使土拱极限压力无法承受自身以及上部荷载最终发生塌陷。增大砂土密实度和砂土中粗颗粒含量可以有效减小塌陷口大小,但更易形成隐伏地下空洞,仍具有较大威胁。在水力管线内水体流速较小时,侵蚀速度缓慢且达到一定水位后水土沿其他破损管线流失形成隐伏空洞,在水力管线管内流速较快时,侵蚀发展较快,虽然形成较小塌陷区域,但塌陷速度较快。同时改变管线相对位置能够有效抑制空洞发展形态。