淺析頂管穿堤管道對(duì)堤防滲透穩(wěn)定的影響

李艷東

淺析頂管穿堤管道對(duì)堤防滲透穩(wěn)定的影響

李艷東

隨著工業(yè)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口的不斷增加，生產(chǎn)、生活所需的供水量逐漸增加。從河道中取水的穿堤管道項(xiàng)目也越來(lái)越多，管道穿越可能對(duì)堤防安全造成一定的影響。因此，應(yīng)對(duì)管道穿堤影響進(jìn)行分析計(jì)算。結(jié)合近年來(lái)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以某產(chǎn)業(yè)園區(qū)自來(lái)水廠沙潁河取水工程為例，就穿堤管道對(duì)堤防造成的影響進(jìn)行深入地分析計(jì)算，為今后開(kāi)展相近工程的分析工作提供參考。

一、基本情況

1.項(xiàng)目基本情況

擬建用水自來(lái)水廠一座，從沙潁河河道內(nèi)取水，主要用于園區(qū)工業(yè)循環(huán)冷卻用水。取水量設(shè)計(jì)總規(guī)模為9.5萬(wàn)m3/d，按照5%水廠自用水考慮，設(shè)計(jì)最高日總?cè)∷繛?.98萬(wàn)m3/d，分兩期建設(shè)。一期工程設(shè)計(jì)取水量4.8萬(wàn)m3/d，最高日取水量5.04萬(wàn)m3/d。主要內(nèi)容包括取水工程、凈水廠工程以及配水管網(wǎng)工程。其中取水工程泵房設(shè)置在堤防背水側(cè)，引水管為2根DN1020×14-300m，采用頂管施工工藝水平穿越潁左堤，管道中心線于堤頂處埋深為14.82m。引水管穿越中心標(biāo)高為18.35～18.65m，引水管的長(zhǎng)度約300m。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，穿越高程處于迎水側(cè)第（4）層粉質(zhì)粘土夾粉土層的上部，背水側(cè)第（2）層粉質(zhì)粘土夾粉土層。防洪閘門距離堤防迎水側(cè)堤腳50m，取水泵站位于堤防背水側(cè)，距離堤腳60m。

2.河道堤防情況

擬建工程穿越處河段屬于蜿蜒型河道，兩岸灘地上現(xiàn)有生產(chǎn)圩防洪標(biāo)準(zhǔn)均低于潁河兩岸堤防，有人居住的生產(chǎn)圩防洪標(biāo)準(zhǔn)大多在10～20年一遇之間。目前，沙潁河近期治理工程和淮北大堤潁左堤加固工程已經(jīng)實(shí)施完成，沙潁河干流河道防洪標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到20年一遇，遠(yuǎn)期防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。

左岸灘地寬約190m，高程26.5～27.0m左右；潁左堤堤頂高程33.3m，迎水側(cè)邊坡1∶3，背水側(cè)高程30.0m設(shè)一2m寬平臺(tái)，平臺(tái)以上邊坡1∶3，以下1∶5?，F(xiàn)狀潁左堤堤頂設(shè)3m寬混凝土防汛道路，河道岸坡無(wú)護(hù)岸工程，堤防迎、背水坡均為草皮護(hù)坡。堤身填筑土料為粉質(zhì)壤土和砂壤土，堤防加固的土料為粉質(zhì)粘土和粉質(zhì)壤土。

3.水文情況

工程處20年一遇洪水位、50年一遇設(shè)計(jì)水位均根據(jù)潁上閘上、阜陽(yáng)閘下同頻率水位成果推算；20年一遇、50年一遇設(shè)計(jì)流量采用潁上閘上、阜陽(yáng)閘下之間同頻率設(shè)計(jì)流量。工程處20年一遇設(shè)計(jì)水位30.89m，流量 3760m3/s。50年一遇設(shè)計(jì)水位31.58m，流量 4490m3/s。

二、對(duì)堤防穩(wěn)定影響分析

1.物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，地基土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

2.滲透穩(wěn)定分析計(jì)算

（1）計(jì)算條件

正常期：20年一遇、50年一遇洪水位，背水側(cè)泵房進(jìn)水井內(nèi)無(wú)水的不利工況。

陡降期：由設(shè)計(jì)洪水位48h陡降2m，背水側(cè)泵房進(jìn)水井內(nèi)無(wú)水的不利工況。

（2）計(jì)算方法

依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）中有關(guān)滲流及滲透穩(wěn)定計(jì)算的規(guī)定，采用剖面滲流有限元法進(jìn)行計(jì)算。為了分析管道穿越對(duì)堤防滲透穩(wěn)定影響的大小，進(jìn)行管道穿越前后堤防滲透穩(wěn)定的比較分析。按照“假設(shè)管壁周圍上下1倍管徑即1.0m范圍土層被擾動(dòng)，滲透系數(shù)高于原狀土系數(shù)兩個(gè)數(shù)量級(jí)”的情況進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析。

表1 地基土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

表2 堤防滲透穩(wěn)定計(jì)算成果表

1）非穩(wěn)定滲流的基本方程

所謂非穩(wěn)定滲流場(chǎng)系指其基本表征量隨時(shí)間變化而變化的滲流情況，即

考慮壓縮性的非均質(zhì)各向異性非穩(wěn)定滲流微分方程式為:

式中：h=h（x，y，z，t）為待求水頭函數(shù)；kx，ky，kz為以 x，y，z 軸為主方向的滲透系數(shù)；Ss為單位貯水量或貯存率。對(duì)均質(zhì)各向同性材料式（2）變?yōu)?

非穩(wěn)定滲流有限元方程的矩陣形式為:

式中：[K]為總體滲透系數(shù)矩陣；{h}為各結(jié)點(diǎn)水頭向量；[S]為壓縮土體內(nèi)部單元貯水系數(shù)矩陣；h*為自由面上的結(jié)點(diǎn)水頭，為流量補(bǔ)給和自由面單元的流量變化項(xiàng)；{F}為己知常數(shù)項(xiàng)，由已知結(jié)點(diǎn)水頭確定。

2）非穩(wěn)定滲流基本方程的定解條件

非穩(wěn)定滲流基本方程的定解條件包括初始條件和邊界條件:

邊界條件：

3.計(jì)算結(jié)果及分析

按計(jì)算條件所選定工況、參數(shù)和計(jì)算方法所確定的計(jì)算理論，對(duì)潁左堤進(jìn)行滲透穩(wěn)定分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

計(jì)算結(jié)果表明，工程建成后，管道穿越對(duì)于潁左堤背水側(cè)堤腳最大滲流坡降均能滿足出口處所在土層允許水力坡降，不會(huì)造成堤基的滲透破壞。

三、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)不同運(yùn)用工況下堤防滲透穩(wěn)定的計(jì)算分析結(jié)果，表明項(xiàng)目建設(shè)后堤防滲透仍是安全的。頂管施工穿越堤防雖然具有不開(kāi)挖地面、不破壞地層結(jié)構(gòu)、不損壞河堤、不擾動(dòng)河床、對(duì)堤防工程影響較小的特點(diǎn)，但在施工過(guò)程中總是無(wú)法避免會(huì)對(duì)管道周邊的原土體產(chǎn)生擾動(dòng)，影響原土體的密實(shí)度，使管道周圍土體的滲透系數(shù)增大，不同的地質(zhì)情況可能會(huì)沿管道周邊形成一條滲流通道，對(duì)堤防的穩(wěn)定安全不利。因此，在施工過(guò)程中仍需采取必要的防治與補(bǔ)救措施■

（作者單位：安徽省淮河河道管理局233000）