河道停車平臺(tái)建設(shè)對(duì)河底管道影響分析

杜 衛(wèi)

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，江西 南昌 330000)

中國(guó)在不斷地發(fā)展，經(jīng)濟(jì)及科技水平也在逐步地提高，隨之城市的建設(shè)工程也在與時(shí)俱進(jìn)。我國(guó)城市化的演進(jìn)，人口密度的提高，使得城市中的人均占有面積越來越少。地面空間存在著的局限性，致使很多的工程向多維空間擴(kuò)展。目前，城市中首先擴(kuò)展使用的是地下空間，除了地下空間的利用，目前也有很多城市開始考慮河道空間的利用。天然的河道，作為貫穿城市中的紐帶，不但給城市帶來了勃勃生機(jī)，更多地滿足了城市化的供水排水需求。如今，城市的河道底部大多布置了排水供水管網(wǎng)，若建設(shè)相關(guān)的臨河構(gòu)筑物勢(shì)必會(huì)對(duì)河底已存的結(jié)構(gòu)物造成一定影響。近些年來，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者針對(duì)臨河構(gòu)筑物對(duì)河底管網(wǎng)的影響這一課題開展了大量的調(diào)研和分析，通過研究探討以及論證后期建設(shè)工程所帶來影響的大小與具體的工程結(jié)構(gòu)構(gòu)造、受力特征、空間布局等因素有密切關(guān)系。因此，面對(duì)現(xiàn)今的狀況，相關(guān)工作者應(yīng)加強(qiáng)重視，對(duì)相關(guān)的工程項(xiàng)目進(jìn)行探討研究。

1 相關(guān)背景

1.1 河底管道鋪設(shè)

近年來，大多城市已埋設(shè)河底管道、箱涵，并將河底管道的引水、供水工程作為城市供飲水的首選方式。在河道工程中，如跨河管道建設(shè)、污水排入排水管鋪設(shè)、長(zhǎng)距離河底或海底管道架設(shè)等，在建設(shè)的過程中，工程項(xiàng)目應(yīng)根據(jù)過水管道的總長(zhǎng)度、所處河流的深度、所在河流的流速、河底土質(zhì)、河道目前通航要求、管道使用壽命等因素，選擇經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的施工方法。根據(jù)查閱資料調(diào)查目前最為常用的兩種方法，一種是圍堰法，另一種是水下鋪管法。進(jìn)一步綜合評(píng)估經(jīng)濟(jì)成本，當(dāng)水深較小、水流較緩、通航較少、建設(shè)材料可以就地取材時(shí)，工程一般將會(huì)采用筑堰法；但是，當(dāng)上述條件并不能夠滿足的情況下，工程宜采用水下鋪管法?，F(xiàn)今常用的兩種鋪設(shè)水下管道的方法：①鋪設(shè)在水底河床上；②埋設(shè)在水底溝槽內(nèi)。具體的有缺點(diǎn)以及適用條件見表1。

表1 兩種水下管道鋪設(shè)方法對(duì)比表

1.2 河道工程

近幾年，我國(guó)對(duì)水利工程的生態(tài)問題十分重視，河道作為城市中的自然景色，一方面對(duì)于供水的需求，城市已經(jīng)人為對(duì)河道底部進(jìn)行改造以期更好的為城市的生活服務(wù)；另一方面，環(huán)境等方面的專家致力于讓城市中的河道能夠進(jìn)一步起到維持生態(tài)平衡和美化城市的功用。隨著“海綿城市”的提出，如何將城市中的天然水域充分利用是市政、環(huán)境以及水利部門十分重視的主題。利用天然的河道做相應(yīng)的景觀設(shè)計(jì)也成為城市美化的一大主題。目前常見的河道景觀設(shè)計(jì)中的親水平臺(tái)是一種十分受歡迎的設(shè)計(jì)，但景觀設(shè)計(jì)需要綜合分析臨水構(gòu)筑物對(duì)河道的影響。各種景觀工程中，大部分可以通過水資源計(jì)算來分析其合理性，而且還可以通過河岸邊坡防護(hù)工程確保河岸邊坡的穩(wěn)定。

河道的另一處利用是作為公共活動(dòng)輔助場(chǎng)所。如今自駕游出行已經(jīng)是大多數(shù)家庭的首選，無論是跨省市還是附近的郊區(qū)公園，越來越多的家庭選擇駕車前往，如此相關(guān)部門所面對(duì)的停車場(chǎng)地不足的壓力越來越大。已經(jīng)有一些省市在城市規(guī)劃中將河道中建設(shè)停車平臺(tái)納入規(guī)劃建設(shè)之中。我國(guó)現(xiàn)行階段對(duì)于在河道建設(shè)停車平臺(tái)這一措施還有許多方面需要進(jìn)行綜合分析，比如對(duì)河道泄洪能力的影響、對(duì)周圍景觀的影響以及作為臨岸構(gòu)筑物其安全性等。

1.3 管涵受力分析方法

淺埋河底的管道由于受到波浪、水流和上層構(gòu)筑物荷載的作用，其力學(xué)特性和物理特性都易發(fā)生變化。若是在砂土地基的環(huán)境中鋪設(shè)地下管道，在發(fā)生地震或是波浪等類似的往復(fù)荷載時(shí)，可能發(fā)生液化。由于液化使得原本的地質(zhì)基礎(chǔ)發(fā)生變化進(jìn)而使得填埋在土中的管道發(fā)生相對(duì)位移，造成一定的失穩(wěn)狀況。此外，管道的周圍支撐狀況的變動(dòng)，管道中將在原有的工作應(yīng)力另外產(chǎn)生彎曲和拉伸應(yīng)力，由此就有可能完全改變了管道的受力狀態(tài)，引發(fā)工程事故。隨著新技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用普及，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)在地下管網(wǎng)研究領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，有限元法、邊界元法和離散元模型在管道應(yīng)力特性的計(jì)算分析中發(fā)揮著越來越重要的作用，在計(jì)算機(jī)端進(jìn)行模擬操作給學(xué)者提供了一個(gè)有效的數(shù)值模型以進(jìn)行管道周圍土體壓力分布和管道的特性變形的分析。

2 案例分析

2.1 工程概況

沈陽市綜合管廊工程地處南運(yùn)河沿線，西面從南京南街開始，東面至善鄰路結(jié)束，管廊沿著砂陽路等鋪設(shè)，途徑五大主要城市公園。其中的南運(yùn)河河道水生態(tài)治理可研項(xiàng)目0+100～0+500標(biāo)段，河流的流向?yàn)樽詵|向西，其中供水管道沿著自東向西的方向布置在萬泉公園段的河道底部2.5m處。由于城市建設(shè)的需要，擬定在河道的左岸建設(shè)一個(gè)停車平臺(tái)，停車平臺(tái)設(shè)計(jì)為寬約5m的現(xiàn)澆混凝土構(gòu)筑物。具體的設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。

其中兩岸為河道中前期已修建完工的漿砌石擋土墻，位于河道底部的供水管道為圓管，圓管直徑為1.8m，管壁厚度為0.5m，現(xiàn)今在河道的左岸處所示的框架結(jié)構(gòu)為新建停車平臺(tái)，河道的河床寬15m，常年河道深度為3m。

2.2 設(shè)計(jì)模型

計(jì)算模型選取一個(gè)長(zhǎng)為20m的河段作為典型河段進(jìn)行計(jì)算分析，由于河底的河床比較平緩坡度變化不大，所以模擬過程中可以假設(shè)河底高程保持不變，建設(shè)好基本的模擬模型后通過有限元軟件建立該工程河段的三維模型。通過地質(zhì)勘探資料，了解到該地區(qū)的地質(zhì)情況，在進(jìn)一步的數(shù)值計(jì)算中，為了提高計(jì)算結(jié)果的可靠性性，土體材料采用摩爾-庫倫模型，漿砌石、鋼筋混凝土及鋼管材料采用線彈性模型，各種材料的參數(shù)選取見表2。

圖1 河道設(shè)計(jì)斷面示意圖

表2 計(jì)算主要材料參數(shù)表

經(jīng)過邊界條件的設(shè)定以及相關(guān)模型模擬，在框架結(jié)構(gòu)的頂部進(jìn)行荷載的施加，初步位于構(gòu)件的頂部施加10kPa的均布活荷載，并在平臺(tái)下方的每個(gè)支柱的頂部施加285kN的集中荷載。然后通過3種不同條件的設(shè)定，比較河底管道的受力荷載和位移變化情況。

2.3 沉降分析

相關(guān)模擬后的數(shù)據(jù)分析得到：

(1)當(dāng)河道兩旁的擋土墻建設(shè)后河底管道發(fā)生3.9mm的沉降；

(2)當(dāng)停車平臺(tái)建設(shè)后河底管道發(fā)生10.9mm的沉降；

(3)當(dāng)河道過水后河底管道發(fā)生20.2mm的沉降；

(4)當(dāng)停車平臺(tái)投入使用后河底管道發(fā)生25.5mm的沉降。

綜上數(shù)據(jù)分析可得，當(dāng)停車平臺(tái)正式投入使用后，河底管道的沉降位移最大，所以河底管道的沉降主要受到停車平臺(tái)投入使用后車輛的荷載影響。因河道兩岸的擋土墻為前期設(shè)計(jì)并已投入使用數(shù)年，所以本項(xiàng)目分析中應(yīng)該除去擋土墻所帶來的沉降，最后河道中河底管道因建設(shè)停車平臺(tái)所增加的沉降值為21.6mm。僅考慮位移的影響，河道中的管道總長(zhǎng)為20m，平均的單寬沉降值為1.08mm，對(duì)于管道而言1.08mm的單寬沉降值屬于小變形，即使在后期可能發(fā)生非人為因素的其他干擾性沉降，對(duì)管道的正常運(yùn)用也并無影響。

2.4 應(yīng)力分析

通過對(duì)河底管道的應(yīng)力分析，可知擋土墻建設(shè)后河底管道所受到的主應(yīng)力最大值為47.42kPa，河道中的停車平臺(tái)建設(shè)后河底管道所受到的主應(yīng)力最大值為143.20kPa，河道過水后河底管道所承受的主應(yīng)力最大值為547.80kPa，停車平臺(tái)正式投入使用后河底管道所承受的主應(yīng)力最大值為927.55kPa。由以上的數(shù)據(jù)分析可知，河道過水及停車平臺(tái)投入使用之后對(duì)管道的大主應(yīng)力最大值有較大的影響。根據(jù)相關(guān)資料，鋼材的抗拉強(qiáng)度極限值一般在300～400MPa，所以管道的大主應(yīng)力最大值相對(duì)鋼材的抗拉強(qiáng)度極值較小。因此，若從單因子應(yīng)力的角度來分析，位于河道中停車場(chǎng)的建設(shè)對(duì)河底管道不會(huì)產(chǎn)生大的影響。

所以，以上結(jié)果在假定了理想模型的情況下得出了停車平臺(tái)的建設(shè)對(duì)河底供水管道的受力情況影響較小，無需采取其他保護(hù)的措施的結(jié)果。

2.5 管道的疲勞損傷

對(duì)于河底管道除了沉降位移和應(yīng)力分析，還有微觀的理論分析。在力學(xué)分析的基礎(chǔ)上對(duì)所研究的河底管道建立微觀破壞模擬計(jì)算模型。現(xiàn)實(shí)中的管道所受到的力學(xué)問題是十分復(fù)雜的，其中很多的影響因素具有隨機(jī)性、非線性等特點(diǎn)，所以管道的力學(xué)特性影響因素眾多而且相當(dāng)復(fù)雜。

結(jié)構(gòu)的微觀缺陷進(jìn)一步演化和變形的局部化的特點(diǎn)，這兩個(gè)特點(diǎn)決定了管道的變形，因此，按照損傷的概念，對(duì)于河底管道原本存在的管道微小縫隙將會(huì)在荷載的作用發(fā)生變化的情況下，發(fā)生不同的演化，這種管道內(nèi)部的損傷演化會(huì)不斷累積，使得管道的整體性能下降，抵抗外荷載的能力也同步下降。時(shí)間的不斷積累，侵蝕的不斷惡化，最終管道將失去抵抗性能，引起疲勞破壞。管道的損傷程度與所自身受到的功成正比，而這個(gè)功與應(yīng)力的作用循環(huán)次數(shù)和該應(yīng)力對(duì)管道進(jìn)行了破壞的次數(shù)成正比。因此，本文考慮停車平臺(tái)正式投入使用后的荷載作用下管道的疲勞損傷增加相對(duì)平均，以及與不同強(qiáng)度的應(yīng)力加載順序并不相關(guān)聯(lián)的條件下，采用工程中常用的Miner宏觀唯象定義一線性累積損傷模型：式中，[xN]—第N次停車平臺(tái)上方車輛荷載作用后河底管道的強(qiáng)度；[x0]—河底管道初始強(qiáng)度。所以，每一次車輛荷載的作用，管道會(huì)有不同程度的損傷，進(jìn)而使得管道的抵抗荷載的強(qiáng)度不斷降低。

[xN]=(1-ND)[x0]

(1)

當(dāng)停車平臺(tái)投入使用一段時(shí)間后，將河底管道所受的車輛荷載作用次N(即工作應(yīng)力的循環(huán)次數(shù))，作為一個(gè)已知量。令車輛載荷多次作用的應(yīng)力均值為μl，強(qiáng)度均值為μs，應(yīng)力和強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差為σl和σs。令y=xs-xl，其中xs為強(qiáng)度，xl為工作應(yīng)力，則由可靠性原理得管道可靠度表示式：

(2)

(3)

進(jìn)而，將損傷累積的概念引入，即強(qiáng)度和強(qiáng)度均值在第N次應(yīng)力循環(huán)后變?yōu)?1-ND)xs和(1-ND)μs，其中標(biāo)準(zhǔn)差不變。

因此可得公式：

(4)

當(dāng)河底管道在建設(shè)停車平臺(tái)荷載作用下使用到一定時(shí)期時(shí)，可以通過車輛作用次數(shù)統(tǒng)計(jì)處N1，管道的剩余壽命為：N-N1。

最后在經(jīng)過相應(yīng)的模擬計(jì)算，該項(xiàng)目中河道中停車平臺(tái)對(duì)河底供水管道的損傷疲勞程度影響并不大。

3 結(jié)語

河道中相關(guān)設(shè)施的建設(shè)，勢(shì)必是會(huì)對(duì)河底的管道產(chǎn)生影響。本文通過對(duì)指定項(xiàng)目中河底管道的沉降、應(yīng)力和疲勞損傷的分析，考慮因素較為全面，對(duì)所建項(xiàng)目進(jìn)行了可靠的建模計(jì)算，最后得到的結(jié)果為河道中停車平臺(tái)對(duì)河底供水管道的沉降位移、受力情況以及疲勞損失的影響程度較小，建設(shè)中無需采取保護(hù)措施。同時(shí)，本文中使用的建模以及綜合分析方法，可以類比運(yùn)用到其他相似項(xiàng)目中進(jìn)行工程評(píng)估，通過軟件建模和經(jīng)典公式的結(jié)合使用，更具合理性和代表性。