AutoBank軟件在防洪影響評(píng)價(jià)工程中的應(yīng)用

余 紅

一、概述

在防洪影響評(píng)價(jià)中，常常會(huì)遇到管道穿越堤防問(wèn)題，管道穿越堤防會(huì)對(duì)堤防滲流穩(wěn)定產(chǎn)生影響，需通過(guò)滲流穩(wěn)定計(jì)算，進(jìn)一步復(fù)核堤防滲流穩(wěn)定。目前堤防滲透穩(wěn)定計(jì)算采用的是《堤防設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）附錄中的公式，應(yīng)用規(guī)范公式計(jì)算時(shí)需通過(guò)試算，計(jì)算過(guò)程較復(fù)雜，工作量較大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值方法（包括有限元法、有限差分法）在滲流穩(wěn)定分析中得到了廣泛應(yīng)用，大大減少了工作量。

AutoBank軟件是由河海大學(xué)工程力學(xué)系（工程力學(xué)研究所）研制，內(nèi)部采用有限元技術(shù)，可對(duì)土壩、堤防、涵洞、水閘等水工建筑物進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算。該軟件針對(duì)我國(guó)水利行業(yè)的要求而設(shè)計(jì)，具有明顯行業(yè)特點(diǎn)，可以直接應(yīng)用AutoCAD圖形，全部圖形化界面，操作簡(jiǎn)便，提高了工作效率；滲流、穩(wěn)定、變形、應(yīng)力、計(jì)算一體化，各計(jì)算階段無(wú)縫結(jié)合，軟件運(yùn)行穩(wěn)定，輸出結(jié)果全面。本文以安徽省懷遠(yuǎn)縣、五河縣輸氣管道工程洪灣圩穿越項(xiàng)目為例，采用Autobank軟件分析洪灣圩堤防的滲流穩(wěn)定，為防洪影響評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

二、項(xiàng)目基本情況

安徽省懷遠(yuǎn)縣、五河縣輸氣管道工程途經(jīng)蚌埠市的高新區(qū)、禹會(huì)區(qū)、懷遠(yuǎn)縣、淮上區(qū)等行政區(qū)域，新建天然氣管道長(zhǎng)度約70.6km，并配套建設(shè)2座場(chǎng)站及3座閥室。項(xiàng)目燃?xì)夤艿劳窘?jīng)洪灣圩，因洪灣圩爬堤處毗鄰十六號(hào)溝，該溝深且較寬，開挖鋪設(shè)管道施工難度大，需大面積占用農(nóng)田，不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。為加快項(xiàng)目建設(shè)，完成蚌埠市政府的要求，燃?xì)夤艿来┰胶闉驰资┕し绞綖槎ㄏ蜚@穿越施工方式。工程位于安徽省蚌埠市五河縣沫河口鎮(zhèn)大李村。穿越處設(shè)計(jì)壓力為6.3MPa，地區(qū)等級(jí)為三級(jí)，設(shè)計(jì)系數(shù)取0.5，穿越管段為D273×6.3 L360M PSL2 直縫高頻電阻焊鋼管，穿越工程等級(jí)為小型。管道工程洪灣圩穿越項(xiàng)目縱斷面圖見(jiàn)圖1。

三、滲透計(jì)算

1.計(jì)算斷面選取

管道穿越走向與堤防軸線斜交呈約31°，工程考慮最不利為原則，故選取垂直堤防軸線斷面作為計(jì)算斷面，并將管道穿越走向按正交情況下計(jì)算。

2.計(jì)算參數(shù)選取

與堤身及堤基滲流穩(wěn)定計(jì)算有關(guān)的主要參數(shù)有：各土層的滲透系數(shù)、土層厚度等。根據(jù)《安徽省懷遠(yuǎn)縣、五河縣輸氣管道工程洪灣圩定向鉆穿越巖土工程勘察報(bào)告》中提供的地質(zhì)剖面圖及各土層的分布情況，選取相應(yīng)土層及參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

由于定向鉆的施工擾動(dòng)附近土體，所以將管道周圍近似看作透水性較好的土層，滲透系數(shù)取樁體穿透所在土層10倍。

圖1 管道工程洪灣圩穿越項(xiàng)目縱斷面圖

3.計(jì)算工況

根據(jù)《堤防設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013），該工程堤防的滲流計(jì)算選用當(dāng)沫河口淝南圩蓄洪時(shí)，洪灣圩迎水側(cè)在北淝河下游20年一遇設(shè)計(jì)洪水位（18.0m），背水側(cè)無(wú)水，即運(yùn)用期最不利的工況進(jìn)行計(jì)算。

4.計(jì)算內(nèi)容及計(jì)算程序

堤防滲流計(jì)算主要內(nèi)容為：在設(shè)計(jì)洪水工況下，計(jì)算堤身浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)位置，堤身出逸段和背水側(cè)堤基表面的出逸比降，繪制堤身及堤基的流網(wǎng)圖，并判斷其滲透穩(wěn)定性。該工程堤防滲流計(jì)算采用二維穩(wěn)定滲流有限元法，計(jì)算分析軟件采用河海大學(xué)土木工程學(xué)院開發(fā)的“AUTOBANK-水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)”。

5.計(jì)算模型

該工程計(jì)算斷面材料分區(qū)及有限元網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2、圖3。

6.計(jì)算結(jié)果及分析

通過(guò)計(jì)算知最大水力坡降為0.367，根據(jù)巖土體特性及經(jīng)驗(yàn)值，擬定淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層及粉質(zhì)黏土層允許坡降分別為0.45、0.5，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。從水力坡降圖和流速矢量圖上可以看出，浸潤(rùn)線高程低于地面高程，堤基土出逸點(diǎn)水力坡降均小于允許坡降，不會(huì)產(chǎn)生滲流破壞，故該工況下，滲流穩(wěn)定滿足要求。該工況下流速矢量圖，水頭、水壓、水力坡降等值線圖見(jiàn)圖4～圖7。

四、穩(wěn)定計(jì)算

表1 堤身、堤基土層滲透系數(shù)取值表

表2 堤身、堤基土層參數(shù)取值表

表3 堤防抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)安徽省懷遠(yuǎn)縣、五河縣輸氣管道工程穿越工程洪灣圩定向鉆穿越施工圖中堤身及穿越管道的布置情況，管道對(duì)堤防滲流產(chǎn)生影響，需通過(guò)邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算，進(jìn)一步復(fù)核堤防邊坡抗滑穩(wěn)定。

1.計(jì)算斷面選取

管道穿越走向與堤防軸線斜交呈約31°，工程考慮最不利為原則，故選取垂直堤防軸線斷面作為計(jì)算斷面，并將管道穿越走向按正交情況下計(jì)算。

2.計(jì)算參數(shù)選取

與邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算有關(guān)的主要參數(shù)有：各土層的土層厚度、滲透系數(shù)、容重、浮容重、土樣凝聚力、土樣內(nèi)摩擦角等。根據(jù)四川省華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司編制的《安徽省懷遠(yuǎn)縣、五河縣輸氣管道工程洪灣圩定向鉆穿越巖土工程勘察報(bào)告》中提供的地質(zhì)剖面圖及各土層的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由于定向鉆的施工擾動(dòng)附近土體，所以將管道周圍近似看作透水性較好的土層，滲透系數(shù)取樁體穿透所在土層10倍；堤基進(jìn)行定向鉆施工后，土層的凝聚力及摩擦角基本無(wú)影響，在進(jìn)行邊坡抗滑計(jì)算中，依舊取原土層相關(guān)參數(shù)。

3.計(jì)算方法及計(jì)算工況

選定為沫河口淝南圩蓄洪時(shí)，洪灣圩迎水側(cè)在北淝河下游20年一遇設(shè)計(jì)洪水位（18.0m）穩(wěn)定滲流期及地震期兩種情況下的邊坡穩(wěn)定計(jì)算。

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），項(xiàng)目區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，地震基本烈度值Ⅶ度。

圖2 計(jì)算斷面材料分區(qū)圖

圖3 有限元網(wǎng)格圖

圖4 流速矢量圖

圖5 水頭等值線圖

圖6 水壓等值線圖

圖7 水利坡降等值線圖

計(jì)算過(guò)程采用河海大學(xué)土木工程學(xué)院開發(fā)的“AUTOBANK-水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)”。

4.計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）中3.2.3條，土堤邊坡抗滑穩(wěn)定采用簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算時(shí)，安全系數(shù)不應(yīng)小于附表的規(guī)定。洪灣圩屬于一等圩，相當(dāng)于3級(jí)堤防，計(jì)算工況為正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件II，對(duì)應(yīng)允許安全系數(shù)分別為1.30和1.15，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，計(jì)算成果見(jiàn)表3。

五、結(jié)論與建議

根據(jù)滲透穩(wěn)定分析計(jì)算可知，在20年一遇設(shè)計(jì)洪水位（18.0m）工況下，最大水力坡降為0.367，滿足規(guī)范要求，且浸潤(rùn)線高程低于地面高程，堤基土出逸點(diǎn)水力坡降均小于允許坡降，不會(huì)產(chǎn)生滲流破壞，故滲流穩(wěn)定滿足要求；在穩(wěn)定滲流期及地震期兩種工況下，安全系數(shù)均大于允許安全系數(shù)，故抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

雖然定向鉆施工覆土層在正常情況下不會(huì)被破壞，但引水管管壁在未采用有效的防滲處理措施施工時(shí)，管壁與周圍土體之間存在空隙，易形成集中滲流通道。當(dāng)沫河口淝南圩蓄洪時(shí)，上游水頭將以壓力傳遞方式作用于堤后管道的覆蓋層，可能造成局部滲流破壞，影響整個(gè)洪灣圩的安全。建議采取防滲措施，增加燃?xì)夤芎偷谭赖姆€(wěn)定性。

由于擬建工程可能對(duì)堤防安全管理范圍內(nèi)土體產(chǎn)生擾動(dòng)作用，為確保防洪安全，管道施工時(shí)，應(yīng)對(duì)定向鉆出、入土點(diǎn)采用截滲環(huán)、粘土置換和壓密灌漿等防滲措施，防止接觸面部位成為滲透通道。同時(shí)，建設(shè)單位應(yīng)在管道出、入土處以及穿越管線周邊堤防安全管理范圍內(nèi)設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，并加強(qiáng)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)不利情況需及時(shí)報(bào)告并采取有效措施，確保防洪安全■