中小河道擬建涵洞對(duì)現(xiàn)狀河底管線的影響性分析

劉晶莉，張 勇，劉棟梁

(1.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務(wù)中心，濟(jì)南 250100；2.山東省國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)中心，濟(jì)南 250014)

1 概 述

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，越來越多的基建設(shè)施開始由地表向地下拓展，很多的供水、供電、燃?xì)?、排污管線布置在地表以下，這些基建設(shè)施錯(cuò)綜復(fù)雜，往往由多部門管理、多單位設(shè)計(jì)施工、多個(gè)時(shí)期建設(shè)實(shí)施。然而，后期基建設(shè)施的建設(shè)勢(shì)必對(duì)前期現(xiàn)存設(shè)施存在一定程度的影響[1-2]。河道作為一個(gè)城市的靈魂，其在城市建設(shè)歷程中所充當(dāng)?shù)慕巧絹碓街匾?，河道因其流域范圍大、走向不?guī)則、寬窄不一、沿線建筑物多樣，對(duì)現(xiàn)存燃?xì)夤艿赖仍O(shè)施的影響亦不可忽視[3-8]。因此，在后續(xù)工程建設(shè)實(shí)施前，很有必要就類似問題開展深入的研究論證。

2 工程概況

本研究項(xiàng)目位于某城市河道中部位置，由于頂部城市規(guī)劃建設(shè)的需要，在河道中部需要“截彎取直”，設(shè)置涵洞對(duì)現(xiàn)狀河道進(jìn)行聯(lián)通。本工程中暗涵為3孔3 m×6 m的涵洞，涵洞采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，壁厚0.5 m，頂板及底板厚0.6 m，涵洞底部位于現(xiàn)狀地面以下約2.62 m，涵洞順?biāo)鞣较蛎扛?5 m設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，并設(shè)置止水設(shè)施，涵洞混凝土結(jié)構(gòu)施工完成后，予以回填。同時(shí)，根據(jù)規(guī)劃方案，涵洞頂部覆土，覆蓋土層厚度約2～2.59 m。在設(shè)計(jì)涵洞右邊墻外部約3～4 m范圍內(nèi)，沿線有一現(xiàn)狀燃?xì)夤艿?，為了保證現(xiàn)狀燃?xì)夤艿涝诠こ淌┕ぜ昂笃谶\(yùn)行過程中免受擾動(dòng)，需對(duì)暗涵的施工及運(yùn)行方案進(jìn)行分析。

工程設(shè)計(jì)方案見圖1。涵洞基礎(chǔ)開挖前，首先在涵洞右邊墻0.6 m的位置垂直設(shè)置鋼板樁，樁長(zhǎng)5 m，打入現(xiàn)狀地面以下，對(duì)右側(cè)現(xiàn)狀燃?xì)夤艿肋M(jìn)行保護(hù)；然后進(jìn)行涵洞基礎(chǔ)的開挖，待涵洞施工混凝土結(jié)構(gòu)施工完成后，利用開挖土對(duì)涵洞兩側(cè)開挖區(qū)域以及頂部的覆土進(jìn)行回填。為了不影響現(xiàn)狀燃?xì)夤艿勒＿\(yùn)行，燃?xì)夤艿拦芾韱挝粚?duì)涵洞實(shí)施提出以下要求：現(xiàn)狀燃?xì)夤艿涝谑┕ぜ斑\(yùn)行階段的豎向位移沉降值應(yīng)小于經(jīng)驗(yàn)允許值15 mm，豎向位移的隆起值應(yīng)小于經(jīng)驗(yàn)允許值10 mm，燃?xì)夤艿浪轿灰茟?yīng)小于經(jīng)驗(yàn)允許值10 mm，并且燃?xì)夤艿雷陨淼牟町惓两祽?yīng)小于經(jīng)驗(yàn)允許值3 mm/m，燃?xì)夤艿缿?yīng)力小于管材自身的應(yīng)力要求。

圖1 河道典型設(shè)計(jì)斷面圖

3 計(jì)算模型及邊界條件

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，按照結(jié)構(gòu)順?biāo)鞣较虻姆挚p設(shè)置情況，涵洞每25 m設(shè)置一分縫。工程所在部位地勢(shì)平坦，地層分布均勻，因此為了計(jì)算方便，本文選擇兩個(gè)結(jié)構(gòu)縫之間的長(zhǎng)25 m典型涵洞結(jié)構(gòu)開展研究。

采用有限元軟件建立該段三維計(jì)算模型，見圖2。模型底部選取地基厚度為12.9 m，順?biāo)髂Ｐ烷L(zhǎng)度為25 m，垂直水流向模型寬度為55 m。該模型中，地基、填土、涵洞、鋼板樁、燃?xì)夤艿赖染捎?D實(shí)體四面體及六面體單元。

圖2 有限元三維模型圖

3.2 材料參數(shù)

結(jié)合地質(zhì)情況，該部分計(jì)算模型按照由上到下的順序簡(jiǎn)化為4層，按照埋深遞增順序依次是回填土、粉砂、細(xì)砂、粉土，以上土體材料均采用摩爾庫(kù)倫模型；涵洞結(jié)構(gòu)為C30鋼筋混凝土，采用線彈性模型；燃?xì)夤艿罏楹附愉摴?，采用線彈性模型。各種材料的參數(shù)選取見表1。

表1 計(jì)算主要材料參數(shù)表

3.3 邊界條件

為了計(jì)算準(zhǔn)確，需要結(jié)合建筑物的實(shí)際受力情況，對(duì)模型設(shè)置約束及荷載。約束設(shè)置時(shí)，以豎直方向?yàn)閆軸，在模型的四周XZ、YZ對(duì)稱面設(shè)置垂直于對(duì)稱面的滾軸約束，在模型底部XY對(duì)稱面設(shè)置Z向的固定約束。荷載設(shè)置時(shí)，按照結(jié)構(gòu)的實(shí)施時(shí)序，在施工期首先考慮結(jié)構(gòu)的自重荷載；然后在運(yùn)行期，按照河道水面線，在涵洞底板、側(cè)壁臨水側(cè)均設(shè)置1.55 m靜水壓力荷載。邊界條件設(shè)置見圖3。

3.4 計(jì)算過程

在分析中，主要關(guān)心涵洞工程從現(xiàn)場(chǎng)施工到后期運(yùn)行整個(gè)全生命周期情況下的燃?xì)夤艿烙绊懶源笮?。基于這一目的，將計(jì)算分析的過程重點(diǎn)分為兩個(gè)工況。其中，工況一為施工工況，即從基礎(chǔ)打入護(hù)壁鋼板樁、涵洞基礎(chǔ)土方開挖、涵洞混凝土結(jié)構(gòu)澆筑、兩側(cè)土體回填、涵洞頂部覆土的過程；工況二為運(yùn)行工況，即涵洞過水的情況。計(jì)算按照時(shí)序共分為以下4步：①基礎(chǔ)打入鋼板樁，涵洞基礎(chǔ)土方開挖；②涵洞混凝土結(jié)構(gòu)澆筑；③涵洞兩側(cè)土體回填及頂部覆土；④涵洞過水運(yùn)行。

4 結(jié)果分析

4.1 位移分析

為了研究工程對(duì)現(xiàn)狀管線的位移影響，通過數(shù)據(jù)提取，可以得到不同階段現(xiàn)狀燃?xì)夤艿罃嗝尕Q向位移、水平位移及總位移云圖。

4.1.1 豎向位移

見圖4。

圖4 燃?xì)夤艿镭Q向位移云圖(單位：m)

通過燃?xì)夤艿赖呢Q向位移分析可知，第一階段燃?xì)夤艿烙新∑疒厔?shì)，隆起值約0.096～0.149 mm；第二階段燃?xì)夤艿烙新∑疒厔?shì)，隆起值約0.005～0.026 mm；第三階段燃?xì)夤艿烙谐两第厔?shì)，沉降值約1.226～1.318 mm；第四階段燃?xì)夤艿烙谐两第厔?shì)，沉降值約1.266～1.369 mm。

4.1.2 水平位移

見圖5。

圖5 燃?xì)夤艿浪轿灰圃茍D(單位：m)

通過燃?xì)夤艿赖乃轿灰品治隹芍?，第一階段燃?xì)夤艿烙凶笠期厔?shì)，左移值約0.095～0.141 mm；第二階段燃?xì)夤艿烙凶笠期厔?shì)，左移值約0.144～0.159 mm；第三階段燃?xì)夤艿烙凶笠期厔?shì)，左移值約0.009～0.170 mm；第四階段燃?xì)夤艿烙凶笠期厔?shì)，左移值約0.009～0.170 mm。

4.1.3 差異變形

見圖6。

圖6 燃?xì)夤艿揽偽灰圃茍D(單位：m)

通過燃?xì)夤艿赖目偽灰品治隹芍谝浑A段燃?xì)夤艿揽偽灰谱钪捣謩e為0.163～0.196 mm，差異沉降值小于0.1 mm/25 m；第二階段燃?xì)夤艿揽偽灰谱钪捣謩e為0.145～0.155 mm，差異沉降值小于0.1 mm/25 m；第三階段燃?xì)夤艿揽偽灰谱钪捣謩e為1.24～1.30 mm，差異沉降值小于0.1 mm/25 m；第四階段燃?xì)夤艿揽偽灰谱钪捣謩e為1.28～1.34 mm，差異沉降值小于0.1 mm/25 m。

4.2 應(yīng)力分析

就燃?xì)夤艿蓝?，抗拉?qiáng)度是評(píng)價(jià)管材力學(xué)特性的主要參數(shù)。通過數(shù)值計(jì)算，可以得到不同階段燃?xì)夤艿赖拇笾鲬?yīng)力(拉應(yīng)力)云圖，見圖7。通過燃?xì)夤艿赖拇笾鲬?yīng)力分析可知，第一階段燃?xì)夤艿来笾鲬?yīng)力最值分別為738～1 620 kPa；第二階段燃?xì)夤艿来笾鲬?yīng)力最值分別為754～1 450 kPa；第三階段燃?xì)夤艿来笾鲬?yīng)力最值分別為2 830～4 140 kPa；第四階段燃?xì)夤艿来笾鲬?yīng)力最值分別為2 840～4 290 kPa。由此可知，在新建涵洞施工及運(yùn)行的4個(gè)階段，現(xiàn)狀燃?xì)夤艿赖睦瓚?yīng)力均小于鋼材的抗拉強(qiáng)度極值，涵洞的實(shí)施對(duì)現(xiàn)存燃?xì)夤艿赖膽?yīng)力影響較小。

圖7 燃?xì)夤艿来笾鲬?yīng)力云圖(單位：kPa)

5 結(jié) 論

河道因其流域范圍大、走向不規(guī)則、寬窄不一、沿線建筑物多樣等，對(duì)現(xiàn)存燃?xì)夤艿赖仍O(shè)施的影響不可忽視。本文以新建涵洞右岸的燃?xì)夤艿罏檠芯繉?duì)象，借助有限元計(jì)算針對(duì)新建涵洞對(duì)現(xiàn)存燃?xì)夤艿赖挠绊戇M(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明，從工程施工到工程運(yùn)行過程中，結(jié)構(gòu)整體的變形及應(yīng)力情況均相對(duì)比較均勻；就研究對(duì)象現(xiàn)狀燃?xì)夤艿蓝?，現(xiàn)狀燃?xì)夤艿涝?個(gè)階段的豎向位移沉降值小于經(jīng)驗(yàn)允許值15 mm，豎向位移的隆起值小于經(jīng)驗(yàn)允許值10 mm，燃?xì)夤艿浪轿灰菩∮诮?jīng)驗(yàn)允許值10 mm，并且燃?xì)夤艿雷陨淼牟町惓两敌∮诮?jīng)驗(yàn)允許值3 mm/m，燃?xì)夤艿缿?yīng)力值遠(yuǎn)小于管材抗拉強(qiáng)度極值，涵洞的建設(shè)實(shí)施對(duì)現(xiàn)狀燃?xì)夤艿赖挠绊戄^小。