李艷東

淺析頂管穿堤管道對堤防滲透穩(wěn)定的影響

李艷東

隨著工業(yè)、經(jīng)濟的快速發(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目也越來越多，管道穿越可能對堤防安全造成一定的影響。因此，應(yīng)對管道穿堤影響進行分析計算。結(jié)合近年來的工程實踐經(jīng)驗，以某產(chǎn)業(yè)園區(qū)自來水廠沙潁河取水工程為例，就穿堤管道對堤防造成的影響進行深入地分析計算，為今后開展相近工程的分析工作提供參考。

一、基本情況

1.項目基本情況

擬建用水自來水廠一座，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)計總規(guī)模為9.5萬m3/d，按照5%水廠自用水考慮，設(shè)計最高日總?cè)∷繛?.98萬m3/d，分兩期建設(shè)。一期工程設(shè)計取水量4.8萬m3/d，最高日取水量5.04萬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。引水管穿越中心標高為18.35～18.65m，引水管的長度約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)圩防洪標準均低于潁河兩岸堤防，有人居住的生產(chǎn)圩防洪標準大多在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)實施完成，沙潁河干流河道防洪標準已達到20年一遇，遠期防洪標準為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，平臺以上邊坡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，河道岸坡無護岸工程，堤防迎、背水坡均為草皮護坡。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)計水位均根據(jù)潁上閘上、阜陽閘下同頻率水位成果推算；20年一遇、50年一遇設(shè)計流量采用潁上閘上、阜陽閘下之間同頻率設(shè)計流量。工程處20年一遇設(shè)計水位30.89m，流量 3760m3/s。50年一遇設(shè)計水位31.58m，流量 4490m3/s。

二、對堤防穩(wěn)定影響分析

1.物理力學性質(zhì)指標

根據(jù)地質(zhì)報告，地基土的物理力學性質(zhì)指標統(tǒng)計見表1。

2.滲透穩(wěn)定分析計算

（1）計算條件

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

陡降期：由設(shè)計洪水位48h陡降2m，背水側(cè)泵房進水井內(nèi)無水的不利工況。

（2）計算方法

依據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB50286-2013）中有關(guān)滲流及滲透穩(wěn)定計算的規(guī)定，采用剖面滲流有限元法進行計算。為了分析管道穿越對堤防滲透穩(wěn)定影響的大小，進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，滲透系數(shù)高于原狀土系數(shù)兩個數(shù)量級”的情況進行滲流穩(wěn)定分析。

表1 地基土的物理力學性質(zhì)指標統(tǒng)計表

表2 堤防滲透穩(wěn)定計算成果表

1）非穩(wěn)定滲流的基本方程

所謂非穩(wěn)定滲流場系指其基本表征量隨時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)點水頭，為流量補給和自由面單元的流量變化項；{F}為己知常數(shù)項，由已知結(jié)點水頭確定。

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.計算結(jié)果及分析

按計算條件所選定工況、參數(shù)和計算方法所確定的計算理論，對潁左堤進行滲透穩(wěn)定分析，計算結(jié)果見表2。

計算結(jié)果表明，工程建成后，管道穿越對于潁左堤背水側(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，不會造成堤基的滲透破壞。

三、結(jié)語

通過不同運用工況下堤防滲透穩(wěn)定的計算分析結(jié)果，表明項目建設(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挖地面、不破壞地層結(jié)構(gòu)、不損壞河堤、不擾動河床、對堤防工程影響較小的特點，但在施工過程中總是無法避免會對管道周邊的原土體產(chǎn)生擾動，影響原土體的密實度，使管道周圍土體的滲透系數(shù)增大，不同的地質(zhì)情況可能會沿管道周邊形成一條滲流通道，對堤防的穩(wěn)定安全不利。因此，在施工過程中仍需采取必要的防治與補救措施■

（作者單位：安徽省淮河河道管理局233000）