楊 杰，曹彭強，宋新偉，涂有笑，陶月贊

(1.皖西學院建筑與土木工程學院，安徽 六安 237012；2.安徽省水利部淮河水利委員會水利科學研究院，安徽 蚌埠 233000；3.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院 安徽 合肥 230009)

0 引言

近年來，隨著我國南水北調(diào)、西氣東輸、蘭-成-渝成品油管道等長距離輸水、輸氣及輸油管道工程建設，各種管道穿越技術在工程實施過程中獲得了廣泛應用，而不同類型和屬性的管道在穿越不同地質(zhì)構造時，其參數(shù)特征差異較大，對構筑物的影響也不盡相同[1]，國內(nèi)外眾多學者對管道穿越過程中的邊坡穩(wěn)定和防滲安全等進行了大量的研究。徐潔等[2]根據(jù)工程地質(zhì)條件及管道埋深情況，計算了穿越河段設計洪水位下的河道斷面水力參數(shù)、抗滑穩(wěn)定系數(shù)等，并對某定向鉆技術用于輸氣管道工程對河道行洪及其兩岸堤防的影響程度進行分析；唐明明等[3]采用數(shù)值強度折減法與實際地形建模相結合的方法，研究了邊坡潛在滑動面的形狀以及管線斜井在開挖過程中井周土體的位移變化規(guī)律，并對邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)作了進一步分析計算；陳宏任等[4]利用ANSYS軟件建立有限元模型，通過數(shù)值模擬的方法分析在不同滲透系數(shù)下穿江管道埋深和穿越位置對堤防滲透安全的影響，并根據(jù)臨界水力坡降判斷堤防的滲流穩(wěn)定性；Ranilovic[5]研究了管道穿越的施工組織方法，構筑物的支撐結構與連接形式以及管道底部的穩(wěn)定性因素，并以某天然氣管道穿越Guduca峽谷所需的工程質(zhì)量標準為例進行穩(wěn)定性分析；Zhang等[6]運用有限元法對定向技術穿越管道過程中產(chǎn)生的不良地質(zhì)地層的變形與崩潰等失效行為進行模擬，根據(jù)應力分布和崩潰過程不同階段各截面的變化提出相應的保護措施；Han等[7]利用ABAQUS軟件模擬不同埋深管道在滑坡地段的應變分布，并研究不同徑厚比下的局部應變分布曲線；Latorre等[8]基于數(shù)學建模的思想，運用LEVEEMSU軟件分析了管道穿越工程對構筑物影響的主要因素，并指出在不超過特定穿越距離的情況下，地層的滲透系數(shù)對構筑物安全影響顯著，但地層厚度對其影響不大。

大量的文獻[9-12]集中于對管道穿越過程中的安全系數(shù)與穩(wěn)定系數(shù)等力學參數(shù)、工程數(shù)值模擬方法、工程施工措施等進行研究。其中，對于管道穿越河流的滲流穩(wěn)定性分析，大多采用數(shù)值模擬的方法對工程區(qū)域進行研究，而數(shù)值法的前提是對研究區(qū)水文地質(zhì)條件進行概化，由于對區(qū)域地層巖性變化的處理與模型邊界條件的理解不同，模型的結構設計具有一定的差異。現(xiàn)有的滲流穩(wěn)定分析常將問題概化為平面問題，將管道及其周圍一定范圍內(nèi)采用加大滲透系數(shù)來近似模擬。本文研究的成品油輸送管道穿越安徽省中部某河流，根據(jù)工程勘察報告、地質(zhì)鉆孔及河流水文等資料，利用Visual Modflow軟件建立三維數(shù)學正演模型[13]，對管道及其周圍采用不同的概化條件與滲透系數(shù)處理來近似模擬；通過比較管道穿越前后堤防區(qū)域流場水力參數(shù)變化，來分析工程對堤防滲流穩(wěn)定的影響。

1 建模方法

1.1. 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

研究區(qū)位于安徽省中部，屬于亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，多年平均降雨量1089.4 mm，多年平均蒸發(fā)量1400 mm。降雨量年內(nèi)變化明顯，主要集中在5～9月份，占年降水量的50%～60%。

穿越地段兩岸都是平原圩區(qū)，地形比較平坦，地面高程在8～9 m，兩岸河堤的堤頂高程15～16 m，兩堤之間寬度168 m，河面寬70 m。據(jù)水文觀測資料，多年平均水位高程6 m，設計水位15.13 m。含水層主要為第四系松散土層，在0～20 m的深度范圍內(nèi)大致可分為以下幾類地層：最上部為第I層，主要由素填土及淤泥層組成；第Ⅱ地層的巖性主要為中砂層；第Ⅲ層為粉質(zhì)粘土層，其隔水條件較好；第IV層為中細沙層，其分布較穩(wěn)定；最底部為第V層，巖性組成以粉質(zhì)粘土層為主。河流與土層水力聯(lián)系較好，洪水期河流作為源項補給土層。穿越管道的管徑為273 mm，入土點位于河流南岸距堤腳47 m，以9°角入土；出土點距北岸堤腳90 m，出土角為6°。管道位于河床以下6 m，管底設計高程-7.5m。根據(jù)河床沖刷分析計算，工程斷面河槽最大沖深2.28 m，最低沖刷高程-0.78 m。圖1為穿越段河流全貌及管道入土點工程示意。

圖1 穿越段河流全貌及管道入土點示意

1.2 區(qū)域水文地質(zhì)概念模型

本項目中以管道工程穿越點附近1000 m作為研究區(qū)范圍，其橫向邊界與縱向邊界之間距離均為2000 m。在空間方面，將區(qū)域平面剖分為40行與40列，同時對于縱向管道穿越的位置以及橫向河流過境的區(qū)域分別進行網(wǎng)格細分處理。根據(jù)鉆孔資料，將模擬區(qū)分為五層，最下層粉質(zhì)粘土層構成含水層的底板，具體土層分布及參數(shù)分區(qū)見圖2(以河流中軸線為橫坐標零點)。研究區(qū)地下水含水層的流態(tài)特征為非均質(zhì)各向同性非穩(wěn)定流，不同地質(zhì)構造參數(shù)分區(qū)在本層按均質(zhì)處理[14]。洪水期河床高程按沖刷后高程計算。土層初始水頭概化為與河流水位高程相等，即初始水力坡度為零。在穿越處河道彎曲較小，模型中按順直河道處理。

圖2 模型1土層分布及參數(shù)分區(qū)

1.3 數(shù)值模型構建

通過對區(qū)域水文地質(zhì)條件的概化，將研究區(qū)地下水作非均質(zhì)各向同性非穩(wěn)定流處理，由此建立地下水數(shù)值模擬模型，如公式(1)-(4)所示：

上式中：H表示地下水的水位(m)；W表示單位體積地下水流量(m3)；μ表示彈性釋水系數(shù)；Kxx與Kyy分別表示含水層在x方向與y方向的滲透系數(shù)(m/d)；t表示時間(d)；H0表示模擬區(qū)初始地下水位(m)；H1表示模擬區(qū)邊界處地下水位(m)；D為模擬區(qū)的范圍；Γ1與Γ2分別表示模擬區(qū)第一類水頭邊界與第二類流量邊界；n表示區(qū)域邊界外法線方向。

1.4 模擬方法

根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)概況，考慮管道周圍存在一層高壓膨潤土，在管道穿越初期，由于膨潤土壓力較大，使得管道周圍土層壓密，滲透系數(shù)減小，而不透水的管道用滲透系數(shù)極小巖體處理；在管道穿越較長時間后，膨潤土壓力釋放后，管道周圍存在接觸滲流，使得管道周圍土層滲透系數(shù)加大，為簡化模型，將管道區(qū)域也概化為滲透系數(shù)加大的土層處理，最后對不同的模擬情況分別進行比較分析。

2 結果與分析

2.1 模擬計算結果

由上述數(shù)學模型，利用Visual Modflow軟件分別對管道穿越前期、穿越初期及穿越后期三個階段建立數(shù)值模型進行模擬。模型1為穿越前堤防滲透模型，其土層分布及參數(shù)分區(qū)如圖2所示；模型2中將管道部分概化為不透水，采用較小的滲透系數(shù)(10-7m/d)處理，同時管道周圍1 m范圍內(nèi)采用減小滲透系數(shù)(為穿越土層的0.5倍)來近似模擬，如圖3所示，圖中黑色區(qū)域為管道，灰色區(qū)域為膨潤土；模型3將管道及其周圍1 m范圍內(nèi)加大滲透系數(shù)(為穿越土層的1.5倍)處理，其土層分布及參數(shù)分見圖4，圖中灰色區(qū)域為管道與膨潤土。根據(jù)現(xiàn)有鉆孔所揭露的地層，河床附近的主要是中沙與粉質(zhì)粘土層，中細砂地層滲透系數(shù)的經(jīng)驗值為1～20m/d，粉質(zhì)粘土小于1m/d；在模擬管道穿越河流的過程中，各土層滲透系數(shù)參數(shù)見表1。

圖3 模型2土層分布及參數(shù)分區(qū)

圖4 模型3土層分布及參數(shù)分區(qū)

表1 各土層滲透系數(shù) 單位：m/d

將模型賦予土層的各項參數(shù)并考慮其邊界條件，在進行模型參數(shù)識別后，基于Visual Modflow軟件進行地下水數(shù)值模擬。水位選取二十年一遇洪水位，模擬時間步長為一個月，在0～20 m的縱深范圍內(nèi)，其地下水流場分布見圖5。

圖5 研究區(qū)流場分布剖面圖

通過計算可得到各模型在管道穿越斷面處最大水力坡度，表2為模型1、模型2以及模型3的最大水力坡度計算結果與允許水力坡度對比情況。其中，允許水力坡度可由如下公式(5)-(6)計算求解。

表2 模型最大水力坡度與允許水力坡度對比

上式中：Ia與Ib分別表示在管道穿越斷面處的允許水力坡度與臨界水力坡度；K表示相應的安全系數(shù)，通?？梢匀≈禐?.0-2.5；Ga表示土粒比重；n表示土的孔隙度。

2.2 結果分析

在數(shù)值模擬的基礎上對區(qū)域非穩(wěn)定流滲流過程進行分析，根據(jù)地下水流場中最大滲流速度，結合地層的工程地質(zhì)條件，判斷滲流速度對地層中松散顆粒的擾動能力。通過上述模擬結果以及圖5的地下水流場剖面，管道穿越堤防使區(qū)域地下水流場發(fā)生改變，考慮管線工程使得周邊地層的滲流速度加大50%的前提下[15]，地下水流場中的滲流速度小于擾動沙粒所需要的最小滲流速度；因此，在考慮河床沖刷以及高水位條件下地下水滲流誘發(fā)管涌的可能性比較小，管道穿越對堤防設計抗滑和滲流穩(wěn)定將不產(chǎn)生破壞性影響。

由表2可得，各模型管道穿越處地下水流場的最大水力坡Imax分別為0.162、0.195與0.158，而發(fā)生管涌的允許水力坡度Ia=0.402，即Imax＜Ia，最大水力坡度小于擾動沙粒所需要的允許水力坡度。此外，與原模型相比較，模型2的最大水力坡度值增加了0.033，其增幅為20.37%，但未超過允許水力坡度；而模型3的最大水力坡度降低了2.47%。因此，可以看出管道穿越工程在穿越初期對堤防穩(wěn)定影響較大，從而一定程度上增加了發(fā)生滲流破壞的可能，但后期隨著時間的延長，影響逐漸減小，大致穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。

3 結論

由以上分析得出如下結論：

(1)管道穿越會對河流堤防的穩(wěn)定產(chǎn)生影響，因此需對工程斷面進行滲流穩(wěn)定性分析。在本項目的研究中，數(shù)值模型計算的最大水力坡度小于允許水力坡度，當工程實施過程中不改變區(qū)域地層滲透系數(shù)，保持現(xiàn)有地質(zhì)構造，管道穿越對河岸堤防的影響有限，即在項目設計年限內(nèi)，洪水對河床沖刷引起管道穿越點的滲透破壞可能性較小。

(2)根據(jù)區(qū)域地質(zhì)及水文資料，建立數(shù)值模型模擬管道穿越前及管道穿越后地下水流場的變化規(guī)律，盡管現(xiàn)有的模型在一定程度上存有不足，但模型2的結構較符合管道穿越初期情況，且相對于模型3，其計算結果較為保守，更適合于工程實際的預測與應用。

(3)管道穿越工程在穿越初期對堤防穩(wěn)定影響較大，增加了堤防發(fā)生滲流破壞的危險程度，但隨著時間的增長，滲流破壞的影響逐漸減小，會有一定范圍內(nèi)的穩(wěn)定區(qū)間。但如何結合管涌形成與發(fā)展的機理，從微觀角度精確預測管涌發(fā)生的位置以及管道穿越點附近滲流破壞的周期，這將在今后的工作中作重點的研究和探討。

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