淺析頂管穿堤管道對堤防滲透穩定的影響

李艷東

淺析頂管穿堤管道對堤防滲透穩定的影響

李艷東

隨著工業、經濟的快速發展，人口的不斷增加，生產、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，應對管道穿堤影響進行分析計算。結合近年來的工程實踐經驗，以某產業園區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，從沙潁河河道內取水，主要用于園區工業循環冷卻用水。取水量設計總規模為9.5萬m3/d，按照5%水廠自用水考慮，設計最高日總取水量為9.98萬m3/d，分兩期建設。一期工程設計取水量4.8萬m3/d，最高日取水量5.04萬m3/d。主要內容包括取水工程、凈水廠工程以及配水管網工程。其中取水工程泵房設置在堤防背水側，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。根據地質勘探資料，穿越高程處于迎水側第（4）層粉質粘土夾粉土層的上部，背水側第（2）層粉質粘土夾粉土層。防洪閘門距離堤防迎水側堤腳50m，取水泵站位于堤防背水側，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，兩岸灘地上現有生產圩防洪標準均低于潁河兩岸堤防，有人居住的生產圩防洪標準大多在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，迎水側邊坡1∶3，背水側高程30.0m設一2m寬平臺，平臺以上邊坡1∶3，以下1∶5。現狀潁左堤堤頂設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壤土和砂壤土，堤防加固的土料為粉質粘土和粉質壤土。

3.水文情況

工程處20年一遇洪水位、50年一遇設計水位均根據潁上閘上、阜陽閘下同頻率水位成果推算；20年一遇、50年一遇設計流量采用潁上閘上、阜陽閘下之間同頻率設計流量。工程處20年一遇設計水位30.89m，流量 3760m3/s。50年一遇設計水位31.58m，流量 4490m3/s。

二、對堤防穩定影響分析

1.物理力學性質指標

根據地質報告，地基土的物理力學性質指標統計見表1。

2.滲透穩定分析計算

（1）計算條件

正常期：20年一遇、50年一遇洪水位，背水側泵房進水井內無水的不利工況。

陡降期：由設計洪水位48h陡降2m，背水側泵房進水井內無水的不利工況。

（2）計算方法

依據《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）中有關滲流及滲透穩定計算的規定，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定影響的大小，進行管道穿越前后堤防滲透穩定的比較分析。按照“假設管壁周圍上下1倍管徑即1.0m范圍土層被擾動，滲透系數高于原狀土系數兩個數量級”的情況進行滲流穩定分析。

表1 地基土的物理力學性質指標統計表

表2 堤防滲透穩定計算成果表

1）非穩定滲流的基本方程

所謂非穩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各向異性非穩定滲流微分方程式為:

式中：h=h（x，y，z，t）為待求水頭函數；kx，ky，kz為以 x，y，z 軸為主方向的滲透系數；Ss為單位貯水量或貯存率。對均質各向同性材料式（2）變為:

非穩定滲流有限元方程的矩陣形式為:

式中：[K]為總體滲透系數矩陣；{h}為各結點水頭向量；[S]為壓縮土體內部單元貯水系數矩陣；h*為自由面上的結點水頭，為流量補給和自由面單元的流量變化項；{F}為己知常數項，由已知結點水頭確定。

2）非穩定滲流基本方程的定解條件

非穩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.計算結果及分析

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

計算結果表明，工程建成后，管道穿越對于潁左堤背水側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、結語

通過不同運用工況下堤防滲透穩定的計算分析結果，表明項目建設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、不破壞地層結構、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生擾動，影響原土體的密實度，使管道周圍土體的滲透系數增大，不同的地質情況可能會沿管道周邊形成一條滲流通道，對堤防的穩定安全不利。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）