河道停車平臺建設對河底管道影響分析

杜 衛

(江西省水利水電建設有限公司，江西 南昌 330000)

中國在不斷地發展，經濟及科技水平也在逐步地提高，隨之城市的建設工程也在與時俱進。我國城市化的演進，人口密度的提高，使得城市中的人均占有面積越來越少。地面空間存在著的局限性，致使很多的工程向多維空間擴展。目前，城市中首先擴展使用的是地下空間，除了地下空間的利用，目前也有很多城市開始考慮河道空間的利用。天然的河道，作為貫穿城市中的紐帶，不但給城市帶來了勃勃生機，更多地滿足了城市化的供水排水需求。如今，城市的河道底部大多布置了排水供水管網，若建設相關的臨河構筑物勢必會對河底已存的結構物造成一定影響。近些年來，國內外的學者針對臨河構筑物對河底管網的影響這一課題開展了大量的調研和分析，通過研究探討以及論證后期建設工程所帶來影響的大小與具體的工程結構構造、受力特征、空間布局等因素有密切關系。因此，面對現今的狀況，相關工作者應加強重視，對相關的工程項目進行探討研究。

1 相關背景

1.1 河底管道鋪設

近年來，大多城市已埋設河底管道、箱涵，并將河底管道的引水、供水工程作為城市供飲水的首選方式。在河道工程中，如跨河管道建設、污水排入排水管鋪設、長距離河底或海底管道架設等，在建設的過程中，工程項目應根據過水管道的總長度、所處河流的深度、所在河流的流速、河底土質、河道目前通航要求、管道使用壽命等因素，選擇經濟合理、技術可行的施工方法。根據查閱資料調查目前最為常用的兩種方法，一種是圍堰法，另一種是水下鋪管法。進一步綜合評估經濟成本，當水深較小、水流較緩、通航較少、建設材料可以就地取材時，工程一般將會采用筑堰法；但是，當上述條件并不能夠滿足的情況下，工程宜采用水下鋪管法?，F今常用的兩種鋪設水下管道的方法：①鋪設在水底河床上；②埋設在水底溝槽內。具體的有缺點以及適用條件見表1。

表1 兩種水下管道鋪設方法對比表

1.2 河道工程

近幾年，我國對水利工程的生態問題十分重視，河道作為城市中的自然景色，一方面對于供水的需求，城市已經人為對河道底部進行改造以期更好的為城市的生活服務；另一方面，環境等方面的專家致力于讓城市中的河道能夠進一步起到維持生態平衡和美化城市的功用。隨著“海綿城市”的提出，如何將城市中的天然水域充分利用是市政、環境以及水利部門十分重視的主題。利用天然的河道做相應的景觀設計也成為城市美化的一大主題。目前常見的河道景觀設計中的親水平臺是一種十分受歡迎的設計，但景觀設計需要綜合分析臨水構筑物對河道的影響。各種景觀工程中，大部分可以通過水資源計算來分析其合理性，而且還可以通過河岸邊坡防護工程確保河岸邊坡的穩定。

河道的另一處利用是作為公共活動輔助場所。如今自駕游出行已經是大多數家庭的首選，無論是跨省市還是附近的郊區公園，越來越多的家庭選擇駕車前往，如此相關部門所面對的停車場地不足的壓力越來越大。已經有一些省市在城市規劃中將河道中建設停車平臺納入規劃建設之中。我國現行階段對于在河道建設停車平臺這一措施還有許多方面需要進行綜合分析，比如對河道泄洪能力的影響、對周圍景觀的影響以及作為臨岸構筑物其安全性等。

1.3 管涵受力分析方法

淺埋河底的管道由于受到波浪、水流和上層構筑物荷載的作用，其力學特性和物理特性都易發生變化。若是在砂土地基的環境中鋪設地下管道，在發生地震或是波浪等類似的往復荷載時，可能發生液化。由于液化使得原本的地質基礎發生變化進而使得填埋在土中的管道發生相對位移，造成一定的失穩狀況。此外，管道的周圍支撐狀況的變動，管道中將在原有的工作應力另外產生彎曲和拉伸應力，由此就有可能完全改變了管道的受力狀態，引發工程事故。隨著新技術在工程領域的應用普及，尤其是計算機技術在地下管網研究領域的普遍應用，有限元法、邊界元法和離散元模型在管道應力特性的計算分析中發揮著越來越重要的作用，在計算機端進行模擬操作給學者提供了一個有效的數值模型以進行管道周圍土體壓力分布和管道的特性變形的分析。

2 案例分析

2.1 工程概況

沈陽市綜合管廊工程地處南運河沿線，西面從南京南街開始，東面至善鄰路結束，管廊沿著砂陽路等鋪設，途徑五大主要城市公園。其中的南運河河道水生態治理可研項目0+100～0+500標段，河流的流向為自東向西，其中供水管道沿著自東向西的方向布置在萬泉公園段的河道底部2.5m處。由于城市建設的需要，擬定在河道的左岸建設一個停車平臺，停車平臺設計為寬約5m的現澆混凝土構筑物。具體的設計斷面如圖1所示。

其中兩岸為河道中前期已修建完工的漿砌石擋土墻，位于河道底部的供水管道為圓管，圓管直徑為1.8m，管壁厚度為0.5m，現今在河道的左岸處所示的框架結構為新建停車平臺，河道的河床寬15m，常年河道深度為3m。

2.2 設計模型

計算模型選取一個長為20m的河段作為典型河段進行計算分析，由于河底的河床比較平緩坡度變化不大，所以模擬過程中可以假設河底高程保持不變，建設好基本的模擬模型后通過有限元軟件建立該工程河段的三維模型。通過地質勘探資料，了解到該地區的地質情況，在進一步的數值計算中，為了提高計算結果的可靠性性，土體材料采用摩爾-庫倫模型，漿砌石、鋼筋混凝土及鋼管材料采用線彈性模型，各種材料的參數選取見表2。

圖1 河道設計斷面示意圖

表2 計算主要材料參數表

經過邊界條件的設定以及相關模型模擬，在框架結構的頂部進行荷載的施加，初步位于構件的頂部施加10kPa的均布活荷載，并在平臺下方的每個支柱的頂部施加285kN的集中荷載。然后通過3種不同條件的設定，比較河底管道的受力荷載和位移變化情況。

2.3 沉降分析

相關模擬后的數據分析得到：

(1)當河道兩旁的擋土墻建設后河底管道發生3.9mm的沉降；

(2)當停車平臺建設后河底管道發生10.9mm的沉降；

(3)當河道過水后河底管道發生20.2mm的沉降；

(4)當停車平臺投入使用后河底管道發生25.5mm的沉降。

綜上數據分析可得，當停車平臺正式投入使用后，河底管道的沉降位移最大，所以河底管道的沉降主要受到停車平臺投入使用后車輛的荷載影響。因河道兩岸的擋土墻為前期設計并已投入使用數年，所以本項目分析中應該除去擋土墻所帶來的沉降，最后河道中河底管道因建設停車平臺所增加的沉降值為21.6mm。僅考慮位移的影響，河道中的管道總長為20m，平均的單寬沉降值為1.08mm，對于管道而言1.08mm的單寬沉降值屬于小變形，即使在后期可能發生非人為因素的其他干擾性沉降，對管道的正常運用也并無影響。

2.4 應力分析

通過對河底管道的應力分析，可知擋土墻建設后河底管道所受到的主應力最大值為47.42kPa，河道中的停車平臺建設后河底管道所受到的主應力最大值為143.20kPa，河道過水后河底管道所承受的主應力最大值為547.80kPa，停車平臺正式投入使用后河底管道所承受的主應力最大值為927.55kPa。由以上的數據分析可知，河道過水及停車平臺投入使用之后對管道的大主應力最大值有較大的影響。根據相關資料，鋼材的抗拉強度極限值一般在300～400MPa，所以管道的大主應力最大值相對鋼材的抗拉強度極值較小。因此，若從單因子應力的角度來分析，位于河道中停車場的建設對河底管道不會產生大的影響。

所以，以上結果在假定了理想模型的情況下得出了停車平臺的建設對河底供水管道的受力情況影響較小，無需采取其他保護的措施的結果。

2.5 管道的疲勞損傷

對于河底管道除了沉降位移和應力分析，還有微觀的理論分析。在力學分析的基礎上對所研究的河底管道建立微觀破壞模擬計算模型。現實中的管道所受到的力學問題是十分復雜的，其中很多的影響因素具有隨機性、非線性等特點，所以管道的力學特性影響因素眾多而且相當復雜。

結構的微觀缺陷進一步演化和變形的局部化的特點，這兩個特點決定了管道的變形，因此，按照損傷的概念，對于河底管道原本存在的管道微小縫隙將會在荷載的作用發生變化的情況下，發生不同的演化，這種管道內部的損傷演化會不斷累積，使得管道的整體性能下降，抵抗外荷載的能力也同步下降。時間的不斷積累，侵蝕的不斷惡化，最終管道將失去抵抗性能，引起疲勞破壞。管道的損傷程度與所自身受到的功成正比，而這個功與應力的作用循環次數和該應力對管道進行了破壞的次數成正比。因此，本文考慮停車平臺正式投入使用后的荷載作用下管道的疲勞損傷增加相對平均，以及與不同強度的應力加載順序并不相關聯的條件下，采用工程中常用的Miner宏觀唯象定義一線性累積損傷模型：式中，[xN]—第N次停車平臺上方車輛荷載作用后河底管道的強度；[x0]—河底管道初始強度。所以，每一次車輛荷載的作用，管道會有不同程度的損傷，進而使得管道的抵抗荷載的強度不斷降低。

[xN]=(1-ND)[x0]

(1)

當停車平臺投入使用一段時間后，將河底管道所受的車輛荷載作用次N(即工作應力的循環次數)，作為一個已知量。令車輛載荷多次作用的應力均值為μl，強度均值為μs，應力和強度的標準偏差為σl和σs。令y=xs-xl，其中xs為強度，xl為工作應力，則由可靠性原理得管道可靠度表示式：

(2)

(3)

進而，將損傷累積的概念引入，即強度和強度均值在第N次應力循環后變為(1-ND)xs和(1-ND)μs，其中標準差不變。

因此可得公式：

(4)

當河底管道在建設停車平臺荷載作用下使用到一定時期時，可以通過車輛作用次數統計處N1，管道的剩余壽命為：N-N1。

最后在經過相應的模擬計算，該項目中河道中停車平臺對河底供水管道的損傷疲勞程度影響并不大。

3 結語

河道中相關設施的建設，勢必是會對河底的管道產生影響。本文通過對指定項目中河底管道的沉降、應力和疲勞損傷的分析，考慮因素較為全面，對所建項目進行了可靠的建模計算，最后得到的結果為河道中停車平臺對河底供水管道的沉降位移、受力情況以及疲勞損失的影響程度較小，建設中無需采取保護措施。同時，本文中使用的建模以及綜合分析方法，可以類比運用到其他相似項目中進行工程評估，通過軟件建模和經典公式的結合使用，更具合理性和代表性。