河道中新建筏板平臺對河底供水管線的影響性分析

張守磊

(北京禹冰水利勘測規劃設計有限公司，北京 100161 )

1 概 述

隨著科技及經濟建設的發展，我國城市建設日益凸起。由于城市地面空間的局限性，使城市工程建設需要不斷的向“地下”、“天空”等各個不同的方向“索要”空間[1-6]。河流作為城市中不可或缺的部分，河道自然也會成為城市工程建設拓展空間的一個“目標”[7-11]。然而，城市河道底部往往布設了很多供水、供電管網，后期這些工程的建設，肯定會對現存的地下管網帶來或多或少的影響。因此，就城市河道頂部工程建設對現狀河底管網所帶來的影響的問題，很有必要進行有針對性的探究。

2 工程概況及設計方案

北京市大興區小龍河現狀河道底部沿著河流流向埋設了一條供水管線，水管位于設計河底以下約2.5 m的位置，管道采用DN1 800 mm鋼管，管材為Q235B，管道工作壓力0.5 MPa，設計內水壓力1.0 MPa，管壁厚18 mm。在河道綜合治理工程中，根據城市道路規劃的布局，擬在河道左岸局部沿線水面上空建設5 m寬的筏板平臺，設計效果圖見圖1。

筏板平臺計劃采用鋼筋砼框架結構，河道中筏板平臺的初擬斷面見圖2。本方案中對河道左右兩岸開挖后采用土釘支護，表面采用素混凝土噴護。框架結構采用整體現澆，頂板寬度5.65 m，板厚0.2 m，采用0.8 m×0.8 m獨立柱，柱中心間距為4.15 m，采用筏板基礎，底板厚0.9 m，寬16.32 m，河道中正常水深為3.0 m。

圖2 擬建筏板平臺斷面圖

3 計算模型及邊界條件

3.1 計算模型

根據河道筏板平臺設計方案，為防止混凝土結構差異沉降，新建筏板平臺在順水流方向每13.5 m布置一條結構縫，筏板平臺底板厚900 mm，在底板頂部沿著順水流方向每4.15 m均勻布置的一混凝土支撐，混凝土支撐立柱的設計斷面為800 mm×800 mm，筏板平臺所在河道的設計河底縱坡i=0.000 7。

因此，在筏板平臺三維模型構建過程中，為便于分析，選取13.50 m的典型河段進行模型構建。借助三維有限元軟件構建了該河段三維計算模型，見圖3～圖4。模型底部選取地基厚度為8 m，順水流模型長度為13.50 m，垂直水流向模型寬度為30 m，該模型中地基、平臺、管道等均采用3D實體四面體及六面體單元。

圖3 整體三維模型圖

圖4 筏板平臺框架模型圖

3.2 材料參數

根據工程現場地質勘探資料，筏板平臺建基在土基上，土體材料自上而下依次分為粉砂層、細砂層、粉土層。其中粉砂層深度約1.45 m，細砂層深度約7.05 m，粉土層深度約1.5 m。筏板結構直立式邊墻后側采用基坑開挖土體分層壓實回填，筏板平臺采用C30鋼筋混凝土材料。為了精確模擬分析結構的受力情況，在材料本構模型的選取過程中，充分參考類似工程項目的計算經驗，鋼筋混凝土材料選用線彈性本構模型，土體材料選用摩爾-庫倫本構模型，各種不同材料參數設置情況見表1。

3.3 邊界條件設置

該筏板平臺設計使用年限為50年，結構安全等級為二級，汽車荷載標準采用公路Ⅱ級。在該工程中，主要分兩種情況進行研究分析：第一種情況為筏板平臺正常運用河道無水的情況；第二種情況為河道過水的情況。

計算過程中，充分考慮到整個工程的建設過程，結合兩種運用情況，共分4個階段進行計算分析。主要計算階段分為：①筏板平臺施工完建；②筏板平臺側面土體回填；③筏板平臺頂部施加車輛荷載；④河道斷面過水。

利用有限元分析過程中，在三維模型的中間設置約束條件，在河道的順水流方向以及垂直水流方向設置垂直作用面的約束，在模型基底面設置重力方向的固定約束。計算過程中，首先計算分析原裝土體在自重作用下的地應力，然后根據工程施工的實際順序，在模型中不同結構位置分別施加靜水壓力、筏板頂部車輛荷載、供水管道內部壓力等，具體荷載以及約束設置情況見圖5。

4 計算結果分析

4.1 豎向位移分析

經過計算分析，可以得到不同階段河道管道斷面豎向位移云圖，見圖6。由圖6中數據分析可知，河道中筏板平臺及左岸的回填土沉降最大，從筏板平臺建成、土體回填、筏板平臺運用、河道過水過程中，地基土中的沉降等值線大致呈現平行的趨勢，在底板以下并未有明顯的沉降突變，這表明整體式筏板平臺的建設對地基不均勻沉降的影響不大，不會導致管道因土體差異差異沉降而產生受力不均的情況。

結合圖6中云圖可以統計得到不同階段管道沉降情況，見表2。由表2中數據分析可知，在第一階段管道沉降位移為10.3 mm，第二階段管道的沉降位移為13.0 mm，第三階段管道的沉降位移為17.1 mm，第四階段管道的沉降位移為19.5 mm。通過分析可知，與天然狀態相比，筏板平臺建成之后，管道的沉降量增大了10.3 mm；土體回填之后，管道的沉降量增大了2.7 mm；投入使用之后，管道的沉降量增大了4.1 mm；河道過水之后，管道的沉降量增大了2.4 mm。由此可得，管道的沉降位移主要發生在筏板平臺施工完成及投入使用之后兩個階段。綜上可知，河道中該方案擬建的筏板平臺建成、投入運用且在河道過水的情況下，所導致的管道的沉降量大約為19.5 mm。

圖6 不同階段管道沉降位移云圖(m)

表2 管道沉降計算成果匯總/mm

4.2 管線應力分析

就管道而言，抗拉強度是評價管材力學特性的主要參數。通過數值計算，可以得到不同階段管道的大主應力(拉應力)云圖，見圖7。由多組應力分布云圖可知，管道的大主應力主要發生在管道的頂部位置。

結合圖7，可以得到不同階段管道大主應力情況，見表3。

圖7 不同階段管道大主應力云圖(kPa)

由表3中數據分析可知，在第一階段管道大主應力最大值為52.71 MPa，第二階段管道大主應力最大值為52.62 MPa，第三階段管道大主應力最大值為52.54 MPa，第四階段管道大主應力最大值為52.55 MPa。由此可知，在整個工程建設乃至運用過程中，管道的大主應力變化幅度不大，筏板平臺的建設及河道的過水情況，導致管道的大主應力略有減少，但減少值僅為0.17 MPa。因此，從應力角度而言，筏板平臺的建設對管道應力方面的影響不大。

表3 管道大主應力計算成果匯總 /MPa

4.3 筏板平臺基底應力分析

通過數值計算，可以得到不同階段筏板平臺底板部位的豎向應力云圖見圖8。由多組豎向應力云圖對比分析可知，由于框架柱的荷載傳遞作用，底板部位豎向應力大致對稱分布，僅在支撐柱底部的位置略有突變，底板兩側的豎向應力值較大，底板中部位置豎向應力值相對較小。

通過數據統計分析，可以得到平臺基底應力的數值，見表4。由表4中數據分析可知，從筏板平臺建成之后，在第一階段底板豎向應力最大值為99.9 kPa，最小值為9.0 kPa，豎向應力均值為54.5 kPa；在第二階段底板豎向應力最大值為119.0 kPa，最小值為5.6 kPa，豎向應力均值為62.3 kPa；在第三階段底板豎向應力最大值為199.0 kPa，最小值為5.3 kPa，豎向應力均值為102.2 kPa；在第四階段底板豎向應力最大值為220.0 kPa，最小值為19.0 kPa，豎向應力均值為119.5 kPa。

圖8 不同階段筏板平臺豎向應力云圖(kPa)

表4 基底應力計算成果匯總/kPa

5 結 論

城市河道底部往往布設了很多供水、供電管網，河道中新建結構物肯定會對現存的地下管網帶來一定程度的影響。本文結合北京市大興區小龍河治理工程，借助有限元軟件，針對河道中擬建筏板平臺對河底現存供水管網的影響，從結構沉降、管道應力、筏板結構基底應力3個方面進行了系統的分析。結果表明，筏板平臺的建設投入運行后，在結構沉降方面，管道豎向沉降最大值為19.5 mm，管道此時處于小變形受拉的狀態；在管道應力方面，管道大主應力最大值為52.55 MPa，遠小于鋼材的抗拉強度極限值；在筏板基底應力方面，筏板結構基底應力均值為119.5 kPa，小于基底承載能力限制。因此，河道中筏板平臺的建設，對河底現存管道的影響性相對較小，工程建設中無需設置必要的保護措施。