AutoBank軟件在防洪影響評價工程中的應用

余 紅

一、概述

在防洪影響評價中，常常會遇到管道穿越堤防問題，管道穿越堤防會對堤防滲流穩定產生影響，需通過滲流穩定計算，進一步復核堤防滲流穩定。目前堤防滲透穩定計算采用的是《堤防設計規范》（GB 50286-2013）附錄中的公式，應用規范公式計算時需通過試算，計算過程較復雜，工作量較大。隨著計算機技術的發展，數值方法（包括有限元法、有限差分法）在滲流穩定分析中得到了廣泛應用，大大減少了工作量。

AutoBank軟件是由河海大學工程力學系（工程力學研究所）研制，內部采用有限元技術，可對土壩、堤防、涵洞、水閘等水工建筑物進行詳細的分析計算。該軟件針對我國水利行業的要求而設計，具有明顯行業特點，可以直接應用AutoCAD圖形，全部圖形化界面，操作簡便，提高了工作效率；滲流、穩定、變形、應力、計算一體化，各計算階段無縫結合，軟件運行穩定，輸出結果全面。本文以安徽省懷遠縣、五河縣輸氣管道工程洪灣圩穿越項目為例，采用Autobank軟件分析洪灣圩堤防的滲流穩定，為防洪影響評價提供依據。

二、項目基本情況

安徽省懷遠縣、五河縣輸氣管道工程途經蚌埠市的高新區、禹會區、懷遠縣、淮上區等行政區域，新建天然氣管道長度約70.6km，并配套建設2座場站及3座閥室。項目燃氣管道途經洪灣圩，因洪灣圩爬堤處毗鄰十六號溝，該溝深且較寬，開挖鋪設管道施工難度大，需大面積占用農田，不利于農業生產。為加快項目建設，完成蚌埠市政府的要求，燃氣管道穿越洪灣圩施工方式為定向鉆穿越施工方式。工程位于安徽省蚌埠市五河縣沫河口鎮大李村。穿越處設計壓力為6.3MPa，地區等級為三級，設計系數取0.5，穿越管段為D273×6.3 L360M PSL2 直縫高頻電阻焊鋼管，穿越工程等級為小型。管道工程洪灣圩穿越項目縱斷面圖見圖1。

三、滲透計算

1.計算斷面選取

管道穿越走向與堤防軸線斜交呈約31°，工程考慮最不利為原則，故選取垂直堤防軸線斷面作為計算斷面，并將管道穿越走向按正交情況下計算。

2.計算參數選取

與堤身及堤基滲流穩定計算有關的主要參數有：各土層的滲透系數、土層厚度等。根據《安徽省懷遠縣、五河縣輸氣管道工程洪灣圩定向鉆穿越巖土工程勘察報告》中提供的地質剖面圖及各土層的分布情況，選取相應土層及參數進行計算，計算參數見表1。

由于定向鉆的施工擾動附近土體，所以將管道周圍近似看作透水性較好的土層，滲透系數取樁體穿透所在土層10倍。

圖1 管道工程洪灣圩穿越項目縱斷面圖

3.計算工況

根據《堤防設計規范》（GB 50286-2013），該工程堤防的滲流計算選用當沫河口淝南圩蓄洪時，洪灣圩迎水側在北淝河下游20年一遇設計洪水位（18.0m），背水側無水，即運用期最不利的工況進行計算。

4.計算內容及計算程序

堤防滲流計算主要內容為：在設計洪水工況下，計算堤身浸潤線出逸點位置，堤身出逸段和背水側堤基表面的出逸比降，繪制堤身及堤基的流網圖，并判斷其滲透穩定性。該工程堤防滲流計算采用二維穩定滲流有限元法，計算分析軟件采用河海大學土木工程學院開發的“AUTOBANK-水工結構有限元分析系統”。

5.計算模型

該工程計算斷面材料分區及有限元網格劃分見圖2、圖3。

6.計算結果及分析

通過計算知最大水力坡降為0.367，根據巖土體特性及經驗值，擬定淤泥質粉質黏土層及粉質黏土層允許坡降分別為0.45、0.5，計算結果滿足規范要求。從水力坡降圖和流速矢量圖上可以看出，浸潤線高程低于地面高程，堤基土出逸點水力坡降均小于允許坡降，不會產生滲流破壞，故該工況下，滲流穩定滿足要求。該工況下流速矢量圖，水頭、水壓、水力坡降等值線圖見圖4～圖7。

四、穩定計算

表1 堤身、堤基土層滲透系數取值表

表2 堤身、堤基土層參數取值表

表3 堤防抗滑穩定計算結果表

根據安徽省懷遠縣、五河縣輸氣管道工程穿越工程洪灣圩定向鉆穿越施工圖中堤身及穿越管道的布置情況，管道對堤防滲流產生影響，需通過邊坡抗滑穩定計算，進一步復核堤防邊坡抗滑穩定。

1.計算斷面選取

管道穿越走向與堤防軸線斜交呈約31°，工程考慮最不利為原則，故選取垂直堤防軸線斷面作為計算斷面，并將管道穿越走向按正交情況下計算。

2.計算參數選取

與邊坡抗滑穩定計算有關的主要參數有：各土層的土層厚度、滲透系數、容重、浮容重、土樣凝聚力、土樣內摩擦角等。根據四川省華地建設工程有限責任公司編制的《安徽省懷遠縣、五河縣輸氣管道工程洪灣圩定向鉆穿越巖土工程勘察報告》中提供的地質剖面圖及各土層的試驗結果見表2。

由于定向鉆的施工擾動附近土體，所以將管道周圍近似看作透水性較好的土層，滲透系數取樁體穿透所在土層10倍；堤基進行定向鉆施工后，土層的凝聚力及摩擦角基本無影響，在進行邊坡抗滑計算中，依舊取原土層相關參數。

3.計算方法及計算工況

選定為沫河口淝南圩蓄洪時，洪灣圩迎水側在北淝河下游20年一遇設計洪水位（18.0m）穩定滲流期及地震期兩種情況下的邊坡穩定計算。

根據《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2015），項目區地震動峰值加速度為0.10g，地震基本烈度值Ⅶ度。

圖2 計算斷面材料分區圖

圖3 有限元網格圖

圖4 流速矢量圖

圖5 水頭等值線圖

圖6 水壓等值線圖

圖7 水利坡降等值線圖

計算過程采用河海大學土木工程學院開發的“AUTOBANK-水工結構有限元分析系統”。

4.計算結果

根據《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）中3.2.3條，土堤邊坡抗滑穩定采用簡化畢肖普法計算時，安全系數不應小于附表的規定。洪灣圩屬于一等圩，相當于3級堤防，計算工況為正常運用條件和非常運用條件II，對應允許安全系數分別為1.30和1.15，抗滑穩定安全系數計算結果均滿足規范要求，計算成果見表3。

五、結論與建議

根據滲透穩定分析計算可知，在20年一遇設計洪水位（18.0m）工況下，最大水力坡降為0.367，滿足規范要求，且浸潤線高程低于地面高程，堤基土出逸點水力坡降均小于允許坡降，不會產生滲流破壞，故滲流穩定滿足要求；在穩定滲流期及地震期兩種工況下，安全系數均大于允許安全系數，故抗滑穩定安全系數計算結果均滿足規范要求。

雖然定向鉆施工覆土層在正常情況下不會被破壞，但引水管管壁在未采用有效的防滲處理措施施工時，管壁與周圍土體之間存在空隙，易形成集中滲流通道。當沫河口淝南圩蓄洪時，上游水頭將以壓力傳遞方式作用于堤后管道的覆蓋層，可能造成局部滲流破壞，影響整個洪灣圩的安全。建議采取防滲措施，增加燃氣管和堤防的穩定性。

由于擬建工程可能對堤防安全管理范圍內土體產生擾動作用，為確保防洪安全，管道施工時，應對定向鉆出、入土點采用截滲環、粘土置換和壓密灌漿等防滲措施，防止接觸面部位成為滲透通道。同時，建設單位應在管道出、入土處以及穿越管線周邊堤防安全管理范圍內設沉降觀測點，并加強觀測，發現不利情況需及時報告并采取有效措施，確保防洪安全■