頂管穿河工程滲流特性三維有限元分析和評(píng)價(jià)

何群，袁博文，俞昊捷

（1.信陽(yáng)市淮河管理處，河南 信陽(yáng) 464400；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098）

頂管施工具有不開挖地面，不破壞地層結(jié)構(gòu)，對(duì)原工程影響較小的特點(diǎn)，在管道穿越工程中得到了廣泛應(yīng)用[1]，如穿越河道[2]、道路[3]等障礙物和深覆土大管徑的管道工程[4,5]。對(duì)于穿河工程而言，雖然其頂管具有較高的安全性，對(duì)周邊環(huán)境影響小，但是仍不可避免地會(huì)擾動(dòng)管道周圍土體[6,7]，導(dǎo)致土體密實(shí)度降低[8]，致使管道周圍土體滲透系數(shù)變大，進(jìn)而改變了原堤防的滲流場(chǎng)[9]，可能會(huì)誘發(fā)堤防出現(xiàn)滲透穩(wěn)定問(wèn)題[10]，影響工程安全[11]。故一些工程會(huì)采用防滲措施削減水頭[12]，如混凝土攪拌樁等。針對(duì)頂管工程易誘發(fā)提防發(fā)生滲透破壞問(wèn)題，已有學(xué)者開展大量的研究。陳宏任等[13]采用初流量法，分析了天然氣管道穿越湘江時(shí)，湘江堤防的滲透安全問(wèn)題，重點(diǎn)考慮了穿江管道埋深和穿越位置兩個(gè)因素。張毅[14]采用臨界水力梯度法，定量分析了穿堤管道施工誘發(fā)滲透破壞的可能性。雷剛[15]針對(duì)灄水河管道穿越工程研究了滲流作用對(duì)提防的影響，認(rèn)為滲流作用是進(jìn)行地下開挖及支護(hù)應(yīng)考慮的重要因素。李虎成等[16]分析了某管道穿河工程的入土點(diǎn)和出土點(diǎn)最佳位置，研究了穿越段堤防的滲透穩(wěn)定問(wèn)題。余劍平等[17]分析了穿越工程對(duì)堤防滲流的影響，并討論了地層擾動(dòng)嚴(yán)重時(shí)的防滲工程設(shè)計(jì)方法。但現(xiàn)有研究較少涉及頂管施工而引起的周圍堤基滲透特性變化對(duì)滲流特性的影響，并且尚未有分析防滲墻施工缺陷對(duì)滲流特性的影響的研究。

本文結(jié)合某頂管穿河工程，確定了頂管施工堤防滲流影響的范圍，運(yùn)用非飽和滲流計(jì)算方法和超單元法，建立了飽和-非飽和滲流三維有限元分析模型，研究了因頂管施工而引起周圍堤基滲透特性變化和防滲墻施工缺陷對(duì)滲流特性的影響，并對(duì)該工程進(jìn)行了滲流安全評(píng)價(jià)，以期為頂管穿河工程的設(shè)計(jì)及滲流安全評(píng)價(jià)提供參考。

1 工程概況

某頂管穿河工程所在河段右岸的堤壩堤頂寬8.0 m，外側(cè)邊坡1:3，內(nèi)側(cè)邊坡平臺(tái)以上為1:3，平臺(tái)以下為1:4.5，平臺(tái)寬4.5 m；左岸堤頂高程15.2 m，堤頂寬6.0 m，迎、背水坡邊坡為1:3，背水坡在堤頂以下3.0 m處設(shè)寬度為2.0 m平臺(tái)。穿河管道為壁厚度0.15 m的鋼筋混凝土管道，管底內(nèi)壁高程為-6.7 m，管道中心高程為-5.9 m，管頂內(nèi)壁高程為-5.2 m。現(xiàn)狀河底高程-1.9 m，管頂外壁距河底3.1 m。為防止堤壩發(fā)生滲透破壞，在堤頂附近設(shè)置防滲墻，以降低堤壩土體的滲透坡降，防滲墻采用直徑600 mm的高壓旋噴樁，樁平面布置長(zhǎng)度約10.0 m，樁端入中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖不少于0.5 m，高壓旋噴樁防滲墻范圍為管道軸線向堤壩軸線兩側(cè)各延伸5.0 m。

2 計(jì)算模型及工況

2.1 頂管施工滲流影響范圍的確定

頂管穿越過(guò)程中會(huì)對(duì)管道周邊的原土體產(chǎn)生擾動(dòng)，影響原土體的密實(shí)度，繼而使得管道周圍土體的滲透系數(shù)增大，甚至可能會(huì)沿管道周邊形成一條滲流通道，這對(duì)于堤防的滲流穩(wěn)定和滲流安全是相當(dāng)不利的。因此，確定頂管穿越施工的影響范圍對(duì)于防滲方案的設(shè)計(jì)、滲流的計(jì)算至關(guān)重要。

施仲衡等[18]假定基底壓力按45°向下擴(kuò)散，影響范圍邊線定在管道擾動(dòng)區(qū)外，認(rèn)為管道擾動(dòng)區(qū)為（為管道半徑），建筑物基礎(chǔ)影響范圍Ⅰ區(qū)內(nèi)的影響較大，影響范圍Ⅱ區(qū)內(nèi)則相對(duì)較小，具體影響范圍見圖1。

圖1 管道對(duì)周圍土體的影響范圍

本文采用上述的方法進(jìn)行估算頂管施工的影響范圍，管道直徑較小只有1.5 m，且埋深較大，考慮到土體的拱效應(yīng)，頂管施工對(duì)上部的影響較小，故未對(duì)影響區(qū)域內(nèi)地基和堤壩進(jìn)行相應(yīng)的工程處理。由公式計(jì)算可以得到影響范圍Ⅱ區(qū)的長(zhǎng)度約為26.2 m，考慮影響區(qū)內(nèi)地基和堤壩滲透特性變化對(duì)滲流場(chǎng)的影響。

2.2 計(jì)算網(wǎng)格及材料參數(shù)

本文采用非飽和滲流原理進(jìn)行滲流計(jì)算[19,20]，采用控制斷面超單元法對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行剖分，計(jì)算坐標(biāo)系規(guī)定如下：取X軸垂直于大堤軸線方向，以右岸指向左岸為正；Y軸為大堤軸線方向，以下游指向上游為正；Z軸為垂直方向，向上為正，與高程一致。模型的坐標(biāo)原點(diǎn)取在管道豎直中心平面在模型左側(cè)投影且高程為0.0 m處。計(jì)算模型的截取范圍如下：X方向，分別以兩岸圩外坡腳為基準(zhǔn)，向左右側(cè)方向各截取30.0 m；Y方向，根據(jù)上文計(jì)算得到的影響范圍取大堤段長(zhǎng)60.0 m；Z方向，底部截至高程為-30.0 m。計(jì)算模型的整體有限元網(wǎng)格如圖2所示，有限元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為40941個(gè)，單元總數(shù)為36450個(gè)。根據(jù)地質(zhì)勘察資料及堤壩天然滲流性態(tài)，采用可變?nèi)莶罘╗21]，反演了堤壩與地基各土層的滲透系數(shù)，詳見表1，同時(shí)表1列出了各材料的允許滲透坡降。

圖2 計(jì)算模型有限元網(wǎng)格圖

圖3 Base-1工況垂直管道軸線剖面的位勢(shì)分布(m)

圖4 Base-1工況垂直大堤軸線剖面的位勢(shì)分布(m)

2.3 計(jì)算工況

由于頂管施工會(huì)對(duì)周圍土體造成擾動(dòng)，會(huì)影響原堤防的滲流場(chǎng)；高壓旋噴樁防滲墻的施工缺陷會(huì)對(duì)防滲墻的滲透特性產(chǎn)生影響，故本文改變頂管施工影響范圍內(nèi)土體滲透系數(shù)和防滲墻的滲透系數(shù)進(jìn)行滲流計(jì)算，對(duì)比分析其對(duì)兩岸堤防內(nèi)部滲流性態(tài)的影響，擬定計(jì)算工況如表2所示。

3 滲流特性分析

3.1 穿越段大堤的滲流位勢(shì)分布

由于計(jì)算模型沿管道中心線對(duì)稱，選取垂直大堤軸線3個(gè)剖面、平行大堤軸線4個(gè)剖面分析其地下水水位和位勢(shì)分布，具體剖面位置，見圖2。垂直大堤軸線的剖面分別是：剖面Ⅰ-Ⅰ位于管道中心處，剖面Ⅱ-Ⅱ位于管道上游防滲墻范圍內(nèi)，剖面Ⅲ-Ⅲ位于管道上游影響范圍Ⅱ內(nèi)。平行大堤軸線方向選取的斷面分別是：剖面1-1位于右岸堤防滲墻下游側(cè)，剖面2-2位于右岸堤防滲墻中心處，剖面3-3位于左岸堤防滲墻中心處，剖面4-4位于左岸防滲墻下游側(cè)。由于篇幅限制，本文僅列出Base-1工況各剖面的位勢(shì)分布，如圖3與圖4所示。

由各位勢(shì)分布圖可知：管道穿越段的滲流場(chǎng)變化規(guī)律較為明確，河道中的河水透過(guò)地基滲透到下游側(cè)，浸潤(rùn)面在通過(guò)高壓旋噴樁防滲墻后下降較為明顯。對(duì)比分析工況Base-1、Pipe-1和Pipe-2可得：高壓旋噴樁防滲墻內(nèi)的水頭降落明顯遞增。在頂管施工影響范圍內(nèi)滲透系數(shù)增大10倍（工況Pipe-2）的情況下，高壓旋噴樁防滲墻內(nèi)的位勢(shì)降落最為明顯，其消減水頭的作用也最明顯。對(duì)比分析 Base-1、Wall-1和Wall-2可得：高壓旋噴樁防滲墻的水頭降落明顯遞減。在防滲墻滲透系數(shù)增大10倍（工況WALL-2）的情況下，高壓旋噴樁防滲墻上下游的位勢(shì)降落最不明顯，其消減水頭的作用也最弱。

大堤及地基各土料滲透系數(shù)及允許滲透坡降表 表1

滲流分析計(jì)算工況 表2

大堤滲流分析計(jì)算結(jié)果 表3

3.2 滲流出逸高程

大堤滲流出逸點(diǎn)高程、出逸坡降、堤身最大滲透坡降、高壓旋噴樁防滲墻最大滲透坡降等成果如表3所示。

在工況Base-1，浸潤(rùn)面都未從背水坡出逸，右岸大堤滲流出口處地下水位高程分別為4.112 m、4.097 m，左岸大堤滲流出口處地下水位高程分別為6.115 m、6.095 m。在工況Pipe-1和工況Pipe-2條件下，右岸大堤滲流出口處地下水位高程比工況Base-1出逸高程分別降低了0.095 m和0.101 m，左岸大堤滲流出口處地下水位高程比工況Base-1出逸高程分別降低了0.089 m和0.096 m，這是由于土體滲透系數(shù)增大而引起的。高壓旋噴樁防滲墻下游側(cè)地基土的滲透系數(shù)增大，可以提高排水性能，在防滲墻的保護(hù)下，這種排滲作用是有利的。

在工況Wall-1和工況Wall-2條件下，右岸大堤滲流出口處地下水位高程比工況Base-1出逸高程分別升高了0.099 m和0.121 m，左岸大堤滲流出口處地下水位高程比工況Base-1出逸高程分別升高了0.079 m和0.099 m，這是由于防滲墻的滲透系數(shù)增大并接近周圍土體的滲透系數(shù)，防滲墻削減水頭的作用顯著降低，進(jìn)而導(dǎo)致出逸高程抬高。

3.3 滲透坡降和滲透穩(wěn)定

對(duì)比表3的堤身最大滲透坡降與表1中大堤和地基土體的允許滲透坡降可知：在各種工況下，堤身與堤基土層的最大滲透坡降均不超過(guò)0.3，堤身與堤基的滲透坡降均小于相應(yīng)土體的允許滲透坡降，可以滿足要求。

3.4 高壓旋噴樁防滲墻的作用

由表3可知，隨著頂管施工影響范圍內(nèi)堤防和地基土滲透系數(shù)的增加，即隨著頂管施工對(duì)管道周圍土體影響的增強(qiáng)，高壓旋噴樁防滲墻內(nèi)的最大滲透坡降明顯增大，這是因?yàn)橥馏w的滲透系數(shù)變化后防滲墻的阻水作用亦發(fā)生變化。當(dāng)土體滲透系數(shù)增大時(shí)，高壓旋噴樁防滲墻的阻水作用明顯增大，通過(guò)高壓旋噴防滲墻的水頭損失增大。

分析對(duì)比工況Base-1、Wall-1和Wall-2下的高壓樁旋噴防滲墻內(nèi)最大滲透坡可得：隨著高壓樁旋噴防滲墻滲透系數(shù)的增加，即防滲墻施工出現(xiàn)缺陷，高壓旋噴樁防滲墻內(nèi)的最大滲透坡降明顯減小，這是由于防滲墻的滲透系數(shù)增大并接近周圍土體的滲透系數(shù)，高壓旋噴樁防滲墻的阻水作用明顯降低，通過(guò)高壓旋噴樁防滲墻的水頭損失減小。

4 結(jié)論

本文結(jié)合某頂管穿河工程，確定了頂管施工滲流影響范圍，分析了頂管穿河工程堤壩的滲流特性，研究了頂管施工和防滲墻施工缺陷對(duì)滲流特性的影響，并對(duì)該工程進(jìn)行了滲流安全評(píng)價(jià)，得到以下結(jié)論：

①在各種工況下，高壓旋噴樁防滲墻內(nèi)的最大滲透坡降、堤身與堤基的最大滲透坡降均較小，小于相應(yīng)材料的允許滲透坡降，滲透穩(wěn)定性滿足要求；

②改變頂管施工影響范圍內(nèi)堤壩和地基土的滲透系數(shù)以考慮頂管施工對(duì)周圍土體擾動(dòng)的影響，分析表明，當(dāng)土體滲透系數(shù)增大時(shí)，即隨著頂管施工對(duì)周圍土體擾動(dòng)的增強(qiáng)，高壓旋噴樁防滲墻的阻水作用更為顯著，通過(guò)高壓旋噴樁防滲墻的水頭損失增大；

③改變高壓旋噴樁防滲墻的滲透系數(shù)以考慮施工缺陷的影響，分析表明，防滲墻的滲透系數(shù)越大，即防滲墻施工缺陷不斷嚴(yán)重，通過(guò)高壓旋噴樁防滲墻的水頭損失越小；

④高壓旋噴樁防滲墻對(duì)于降低大堤浸潤(rùn)面有明顯的作用，需要保證高壓旋噴樁防滲墻的施工質(zhì)量，避免因施工缺陷形成滲漏通道從而降低防滲墻的防滲作用。