管道穿堤工程對(duì)堤防安全穩(wěn)定的影響分析

楊春瑞

（安徽省淮河河道管理局，安徽 蚌埠 233000）

1 概述

近年來隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速高效發(fā)展，基礎(chǔ)工程建設(shè)越來越多，其中管道工程由于運(yùn)輸不間斷、長(zhǎng)距離、適應(yīng)性良好等優(yōu)點(diǎn)，在遠(yuǎn)程物料運(yùn)輸中起到非常重要的作用，尤其是燃?xì)夤艿馈⒂土瞎艿馈崃艿赖葔毫艿辣粡V泛使用，壓力管道穿越河道兩岸堤防大多數(shù)采用水平定向鉆的方式，管道穿堤工程采用水平定向鉆施工過程中會(huì)擾動(dòng)河道兩岸堤基，破壞堤基土壓力平衡，另外管道運(yùn)行過程因壓力局部震動(dòng)使得土體和管道之間易形成空隙，造成滲流破壞，因此需對(duì)管道穿堤工程處堤防進(jìn)行安全穩(wěn)定論證，分析管道工程對(duì)堤防的影響程度，充分論證后采取合理、有效的防補(bǔ)措施進(jìn)行消弱不利影響，確保堤防防洪安全。本文以淮河重要支流沙潁河潁上段某燃?xì)夤艿来┰焦こ虒?shí)例為分析對(duì)象，通過《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）中有關(guān)計(jì)算公式對(duì)穿越處堤防穩(wěn)定安全進(jìn)行復(fù)核分析，并結(jié)合防洪影響專項(xiàng)補(bǔ)救措施進(jìn)行研究。在此工程的基礎(chǔ)上，結(jié)合淮河河道管理工作中關(guān)注的重點(diǎn)問題提出有關(guān)意見和建議，為類似管道穿堤工程提供技術(shù)經(jīng)驗(yàn)參考。

該管道工程穿越沙潁河處位于阜陽市潁上縣慎城鎮(zhèn)，距下游潁上閘約2.9km，對(duì)應(yīng)沙潁河左堤樁號(hào)41+270，沙潁河右堤樁號(hào)151+450。管道工程采用水平定向鉆方式穿越河道，出、入土點(diǎn)均位于沙潁河兩岸堤防背水側(cè)，入土角度6°，入土點(diǎn)距沙潁河左堤背水側(cè)堤腳垂直距離197m；出土角度8°，出土點(diǎn)距沙潁河右堤背水側(cè)堤腳垂直距離114m；管道工程穿越沙潁河河道水平段長(zhǎng)度678m，水平段管道中心線高程為-5.10m。本工程穿越處沙潁河河道主槽寬度220m，河床深弘處高程13.0m。工程處沙潁河左、右堤堤距310m，沙潁河左堤堤防等級(jí)為Ⅰ級(jí)，堤頂高程30.60m，頂寬11.7m，堤防迎水側(cè)坡比1∶3.4，背水側(cè)堤頂以下3m 處設(shè)二級(jí)平臺(tái)，平臺(tái)寬3.5m，高程27.6m，平臺(tái)以上坡比1∶3.3，平臺(tái)以下坡比1∶5.9；沙潁河右堤堤防等級(jí)為Ⅱ級(jí)，堤頂高程30.3m，頂寬6.7m，堤防迎水側(cè)坡比1∶3.0，背水側(cè)坡比1∶3.2。

2 堤防滲流安全穩(wěn)定計(jì)算

由于管道工程施工和運(yùn)行過程中均在一定程度上擾動(dòng)管道周圍土體，破壞土壓力平衡，易產(chǎn)生滲流破壞，因此需充分對(duì)管道工程穿越處堤防進(jìn)行安全穩(wěn)定復(fù)核分析，其中滲流穩(wěn)定又是分析的重點(diǎn)。雖然水平定向鉆穿越堤防具有不開挖堤防的優(yōu)點(diǎn)，但在施工過程中無法避免對(duì)管道周圍一定范圍內(nèi)的原土體產(chǎn)生擾動(dòng)破壞，致使管道周圍影響范圍內(nèi)土體的滲透系數(shù)增大，進(jìn)而可能會(huì)沿管道軸線方向形成一條滲流通道，從而對(duì)穿越處堤防產(chǎn)生不利影響。針對(duì)管道工程因穿越造成上述這些可能出現(xiàn)的不利情況，本文結(jié)合淮河流域類似工程經(jīng)驗(yàn)，通過采取提高管道影響范圍內(nèi)各級(jí)土層滲透系數(shù)一個(gè)數(shù)量級(jí)來取值，將影響范圍土層作為相對(duì)透水層，管道影響范圍以外其他各級(jí)土層滲透系數(shù)取值不變。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）中提供滲透安全穩(wěn)定計(jì)算方法和要求進(jìn)行綜合分析計(jì)算，主要計(jì)算內(nèi)容如下：

2.1 計(jì)算條件

2.1.1 正常運(yùn)用條件Ⅰ：堤防迎水側(cè)為設(shè)計(jì)洪水位，背水側(cè)為無水的不利工況。

2.1.2 正常運(yùn)用條件Ⅱ：在48 小時(shí)內(nèi)堤防迎水側(cè)水位由設(shè)計(jì)洪水位陡降至堤腳，背水側(cè)為無水的不利工況。

各級(jí)土層地質(zhì)情況利用擬建工程地質(zhì)勘察報(bào)告和工程穿越處堤防地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析確定，各級(jí)土層地質(zhì)物理指標(biāo)特性表見表1。

表1 管道工程穿越堤防處各級(jí)土層地質(zhì)物理指標(biāo)特性表

表2 堤防各工況下滲流及滲透穩(wěn)定計(jì)算成果表

2.2 計(jì)算方法

采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所開發(fā)的《水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)（Autobankv7.05）》中的堤防滲流穩(wěn)定計(jì)算程序，對(duì)工程穿越處堤防滲流及滲透穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算原理如下：

2.2.1 用有限元離散分析滲流場(chǎng)，假設(shè)單元滲流場(chǎng)的水頭函數(shù)勢(shì)φ按多項(xiàng)式分析，由微積分方程及有關(guān)邊界條件確定問題進(jìn)行變分，可求解得出線性方程組：

式中：[H]—為滲透矩陣；

{φ}—為滲流場(chǎng)水頭；

{F}—為節(jié)點(diǎn)滲流量。

2.2.2 穩(wěn)定滲流按照達(dá)西定律的非均各向異性二維滲流場(chǎng)，水頭勢(shì)計(jì)算函數(shù)應(yīng)滿足微積分方程：

式中：

φ—待求解的水頭勢(shì)函數(shù)，φ=φ（x,y）；

x，y—二維平面坐標(biāo)參數(shù)；

kx，ky—x，y 軸方向的各級(jí)土層滲透系數(shù)。

計(jì)算水頭φ應(yīng)符合一定的邊界條件，常規(guī)出現(xiàn)以下幾種邊界條件分析：

1）已知上游側(cè)邊界上的水頭

2）逸出邊界的水頭與位置高度相等

3）已知某邊界上的滲流量q

式中：lx，ly分別為邊界表面向外法線在x，y方向的方向余弦。

以上各方程組聯(lián)合求解得到節(jié)點(diǎn)水頭，由此求解得到各單元的水力坡降、流速等物理量。求解關(guān)鍵是如何確定浸潤(rùn)線的位置，利用節(jié)點(diǎn)流量平衡法通過迭代方式計(jì)算來確定浸潤(rùn)線的位置和滲流量。

2.3 計(jì)算結(jié)果

按照上述設(shè)定計(jì)算條件所選取的工況、參數(shù)和計(jì)算方法對(duì)堤防堤基進(jìn)行滲流及滲透穩(wěn)定分析，計(jì)算結(jié)果見表2。

3 計(jì)算結(jié)果分析

從表2 計(jì)算成果可知，沙潁河左、右堤滲流安全穩(wěn)定計(jì)算值均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的允許要求。

4 采取措施

雖然通過滲流穩(wěn)定計(jì)算得出水力坡降計(jì)算值均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，但考慮管道工程穿越沙潁河對(duì)兩岸堤防帶來的不利影響，應(yīng)進(jìn)行防滲處理，采取的措施為：對(duì)沙潁河左、右堤堤基采用水泥高壓擺噴截滲墻以及沿管道出、入土段進(jìn)行壓密注漿，確保管道影響堤段的防洪安全。

5 結(jié)論與建議

綜上分析可知，管道工程穿越堤防應(yīng)結(jié)合淮河汛期合理安排施工進(jìn)度計(jì)劃，涉及影響防洪安全工程的施工應(yīng)安排淮河非汛期實(shí)施，盡可能減少對(duì)影響堤段堤基底部各級(jí)土層的擾動(dòng)，并結(jié)合對(duì)兩岸堤防采取防滲補(bǔ)救措施來降低管道工程對(duì)堤防的影響程度，確保堤防防洪運(yùn)行安全穩(wěn)定。通過上述防治與補(bǔ)救措施的實(shí)施，可使得管道工程對(duì)堤防滲流安全穩(wěn)定的影響程度降至允許范圍內(nèi)，為堤防安全穩(wěn)定防治與補(bǔ)救及涉河建設(shè)項(xiàng)目審查提供了一些參考依據(jù)。同時(shí)結(jié)合淮河河道涉河建設(shè)項(xiàng)目管理要求和淮河兩岸已實(shí)施的管道工程運(yùn)行管道情況，建議穿河穿堤管道工程出、入土點(diǎn)設(shè)置在迎水側(cè)灘地上，與兩岸迎水側(cè)堤腳保持一定的安全距離，采用爬堤方式在設(shè)計(jì)洪水位以上穿越兩岸堤防，確保管道穿堤工程對(duì)堤防的影響程度降到最低