浅析顶管穿堤管道对堤防渗透稳定的影响

浅析顶管穿堤管道对堤防渗透稳定的影响

李艳东

随着工业、经济的快速发展，人口的不断增加，生产、生活所需的供水量逐渐增加。从河道中取水的穿堤管道项目也越来越多，管道穿越可能对堤防安全造成一定的影响。因此，应对管道穿堤影响进行分析计算。结合近年来的工程实践经验，以某产业园区自来水厂沙颍河取水工程为例，就穿堤管道对堤防造成的影响进行深入地分析计算，为今后开展相近工程的分析工作提供参考。

一、基本情况

1.项目基本情况

拟建用水自来水厂一座，从沙颍河河道内取水，主要用于园区工业循环冷却用水。取水量设计总规模为9.5万m3/d，按照5%水厂自用水考虑，设计最高日总取水量为9.98万m3/d，分两期建设。一期工程设计取水量4.8万m3/d，最高日取水量5.04万m3/d。主要内容包括取水工程、净水厂工程以及配水管网工程。其中取水工程泵房设置在堤防背水侧，引水管为2根DN1020×14-300m，采用顶管施工工艺水平穿越颍左堤，管道中心线于堤顶处埋深为14.82m。引水管穿越中心标高为18.35～18.65m，引水管的长度约300m。根据地质勘探资料，穿越高程处于迎水侧第（4）层粉质粘土夹粉土层的上部，背水侧第（2）层粉质粘土夹粉土层。防洪闸门距离堤防迎水侧堤脚50m，取水泵站位于堤防背水侧，距离堤脚60m。

2.河道堤防情况

拟建工程穿越处河段属于蜿蜒型河道，两岸滩地上现有生产圩防洪标准均低于颍河两岸堤防，有人居住的生产圩防洪标准大多在10～20年一遇之间。目前，沙颍河近期治理工程和淮北大堤颍左堤加固工程已经实施完成，沙颍河干流河道防洪标准已达到20年一遇，远期防洪标准为50年一遇。

左岸滩地宽约190m，高程26.5～27.0m左右；颍左堤堤顶高程33.3m，迎水侧边坡1∶3，背水侧高程30.0m设一2m宽平台，平台以上边坡1∶3，以下1∶5。现状颍左堤堤顶设3m宽混凝土防汛道路，河道岸坡无护岸工程，堤防迎、背水坡均为草皮护坡。堤身填筑土料为粉质壤土和砂壤土，堤防加固的土料为粉质粘土和粉质壤土。

3.水文情况

工程处20年一遇洪水位、50年一遇设计水位均根据颍上闸上、阜阳闸下同频率水位成果推算；20年一遇、50年一遇设计流量采用颍上闸上、阜阳闸下之间同频率设计流量。工程处20年一遇设计水位30.89m，流量 3760m3/s。50年一遇设计水位31.58m，流量 4490m3/s。

二、对堤防稳定影响分析

1.物理力学性质指标

根据地质报告，地基土的物理力学性质指标统计见表1。

2.渗透稳定分析计算

（1）计算条件

正常期：20年一遇、50年一遇洪水位，背水侧泵房进水井内无水的不利工况。

陡降期：由设计洪水位48h陡降2m，背水侧泵房进水井内无水的不利工况。

（2）计算方法

依据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）中有关渗流及渗透稳定计算的规定，采用剖面渗流有限元法进行计算。为了分析管道穿越对堤防渗透稳定影响的大小，进行管道穿越前后堤防渗透稳定的比较分析。按照“假设管壁周围上下1倍管径即1.0m范围土层被扰动，渗透系数高于原状土系数两个数量级”的情况进行渗流稳定分析。

表1 地基土的物理力学性质指标统计表

岩土名称 重度r（k N/m3）剪切q渗透系数（c m/s）19.2 0.757 18.0 0.812 18.7 0.820堤身①杂填土②粉质粘土夹粉土孔隙比eo（%）35.7 14 8.0 8.0 15.6 5.0③粉质粘土 19.4 0.733 4.0×10-551.8 9.7④粉质粘土夹粉土 19.2 0.754 1.0×10-420.8 5.8⑤粉土夹粉质粘土 19.4 0.699 5.5×10-414.6 21.7 4.40×10-53.5×10-41.0×10-4C（k P a） Φ（°）

表2 堤防渗透稳定计算成果表

洪水频率上游水位（m） 计算期下游水位（m）无计算成果 备注30.89 20年 正常一遇30年一遇水位陡降期正常水位陡降期最大水力坡降 允许水力坡降0.21无无无30.89 31.58 31.58 0.25 0.262 0.297 0.40～0.50满足满足满足满足

1）非稳定渗流的基本方程

所谓非稳定渗流场系指其基本表征量随时间变化而变化的渗流情况，即

考虑压缩性的非均质各向异性非稳定渗流微分方程式为:

式中：h=h（x，y，z，t）为待求水头函数；kx，ky，kz为以 x，y，z 轴为主方向的渗透系数；Ss为单位贮水量或贮存率。对均质各向同性材料式（2）变为:

式中，单位贮存量，其中Ec为弹性模量。

非稳定渗流有限元方程的矩阵形式为:

式中：[K]为总体渗透系数矩阵；{h}为各结点水头向量；[S]为压缩土体内部单元贮水系数矩阵；h*为自由面上的结点水头，为流量补给和自由面单元的流量变化项；{F}为己知常数项，由已知结点水头确定。

2）非稳定渗流基本方程的定解条件

非稳定渗流基本方程的定解条件包括初始条件和边界条件:

边界条件：

3.计算结果及分析

按计算条件所选定工况、参数和计算方法所确定的计算理论，对颍左堤进行渗透稳定分析，计算结果见表2。

计算结果表明，工程建成后，管道穿越对于颍左堤背水侧堤脚最大渗流坡降均能满足出口处所在土层允许水力坡降，不会造成堤基的渗透破坏。

三、结语

通过不同运用工况下堤防渗透稳定的计算分析结果，表明项目建设后堤防渗透仍是安全的。顶管施工穿越堤防虽然具有不开挖地面、不破坏地层结构、不损坏河堤、不扰动河床、对堤防工程影响较小的特点，但在施工过程中总是无法避免会对管道周边的原土体产生扰动，影响原土体的密实度，使管道周围土体的渗透系数增大，不同的地质情况可能会沿管道周边形成一条渗流通道，对堤防的稳定安全不利。因此，在施工过程中仍需采取必要的防治与补救措施■

（作者单位：安徽省淮河河道管理局233000）