管道穿堤工程對堤防安全穩定的影響分析

楊春瑞

（安徽省淮河河道管理局，安徽 蚌埠 233000）

1 概述

近年來隨著我國經濟的快速高效發展，基礎工程建設越來越多，其中管道工程由于運輸不間斷、長距離、適應性良好等優點，在遠程物料運輸中起到非常重要的作用，尤其是燃氣管道、油料管道、熱力管道等壓力管道被廣泛使用，壓力管道穿越河道兩岸堤防大多數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擾動河道兩岸堤基，破壞堤基土壓力平衡，另外管道運行過程因壓力局部震動使得土體和管道之間易形成空隙，造成滲流破壞，因此需對管道穿堤工程處堤防進行安全穩定論證，分析管道工程對堤防的影響程度，充分論證后采取合理、有效的防補措施進行消弱不利影響，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氣管道穿越工程實例為分析對象，通過《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）中有關計算公式對穿越處堤防穩定安全進行復核分析，并結合防洪影響專項補救措施進行研究。在此工程的基礎上，結合淮河河道管理工作中關注的重點問題提出有關意見和建議，為類似管道穿堤工程提供技術經驗參考。

該管道工程穿越沙潁河處位于阜陽市潁上縣慎城鎮，距下游潁上閘約2.9km，對應沙潁河左堤樁號41+270，沙潁河右堤樁號151+450。管道工程采用水平定向鉆方式穿越河道，出、入土點均位于沙潁河兩岸堤防背水側，入土角度6°，入土點距沙潁河左堤背水側堤腳垂直距離197m；出土角度8°，出土點距沙潁河右堤背水側堤腳垂直距離114m；管道工程穿越沙潁河河道水平段長度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為Ⅰ級，堤頂高程30.60m，頂寬11.7m，堤防迎水側坡比1∶3.4，背水側堤頂以下3m 處設二級平臺，平臺寬3.5m，高程27.6m，平臺以上坡比1∶3.3，平臺以下坡比1∶5.9；沙潁河右堤堤防等級為Ⅱ級，堤頂高程30.3m，頂寬6.7m，堤防迎水側坡比1∶3.0，背水側坡比1∶3.2。

2 堤防滲流安全穩定計算

由于管道工程施工和運行過程中均在一定程度上擾動管道周圍土體，破壞土壓力平衡，易產生滲流破壞，因此需充分對管道工程穿越處堤防進行安全穩定復核分析，其中滲流穩定又是分析的重點。雖然水平定向鉆穿越堤防具有不開挖堤防的優點，但在施工過程中無法避免對管道周圍一定范圍內的原土體產生擾動破壞，致使管道周圍影響范圍內土體的滲透系數增大，進而可能會沿管道軸線方向形成一條滲流通道，從而對穿越處堤防產生不利影響。針對管道工程因穿越造成上述這些可能出現的不利情況，本文結合淮河流域類似工程經驗，通過采取提高管道影響范圍內各級土層滲透系數一個數量級來取值，將影響范圍土層作為相對透水層，管道影響范圍以外其他各級土層滲透系數取值不變。根據《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）中提供滲透安全穩定計算方法和要求進行綜合分析計算，主要計算內容如下：

2.1 計算條件

2.1.1 正常運用條件Ⅰ：堤防迎水側為設計洪水位，背水側為無水的不利工況。

2.1.2 正常運用條件Ⅱ：在48 小時內堤防迎水側水位由設計洪水位陡降至堤腳，背水側為無水的不利工況。

各級土層地質情況利用擬建工程地質勘察報告和工程穿越處堤防地質資料進行綜合分析確定，各級土層地質物理指標特性表見表1。

表1 管道工程穿越堤防處各級土層地質物理指標特性表

表2 堤防各工況下滲流及滲透穩定計算成果表

2.2 計算方法

采用河海大學工程力學研究所開發的《水工結構有限元分析系統（Autobankv7.05）》中的堤防滲流穩定計算程序，對工程穿越處堤防滲流及滲透穩定進行計算分析，計算原理如下：

2.2.1 用有限元離散分析滲流場，假設單元滲流場的水頭函數勢φ按多項式分析，由微積分方程及有關邊界條件確定問題進行變分，可求解得出線性方程組：

式中：[H]—為滲透矩陣；

{φ}—為滲流場水頭；

{F}—為節點滲流量。

2.2.2 穩定滲流按照達西定律的非均各向異性二維滲流場，水頭勢計算函數應滿足微積分方程：

式中：

φ—待求解的水頭勢函數，φ=φ（x,y）；

x，y—二維平面坐標參數；

kx，ky—x，y 軸方向的各級土層滲透系數。

計算水頭φ應符合一定的邊界條件，常規出現以下幾種邊界條件分析：

1）已知上游側邊界上的水頭

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。

以上各方程組聯合求解得到節點水頭，由此求解得到各單元的水力坡降、流速等物理量。求解關鍵是如何確定浸潤線的位置，利用節點流量平衡法通過迭代方式計算來確定浸潤線的位置和滲流量。

2.3 計算結果

按照上述設定計算條件所選取的工況、參數和計算方法對堤防堤基進行滲流及滲透穩定分析，計算結果見表2。

3 計算結果分析

從表2 計算成果可知，沙潁河左、右堤滲流安全穩定計算值均滿足設計規范的允許要求。

4 采取措施

雖然通過滲流穩定計算得出水力坡降計算值均滿足設計規范要求，但考慮管道工程穿越沙潁河對兩岸堤防帶來的不利影響，應進行防滲處理，采取的措施為：對沙潁河左、右堤堤基采用水泥高壓擺噴截滲墻以及沿管道出、入土段進行壓密注漿，確保管道影響堤段的防洪安全。

5 結論與建議

綜上分析可知，管道工程穿越堤防應結合淮河汛期合理安排施工進度計劃，涉及影響防洪安全工程的施工應安排淮河非汛期實施，盡可能減少對影響堤段堤基底部各級土層的擾動，并結合對兩岸堤防采取防滲補救措施來降低管道工程對堤防的影響程度，確保堤防防洪運行安全穩定。通過上述防治與補救措施的實施，可使得管道工程對堤防滲流安全穩定的影響程度降至允許范圍內，為堤防安全穩定防治與補救及涉河建設項目審查提供了一些參考依據。同時結合淮河河道涉河建設項目管理要求和淮河兩岸已實施的管道工程運行管道情況，建議穿河穿堤管道工程出、入土點設置在迎水側灘地上，與兩岸迎水側堤腳保持一定的安全距離，采用爬堤方式在設計洪水位以上穿越兩岸堤防，確保管道穿堤工程對堤防的影響程度降到最低