管道穿越对北江大堤遥堤影响分析

书书书管道穿越对北江大堤遥堤影响分析潘文慰，王建平（珠江水利科学研究院，广东广州５１０６１１）摘要：截污管道穿越北江大堤遥堤，可能会使堤防附近的渗流场发生一定程度的改变，进而对堤防的抗滑稳定造成一定的影响。开展相应的研究分析工作，论证管道工程对北江大堤遥堤安全稳定等方面的影响，并对计算成果进行分析。关键词：穿堤管道；抗滑稳定；渗流稳定；北江大堤遥堤中图分类号：ＴＶ５５４．５　　文献标识码：Ｂ　　文章编号：１００１９２３５（２０１４）０６００９３０２收稿日期：２０１４０８２５作者简介：潘文慰，男，广西南宁人，主要从事水利设计与咨询工作。　　随着工业、经济的快速发展、城镇人口的增加，生产、生活所需的供水量和排放的污水量逐渐增加。新建污水管道穿越堤防的项目也越来越多，管道穿越可能会对堤防的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，以某污水管道穿越北江大堤遥堤工程为例，就穿堤管线对堤防造成的影响进行深入的分析计算，为今后开展相近工程的分析工作提供参考。１　项目基本情况石角第二污水处理厂，厂外配套污水管网，在乐排河西岸建一条主截污管道，设计管径ｄ＝６００～ｄ＝１０００，南起兴仁，北至塘基村，长约５５ｋｍ。截污管道桩号２＋６９３１７５～２＋８３４５６３段（即检查井ＷＢ８６～ＷＢ８７之间）穿越北江大堤遥堤，穿越遥堤的位置位于遥０＋６４９１，管线为直线无折点，长度１４１３９ｍ，管道穿越管底高程起点为２４１５ｍ，终点为２２７４ｍ，管段设计纵向坡度为０１％。截污干管穿越遥堤采用顶管方式，用内径１６ｍ的钢筋混凝土顶管穿过大堤，在套管中安放ｄ＝６００的截污干管，管材选用ＰＶＣ管。顶管由下游向上游顶进，始发井布置在桩号２＋８１７，接收井布置在桩号２＋７０７处，顶管段长度为１０３ｍ。为防止管道与管周土发生接触冲刷破坏，对管壁周围进行充填灌浆，灌浆采用外灌浆和内灌浆结合的方案。外灌浆：在堤顶靠上游侧布置充填灌浆，在堤顶沿堤轴线布置２排充填灌浆孔，间距２ｍ，排距２ｍ。内灌浆：在每节预制套管内预留四个灌浆孔，灌浆孔位于每节预制管中部，顶管施工完毕后进行灌浆作业。２　河道堤防概况污水管穿越堤防为北江大堤遥堤，北江大堤遥堤位于清远市石角镇，为北江大堤石角堤段第二道防线，由３段相对独立的堤段组成，自山神庙起，由东北向西南，经丘陵群山相隔后，从华塘村石门山起自北而南到蚬壳岗附近与主堤（桩号１１＋３１６）相接，堤线长２０６ｋｍ，遥堤设计洪水标准为１００年一遇，堤防等级为１级。遥堤堤顶高程１７８８～１９７２ｍ，堤顶宽７～８ｍ，堤高１１～１３ｍ，堤防内坡坡比为１∶２５～１∶３，堤防外坡坡比为１∶３，草皮护坡。堤身填筑土料为粘性土，新老填筑土无明显差异，土质均一，粘塑性强。经几十年大堤压荷固结，力学性能有所提高，堤基稳定问题已不突出［１］。３　水文分析计算对北江大堤及遥堤设计洪水及水面线进行计算和复核，结论得出北江大堤Ｐ＝１％的设计洪水采用各级防洪部门现在所依据的设计洪水标准：即Ｐ＝１％时，北江干流两岸主要堤围（清东、清西、清城联围、清北围）不崩溃、鷈江区保持天然滞洪情况下石角站的部分归槽洪峰流量１８８００ｍ３／ｓ，相应设计洪水水面线采用８０年代原水面线。对应遥堤穿越断面处１００年一遇设计洪水位为１７２５ｍ。４　工程对堤防渗流稳定影响分析４１　渗流稳定分析方法渗流计算采用剖面渗流有限单元法进行。截污管道采用顶管方式施工，具有不破坏地层结构、不损坏河堤、不扰动河床、施工周期短、地表开挖面少、施工占地少等特点。在工程后，截污干管穿堤断面将顶管及两端工作井、接收井看作一个封闭区域，该区域在计算模型中单独定义材料，相对其周围土层不透水，其渗透系数按比周围土层低两个数量级以上考虑。４２　计算工况及边界条件北江大堤遥堤防洪标准为１００年一遇［２］，根据ＧＢ５０２８６—２０１３《堤防工程设计规范》８１３的要求，渗流计算的水力边界为临水侧按１００年一遇设计洪水位（１７２５ｍ）选取，而背水侧为无水条件，水位高程取地面高程［３］。４３　计算参数根据《广东省北江大堤加固达标工程初步设计报告》及《乐排河（清远段）污染综合整治工程排污管穿越遥堤专项３９ｄｏｉ：１０３９６９／ｊｉｓｓｎ１００１９２３５２０１４０６０２６　　　　　　　　　　　　　　　２０１４年第６期·ＰＥＡＲＬＲＩＶＥＲ　人民珠江设计报告》［４］，确定穿越遥堤断面计算所涉及的各土层物理力学指标见表１。表１　管道穿遥堤断面各土层层物理力学指标代号土层天然容重／（ｋＮ·ｍ－３）饱和重度／（ｋＮ·ｍ－３）总抗剪强度／ｃ／ｋＰａφ／（°）有效抗剪强度ｃ＝′／ｋＰａφ′／（°）渗透系数／（ｃｍ·ｓ－１）ＱＳ素填土１９２０２２５１６２２５１６７０×１０－５Ｑ４４粘土１９２０１３１７５１３２２３３×１０－５Ｑ３４细砂１７１８０２６５０３０５７×１０－２Ｑ２４淤泥质土、细砂１８４１９１２５１４１２５１７５１０×１０－５Ｑ１－４３粘土１９６２０２５５１２２５５１５３３×１０－５———中砂１７１８０３０５０３０５０２２———全风化岩１８１９２７２２２７２２———工程后顶管区域１５１５４５３２４５３２７０×１０－７４４　计算结果及分析根据二维渗流有限元程序的计算结果得到穿越断面浸润线及等势线见图２。各工况下管道穿越遥堤断面大堤背水坡坡脚处最大渗透坡降的计算成果见表２。图２　管道穿越遥堤断面工程后等势线及浸润线表２　最大渗透坡降计算成果工况堤防工程建设情况渗透变形位置所在土层计算最大坡降允许出渗坡降是否破坏１２遥堤工程前背水侧坡脚处素填土０．２２０．４９否工程后背水侧坡脚处素填土０．３３０．４９否　　遥堤堤防经几十年大堤压荷固结，具有较好的防渗效果。计算结果表明，工程前堤防的最大渗透坡降为０２２，工程后堤防的最大渗透坡降为０３３，因此工程建成后，虽然管道穿越对于堤防的渗流稳定性产生了一定的影响，即管道穿越后堤防的浸润线较穿越前有所抬高，堤防的渗透坡降有一定的增大，但是工程后大堤背水坡坡脚最大渗流坡降仍小于出口处（背水坡坡脚处）所在土层允许的渗透坡降（０４９），不会造成堤基的渗透破坏。５　工程对堤防抗滑稳定影响分析５１　堤防稳定分析方法堤防稳定计算采用ＧＢ５０２８６—２０１３《堤防工程设计规范》推荐的瑞典圆弧法，该法属于条分法的一种，适用于计算各种地貌形态的均质、非均质和人工斜坡的抗滑稳定性及建筑物地基的稳定性，适用于软土粘土地区。工程后，截污干管穿堤断面将顶管及两端工作井、接收井区域物理力学参数按周围土层计算参数的两倍考虑。５２　计算工况及边界条件根据ＧＢ５０２８６—２０１３《堤防工程设计规范》８２２的要求，对于遥堤堤防的抗滑稳定分析，选取以下两种不利的计算工况：ａ）在设计洪水位下，堤坡形成稳定渗流后，背水坡的稳定复核计算；ｂ）外江水位由设计洪水位骤降至低水位高程，堤坡形成稳定渗流后，迎水坡的稳定复核计算。根据历次洪水资料统计，设计洪水位骤降范围一般在０８３～１３３ｍ（２天），考虑到其成因的变化和预留一定的安全度，设计采用骤降值为３ｍ。根据堤防现状、河道水位条件及工程建设情况，选取４种计算工况进行堤坡的抗滑稳定计算，各工况列于表３。表３　抗滑稳定计算工况堤防工况工程建设情况河道水位坡面遥堤１２３４工程前工程后１００年一遇水位１７２５ｍ背水坡１００年一遇水位快速回落３ｍ迎水坡１００年一遇水位１７２５ｍ背水坡１００年一遇水位快速回落３ｍ迎水坡５３　计算结果及分析针对不同计算工况，采用不同计算方法，具体为稳定渗流期，采用有效应力法进行计算，水位降落期采用总应力法进行。相关计算数据见表１，工程后得出遥堤各工况下堤坡抗滑稳定计算成果见表４。计算成果表明遥堤的背水坡、迎水坡抗滑稳定安全系数满足ＧＢ５０２８６—２０１３《堤防工程设计规范》要求。表４　堤防边坡稳定计算成果堤防工程建设河道水位坡面抗滑稳定安全系数计算值Ｋ规范值［Ｋ］比较分析遥堤工程前工程后１００年一遇水位１７．２５ｍ背水坡１．３１３１．３０Ｋ＞［Ｋ］１００年一遇水位快速回落３ｍ迎水坡１．９２２１．２０Ｋ＞［Ｋ］１００年一遇水位１７．２５ｍ背水坡１．３８９１．３０Ｋ＞［Ｋ］１００年一遇水位快速回落３ｍ迎水坡２．１４３１．２０Ｋ＞［Ｋ］６　结论虽然，管道的穿越会对堤防的渗透坡降及堤防稳定产生一定的影响，但计算结果表明：工程后大堤背水坡坡脚最大渗流坡降及控制工况下的抗滑安全系数均满足ＧＢ５０２８６—２０１３《堤防工程设计规范》要求。因此，工程的建设不会造成堤基的渗透破坏，也不会对堤防的稳定产生明显的不利影响。参考文献：［１］广东省北江大堤加固达标工程初步设计报告［Ｒ］广东省水利电力勘测设计研究，２００３［２］ＧＢ５０２０１—９４防洪标准［Ｓ］［３］ＧＢ５０２８６—２０１３堤防工程设计规范［Ｓ］［４］广东省环境保护工程研究设计院，清远市环境工程设计研究所乐排河（清远段）污染综合整治工程可行性研究报告［Ｒ］２００９（责任编辑：程茜）４９