管道穿堤工程对堤防安全稳定的影响分析

杨春瑞

（安徽省淮河河道管理局，安徽 蚌埠 233000）

1 概述

近年来随着我国经济的快速高效发展，基础工程建设越来越多，其中管道工程由于运输不间断、长距离、适应性良好等优点，在远程物料运输中起到非常重要的作用，尤其是燃气管道、油料管道、热力管道等压力管道被广泛使用，压力管道穿越河道两岸堤防大多数采用水平定向钻的方式，管道穿堤工程采用水平定向钻施工过程中会扰动河道两岸堤基，破坏堤基土压力平衡，另外管道运行过程因压力局部震动使得土体和管道之间易形成空隙，造成渗流破坏，因此需对管道穿堤工程处堤防进行安全稳定论证，分析管道工程对堤防的影响程度，充分论证后采取合理、有效的防补措施进行消弱不利影响，确保堤防防洪安全。本文以淮河重要支流沙颍河颍上段某燃气管道穿越工程实例为分析对象，通过《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）中有关计算公式对穿越处堤防稳定安全进行复核分析，并结合防洪影响专项补救措施进行研究。在此工程的基础上，结合淮河河道管理工作中关注的重点问题提出有关意见和建议，为类似管道穿堤工程提供技术经验参考。

该管道工程穿越沙颍河处位于阜阳市颍上县慎城镇，距下游颍上闸约2.9km，对应沙颍河左堤桩号41+270，沙颍河右堤桩号151+450。管道工程采用水平定向钻方式穿越河道，出、入土点均位于沙颍河两岸堤防背水侧，入土角度6°，入土点距沙颍河左堤背水侧堤脚垂直距离197m；出土角度8°，出土点距沙颍河右堤背水侧堤脚垂直距离114m；管道工程穿越沙颍河河道水平段长度678m，水平段管道中心线高程为-5.10m。本工程穿越处沙颍河河道主槽宽度220m，河床深弘处高程13.0m。工程处沙颍河左、右堤堤距310m，沙颍河左堤堤防等级为Ⅰ级，堤顶高程30.60m，顶宽11.7m，堤防迎水侧坡比1∶3.4，背水侧堤顶以下3m 处设二级平台，平台宽3.5m，高程27.6m，平台以上坡比1∶3.3，平台以下坡比1∶5.9；沙颍河右堤堤防等级为Ⅱ级，堤顶高程30.3m，顶宽6.7m，堤防迎水侧坡比1∶3.0，背水侧坡比1∶3.2。

2 堤防渗流安全稳定计算

由于管道工程施工和运行过程中均在一定程度上扰动管道周围土体，破坏土压力平衡，易产生渗流破坏，因此需充分对管道工程穿越处堤防进行安全稳定复核分析，其中渗流稳定又是分析的重点。虽然水平定向钻穿越堤防具有不开挖堤防的优点，但在施工过程中无法避免对管道周围一定范围内的原土体产生扰动破坏，致使管道周围影响范围内土体的渗透系数增大，进而可能会沿管道轴线方向形成一条渗流通道，从而对穿越处堤防产生不利影响。针对管道工程因穿越造成上述这些可能出现的不利情况，本文结合淮河流域类似工程经验，通过采取提高管道影响范围内各级土层渗透系数一个数量级来取值，将影响范围土层作为相对透水层，管道影响范围以外其他各级土层渗透系数取值不变。根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）中提供渗透安全稳定计算方法和要求进行综合分析计算，主要计算内容如下：

2.1 计算条件

2.1.1 正常运用条件Ⅰ：堤防迎水侧为设计洪水位，背水侧为无水的不利工况。

2.1.2 正常运用条件Ⅱ：在48 小时内堤防迎水侧水位由设计洪水位陡降至堤脚，背水侧为无水的不利工况。

各级土层地质情况利用拟建工程地质勘察报告和工程穿越处堤防地质资料进行综合分析确定，各级土层地质物理指标特性表见表1。

表1 管道工程穿越堤防处各级土层地质物理指标特性表

表2 堤防各工况下渗流及渗透稳定计算成果表

2.2 计算方法

采用河海大学工程力学研究所开发的《水工结构有限元分析系统（Autobankv7.05）》中的堤防渗流稳定计算程序，对工程穿越处堤防渗流及渗透稳定进行计算分析，计算原理如下：

2.2.1 用有限元离散分析渗流场，假设单元渗流场的水头函数势φ按多项式分析，由微积分方程及有关边界条件确定问题进行变分，可求解得出线性方程组：

式中：[H]—为渗透矩阵；

{φ}—为渗流场水头；

{F}—为节点渗流量。

2.2.2 稳定渗流按照达西定律的非均各向异性二维渗流场，水头势计算函数应满足微积分方程：

式中：

φ—待求解的水头势函数，φ=φ（x,y）；

x，y—二维平面坐标参数；

kx，ky—x，y 轴方向的各级土层渗透系数。

计算水头φ应符合一定的边界条件，常规出现以下几种边界条件分析：

1）已知上游侧边界上的水头

2）逸出边界的水头与位置高度相等

3）已知某边界上的渗流量q

式中：lx，ly分别为边界表面向外法线在x，y方向的方向余弦。

以上各方程组联合求解得到节点水头，由此求解得到各单元的水力坡降、流速等物理量。求解关键是如何确定浸润线的位置，利用节点流量平衡法通过迭代方式计算来确定浸润线的位置和渗流量。

2.3 计算结果

按照上述设定计算条件所选取的工况、参数和计算方法对堤防堤基进行渗流及渗透稳定分析，计算结果见表2。

3 计算结果分析

从表2 计算成果可知，沙颍河左、右堤渗流安全稳定计算值均满足设计规范的允许要求。

4 采取措施

虽然通过渗流稳定计算得出水力坡降计算值均满足设计规范要求，但考虑管道工程穿越沙颍河对两岸堤防带来的不利影响，应进行防渗处理，采取的措施为：对沙颍河左、右堤堤基采用水泥高压摆喷截渗墙以及沿管道出、入土段进行压密注浆，确保管道影响堤段的防洪安全。

5 结论与建议

综上分析可知，管道工程穿越堤防应结合淮河汛期合理安排施工进度计划，涉及影响防洪安全工程的施工应安排淮河非汛期实施，尽可能减少对影响堤段堤基底部各级土层的扰动，并结合对两岸堤防采取防渗补救措施来降低管道工程对堤防的影响程度，确保堤防防洪运行安全稳定。通过上述防治与补救措施的实施，可使得管道工程对堤防渗流安全稳定的影响程度降至允许范围内，为堤防安全稳定防治与补救及涉河建设项目审查提供了一些参考依据。同时结合淮河河道涉河建设项目管理要求和淮河两岸已实施的管道工程运行管道情况，建议穿河穿堤管道工程出、入土点设置在迎水侧滩地上，与两岸迎水侧堤脚保持一定的安全距离，采用爬堤方式在设计洪水位以上穿越两岸堤防，确保管道穿堤工程对堤防的影响程度降到最低