管道穿越河流堤防的滲流穩(wěn)定性分析

楊 杰，曹彭強(qiáng)，宋新偉，涂有笑，陶月贊

(1.皖西學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院，安徽 六安 237012；2.安徽省水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠 233000；3.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 安徽 合肥 230009)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)南水北調(diào)、西氣東輸、蘭-成-渝成品油管道等長(zhǎng)距離輸水、輸氣及輸油管道工程建設(shè)，各種管道穿越技術(shù)在工程實(shí)施過(guò)程中獲得了廣泛應(yīng)用，而不同類型和屬性的管道在穿越不同地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，其參數(shù)特征差異較大，對(duì)構(gòu)筑物的影響也不盡相同[1]，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)管道穿越過(guò)程中的邊坡穩(wěn)定和防滲安全等進(jìn)行了大量的研究。徐潔等[2]根據(jù)工程地質(zhì)條件及管道埋深情況，計(jì)算了穿越河段設(shè)計(jì)洪水位下的河道斷面水力參數(shù)、抗滑穩(wěn)定系數(shù)等，并對(duì)某定向鉆技術(shù)用于輸氣管道工程對(duì)河道行洪及其兩岸堤防的影響程度進(jìn)行分析；唐明明等[3]采用數(shù)值強(qiáng)度折減法與實(shí)際地形建模相結(jié)合的方法，研究了邊坡潛在滑動(dòng)面的形狀以及管線斜井在開(kāi)挖過(guò)程中井周土體的位移變化規(guī)律，并對(duì)邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)作了進(jìn)一步分析計(jì)算；陳宏任等[4]利用ANSYS軟件建立有限元模型，通過(guò)數(shù)值模擬的方法分析在不同滲透系數(shù)下穿江管道埋深和穿越位置對(duì)堤防滲透安全的影響，并根據(jù)臨界水力坡降判斷堤防的滲流穩(wěn)定性；Ranilovic[5]研究了管道穿越的施工組織方法，構(gòu)筑物的支撐結(jié)構(gòu)與連接形式以及管道底部的穩(wěn)定性因素，并以某天然氣管道穿越Guduca峽谷所需的工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為例進(jìn)行穩(wěn)定性分析；Zhang等[6]運(yùn)用有限元法對(duì)定向技術(shù)穿越管道過(guò)程中產(chǎn)生的不良地質(zhì)地層的變形與崩潰等失效行為進(jìn)行模擬，根據(jù)應(yīng)力分布和崩潰過(guò)程不同階段各截面的變化提出相應(yīng)的保護(hù)措施；Han等[7]利用ABAQUS軟件模擬不同埋深管道在滑坡地段的應(yīng)變分布，并研究不同徑厚比下的局部應(yīng)變分布曲線；Latorre等[8]基于數(shù)學(xué)建模的思想，運(yùn)用LEVEEMSU軟件分析了管道穿越工程對(duì)構(gòu)筑物影響的主要因素，并指出在不超過(guò)特定穿越距離的情況下，地層的滲透系數(shù)對(duì)構(gòu)筑物安全影響顯著，但地層厚度對(duì)其影響不大。

大量的文獻(xiàn)[9-12]集中于對(duì)管道穿越過(guò)程中的安全系數(shù)與穩(wěn)定系數(shù)等力學(xué)參數(shù)、工程數(shù)值模擬方法、工程施工措施等進(jìn)行研究。其中，對(duì)于管道穿越河流的滲流穩(wěn)定性分析，大多采用數(shù)值模擬的方法對(duì)工程區(qū)域進(jìn)行研究，而數(shù)值法的前提是對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化，由于對(duì)區(qū)域地層巖性變化的處理與模型邊界條件的理解不同，模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的差異。現(xiàn)有的滲流穩(wěn)定分析常將問(wèn)題概化為平面問(wèn)題，將管道及其周圍一定范圍內(nèi)采用加大滲透系數(shù)來(lái)近似模擬。本文研究的成品油輸送管道穿越安徽省中部某河流，根據(jù)工程勘察報(bào)告、地質(zhì)鉆孔及河流水文等資料，利用Visual Modflow軟件建立三維數(shù)學(xué)正演模型[13]，對(duì)管道及其周圍采用不同的概化條件與滲透系數(shù)處理來(lái)近似模擬；通過(guò)比較管道穿越前后堤防區(qū)域流場(chǎng)水力參數(shù)變化，來(lái)分析工程對(duì)堤防滲流穩(wěn)定的影響。

1 建模方法

1.1. 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

研究區(qū)位于安徽省中部，屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，多年平均降雨量1089.4 mm，多年平均蒸發(fā)量1400 mm。降雨量年內(nèi)變化明顯，主要集中在5～9月份，占年降水量的50%～60%。

穿越地段兩岸都是平原圩區(qū)，地形比較平坦，地面高程在8～9 m，兩岸河堤的堤頂高程15～16 m，兩堤之間寬度168 m，河面寬70 m。據(jù)水文觀測(cè)資料，多年平均水位高程6 m，設(shè)計(jì)水位15.13 m。含水層主要為第四系松散土層，在0～20 m的深度范圍內(nèi)大致可分為以下幾類地層：最上部為第I層，主要由素填土及淤泥層組成；第Ⅱ地層的巖性主要為中砂層；第Ⅲ層為粉質(zhì)粘土層，其隔水條件較好；第IV層為中細(xì)沙層，其分布較穩(wěn)定；最底部為第V層，巖性組成以粉質(zhì)粘土層為主。河流與土層水力聯(lián)系較好，洪水期河流作為源項(xiàng)補(bǔ)給土層。穿越管道的管徑為273 mm，入土點(diǎn)位于河流南岸距堤腳47 m，以9°角入土；出土點(diǎn)距北岸堤腳90 m，出土角為6°。管道位于河床以下6 m，管底設(shè)計(jì)高程-7.5m。根據(jù)河床沖刷分析計(jì)算，工程斷面河槽最大沖深2.28 m，最低沖刷高程-0.78 m。圖1為穿越段河流全貌及管道入土點(diǎn)工程示意。

圖1 穿越段河流全貌及管道入土點(diǎn)示意

1.2 區(qū)域水文地質(zhì)概念模型

本項(xiàng)目中以管道工程穿越點(diǎn)附近1000 m作為研究區(qū)范圍，其橫向邊界與縱向邊界之間距離均為2000 m。在空間方面，將區(qū)域平面剖分為40行與40列，同時(shí)對(duì)于縱向管道穿越的位置以及橫向河流過(guò)境的區(qū)域分別進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分處理。根據(jù)鉆孔資料，將模擬區(qū)分為五層，最下層粉質(zhì)粘土層構(gòu)成含水層的底板，具體土層分布及參數(shù)分區(qū)見(jiàn)圖2(以河流中軸線為橫坐標(biāo)零點(diǎn))。研究區(qū)地下水含水層的流態(tài)特征為非均質(zhì)各向同性非穩(wěn)定流，不同地質(zhì)構(gòu)造參數(shù)分區(qū)在本層按均質(zhì)處理[14]。洪水期河床高程按沖刷后高程計(jì)算。土層初始水頭概化為與河流水位高程相等，即初始水力坡度為零。在穿越處河道彎曲較小，模型中按順直河道處理。

圖2 模型1土層分布及參數(shù)分區(qū)

1.3 數(shù)值模型構(gòu)建

通過(guò)對(duì)區(qū)域水文地質(zhì)條件的概化，將研究區(qū)地下水作非均質(zhì)各向同性非穩(wěn)定流處理，由此建立地下水?dāng)?shù)值模擬模型，如公式(1)-(4)所示：

上式中：H表示地下水的水位(m)；W表示單位體積地下水流量(m3)；μ表示彈性釋水系數(shù)；Kxx與Kyy分別表示含水層在x方向與y方向的滲透系數(shù)(m/d)；t表示時(shí)間(d)；H0表示模擬區(qū)初始地下水位(m)；H1表示模擬區(qū)邊界處地下水位(m)；D為模擬區(qū)的范圍；Γ1與Γ2分別表示模擬區(qū)第一類水頭邊界與第二類流量邊界；n表示區(qū)域邊界外法線方向。

1.4 模擬方法

根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)概況，考慮管道周圍存在一層高壓膨潤(rùn)土，在管道穿越初期，由于膨潤(rùn)土壓力較大，使得管道周圍土層壓密，滲透系數(shù)減小，而不透水的管道用滲透系數(shù)極小巖體處理；在管道穿越較長(zhǎng)時(shí)間后，膨潤(rùn)土壓力釋放后，管道周圍存在接觸滲流，使得管道周圍土層滲透系數(shù)加大，為簡(jiǎn)化模型，將管道區(qū)域也概化為滲透系數(shù)加大的土層處理，最后對(duì)不同的模擬情況分別進(jìn)行比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬計(jì)算結(jié)果

由上述數(shù)學(xué)模型，利用Visual Modflow軟件分別對(duì)管道穿越前期、穿越初期及穿越后期三個(gè)階段建立數(shù)值模型進(jìn)行模擬。模型1為穿越前堤防滲透模型，其土層分布及參數(shù)分區(qū)如圖2所示；模型2中將管道部分概化為不透水，采用較小的滲透系數(shù)(10-7m/d)處理，同時(shí)管道周圍1 m范圍內(nèi)采用減小滲透系數(shù)(為穿越土層的0.5倍)來(lái)近似模擬，如圖3所示，圖中黑色區(qū)域?yàn)楣艿溃疑珔^(qū)域?yàn)榕驖?rùn)土；模型3將管道及其周圍1 m范圍內(nèi)加大滲透系數(shù)(為穿越土層的1.5倍)處理，其土層分布及參數(shù)分見(jiàn)圖4，圖中灰色區(qū)域?yàn)楣艿琅c膨潤(rùn)土。根據(jù)現(xiàn)有鉆孔所揭露的地層，河床附近的主要是中沙與粉質(zhì)粘土層，中細(xì)砂地層滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值為1～20m/d，粉質(zhì)粘土小于1m/d；在模擬管道穿越河流的過(guò)程中，各土層滲透系數(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 模型2土層分布及參數(shù)分區(qū)

圖4 模型3土層分布及參數(shù)分區(qū)

表1 各土層滲透系數(shù) 單位：m/d

將模型賦予土層的各項(xiàng)參數(shù)并考慮其邊界條件，在進(jìn)行模型參數(shù)識(shí)別后，基于Visual Modflow軟件進(jìn)行地下水?dāng)?shù)值模擬。水位選取二十年一遇洪水位，模擬時(shí)間步長(zhǎng)為一個(gè)月，在0～20 m的縱深范圍內(nèi)，其地下水流場(chǎng)分布見(jiàn)圖5。

圖5 研究區(qū)流場(chǎng)分布剖面圖

通過(guò)計(jì)算可得到各模型在管道穿越斷面處最大水力坡度，表2為模型1、模型2以及模型3的最大水力坡度計(jì)算結(jié)果與允許水力坡度對(duì)比情況。其中，允許水力坡度可由如下公式(5)-(6)計(jì)算求解。

表2 模型最大水力坡度與允許水力坡度對(duì)比

上式中：Ia與Ib分別表示在管道穿越斷面處的允許水力坡度與臨界水力坡度；K表示相應(yīng)的安全系數(shù)，通?？梢匀≈禐?.0-2.5；Ga表示土粒比重；n表示土的孔隙度。

2.2 結(jié)果分析

在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上對(duì)區(qū)域非穩(wěn)定流滲流過(guò)程進(jìn)行分析，根據(jù)地下水流場(chǎng)中最大滲流速度，結(jié)合地層的工程地質(zhì)條件，判斷滲流速度對(duì)地層中松散顆粒的擾動(dòng)能力。通過(guò)上述模擬結(jié)果以及圖5的地下水流場(chǎng)剖面，管道穿越堤防使區(qū)域地下水流場(chǎng)發(fā)生改變，考慮管線工程使得周邊地層的滲流速度加大50%的前提下[15]，地下水流場(chǎng)中的滲流速度小于擾動(dòng)沙粒所需要的最小滲流速度；因此，在考慮河床沖刷以及高水位條件下地下水滲流誘發(fā)管涌的可能性比較小，管道穿越對(duì)堤防設(shè)計(jì)抗滑和滲流穩(wěn)定將不產(chǎn)生破壞性影響。

由表2可得，各模型管道穿越處地下水流場(chǎng)的最大水力坡Imax分別為0.162、0.195與0.158，而發(fā)生管涌的允許水力坡度Ia=0.402，即Imax＜Ia，最大水力坡度小于擾動(dòng)沙粒所需要的允許水力坡度。此外，與原模型相比較，模型2的最大水力坡度值增加了0.033，其增幅為20.37%，但未超過(guò)允許水力坡度；而模型3的最大水力坡度降低了2.47%。因此，可以看出管道穿越工程在穿越初期對(duì)堤防穩(wěn)定影響較大，從而一定程度上增加了發(fā)生滲流破壞的可能，但后期隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，影響逐漸減小，大致穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

由以上分析得出如下結(jié)論：

(1)管道穿越會(huì)對(duì)河流堤防的穩(wěn)定產(chǎn)生影響，因此需對(duì)工程斷面進(jìn)行滲流穩(wěn)定性分析。在本項(xiàng)目的研究中，數(shù)值模型計(jì)算的最大水力坡度小于允許水力坡度，當(dāng)工程實(shí)施過(guò)程中不改變區(qū)域地層滲透系數(shù)，保持現(xiàn)有地質(zhì)構(gòu)造，管道穿越對(duì)河岸堤防的影響有限，即在項(xiàng)目設(shè)計(jì)年限內(nèi)，洪水對(duì)河床沖刷引起管道穿越點(diǎn)的滲透破壞可能性較小。

(2)根據(jù)區(qū)域地質(zhì)及水文資料，建立數(shù)值模型模擬管道穿越前及管道穿越后地下水流場(chǎng)的變化規(guī)律，盡管現(xiàn)有的模型在一定程度上存有不足，但模型2的結(jié)構(gòu)較符合管道穿越初期情況，且相對(duì)于模型3，其計(jì)算結(jié)果較為保守，更適合于工程實(shí)際的預(yù)測(cè)與應(yīng)用。

(3)管道穿越工程在穿越初期對(duì)堤防穩(wěn)定影響較大，增加了堤防發(fā)生滲流破壞的危險(xiǎn)程度，但隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，滲流破壞的影響逐漸減小，會(huì)有一定范圍內(nèi)的穩(wěn)定區(qū)間。但如何結(jié)合管涌形成與發(fā)展的機(jī)理，從微觀角度精確預(yù)測(cè)管涌發(fā)生的位置以及管道穿越點(diǎn)附近滲流破壞的周期，這將在今后的工作中作重點(diǎn)的研究和探討。

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