河道中新建筏板平臺對河底供水管線的影響性分析

張守磊

(北京禹冰水利勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，北京 100161 )

1 概 述

隨著科技及經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，我國城市建設(shè)日益凸起。由于城市地面空間的局限性，使城市工程建設(shè)需要不斷的向“地下”、“天空”等各個不同的方向“索要”空間[1-6]。河流作為城市中不可或缺的部分，河道自然也會成為城市工程建設(shè)拓展空間的一個“目標”[7-11]。然而，城市河道底部往往布設(shè)了很多供水、供電管網(wǎng)，后期這些工程的建設(shè)，肯定會對現(xiàn)存的地下管網(wǎng)帶來或多或少的影響。因此，就城市河道頂部工程建設(shè)對現(xiàn)狀河底管網(wǎng)所帶來的影響的問題，很有必要進行有針對性的探究。

2 工程概況及設(shè)計方案

北京市大興區(qū)小龍河現(xiàn)狀河道底部沿著河流流向埋設(shè)了一條供水管線，水管位于設(shè)計河底以下約2.5 m的位置，管道采用DN1 800 mm鋼管，管材為Q235B，管道工作壓力0.5 MPa，設(shè)計內(nèi)水壓力1.0 MPa，管壁厚18 mm。在河道綜合治理工程中，根據(jù)城市道路規(guī)劃的布局，擬在河道左岸局部沿線水面上空建設(shè)5 m寬的筏板平臺，設(shè)計效果圖見圖1。

筏板平臺計劃采用鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)，河道中筏板平臺的初擬斷面見圖2。本方案中對河道左右兩岸開挖后采用土釘支護，表面采用素混凝土噴護。框架結(jié)構(gòu)采用整體現(xiàn)澆，頂板寬度5.65 m，板厚0.2 m，采用0.8 m×0.8 m獨立柱，柱中心間距為4.15 m，采用筏板基礎(chǔ)，底板厚0.9 m，寬16.32 m，河道中正常水深為3.0 m。

圖2 擬建筏板平臺斷面圖

3 計算模型及邊界條件

3.1 計算模型

根據(jù)河道筏板平臺設(shè)計方案，為防止混凝土結(jié)構(gòu)差異沉降，新建筏板平臺在順水流方向每13.5 m布置一條結(jié)構(gòu)縫，筏板平臺底板厚900 mm，在底板頂部沿著順水流方向每4.15 m均勻布置的一混凝土支撐，混凝土支撐立柱的設(shè)計斷面為800 mm×800 mm，筏板平臺所在河道的設(shè)計河底縱坡i=0.000 7。

因此，在筏板平臺三維模型構(gòu)建過程中，為便于分析，選取13.50 m的典型河段進行模型構(gòu)建。借助三維有限元軟件構(gòu)建了該河段三維計算模型，見圖3～圖4。模型底部選取地基厚度為8 m，順水流模型長度為13.50 m，垂直水流向模型寬度為30 m，該模型中地基、平臺、管道等均采用3D實體四面體及六面體單元。

圖3 整體三維模型圖

圖4 筏板平臺框架模型圖

3.2 材料參數(shù)

根據(jù)工程現(xiàn)場地質(zhì)勘探資料，筏板平臺建基在土基上，土體材料自上而下依次分為粉砂層、細砂層、粉土層。其中粉砂層深度約1.45 m，細砂層深度約7.05 m，粉土層深度約1.5 m。筏板結(jié)構(gòu)直立式邊墻后側(cè)采用基坑開挖土體分層壓實回填，筏板平臺采用C30鋼筋混凝土材料。為了精確模擬分析結(jié)構(gòu)的受力情況，在材料本構(gòu)模型的選取過程中，充分參考類似工程項目的計算經(jīng)驗，鋼筋混凝土材料選用線彈性本構(gòu)模型，土體材料選用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，各種不同材料參數(shù)設(shè)置情況見表1。

3.3 邊界條件設(shè)置

該筏板平臺設(shè)計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，汽車荷載標準采用公路Ⅱ級。在該工程中，主要分兩種情況進行研究分析：第一種情況為筏板平臺正常運用河道無水的情況；第二種情況為河道過水的情況。

計算過程中，充分考慮到整個工程的建設(shè)過程，結(jié)合兩種運用情況，共分4個階段進行計算分析。主要計算階段分為：①筏板平臺施工完建；②筏板平臺側(cè)面土體回填；③筏板平臺頂部施加車輛荷載；④河道斷面過水。

利用有限元分析過程中，在三維模型的中間設(shè)置約束條件，在河道的順水流方向以及垂直水流方向設(shè)置垂直作用面的約束，在模型基底面設(shè)置重力方向的固定約束。計算過程中，首先計算分析原裝土體在自重作用下的地應(yīng)力，然后根據(jù)工程施工的實際順序，在模型中不同結(jié)構(gòu)位置分別施加靜水壓力、筏板頂部車輛荷載、供水管道內(nèi)部壓力等，具體荷載以及約束設(shè)置情況見圖5。

4 計算結(jié)果分析

4.1 豎向位移分析

經(jīng)過計算分析，可以得到不同階段河道管道斷面豎向位移云圖，見圖6。由圖6中數(shù)據(jù)分析可知，河道中筏板平臺及左岸的回填土沉降最大，從筏板平臺建成、土體回填、筏板平臺運用、河道過水過程中，地基土中的沉降等值線大致呈現(xiàn)平行的趨勢，在底板以下并未有明顯的沉降突變，這表明整體式筏板平臺的建設(shè)對地基不均勻沉降的影響不大，不會導(dǎo)致管道因土體差異差異沉降而產(chǎn)生受力不均的情況。

結(jié)合圖6中云圖可以統(tǒng)計得到不同階段管道沉降情況，見表2。由表2中數(shù)據(jù)分析可知，在第一階段管道沉降位移為10.3 mm，第二階段管道的沉降位移為13.0 mm，第三階段管道的沉降位移為17.1 mm，第四階段管道的沉降位移為19.5 mm。通過分析可知，與天然狀態(tài)相比，筏板平臺建成之后，管道的沉降量增大了10.3 mm；土體回填之后，管道的沉降量增大了2.7 mm；投入使用之后，管道的沉降量增大了4.1 mm；河道過水之后，管道的沉降量增大了2.4 mm。由此可得，管道的沉降位移主要發(fā)生在筏板平臺施工完成及投入使用之后兩個階段。綜上可知，河道中該方案擬建的筏板平臺建成、投入運用且在河道過水的情況下，所導(dǎo)致的管道的沉降量大約為19.5 mm。

圖6 不同階段管道沉降位移云圖(m)

表2 管道沉降計算成果匯總/mm

4.2 管線應(yīng)力分析

就管道而言，抗拉強度是評價管材力學(xué)特性的主要參數(shù)。通過數(shù)值計算，可以得到不同階段管道的大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)云圖，見圖7。由多組應(yīng)力分布云圖可知，管道的大主應(yīng)力主要發(fā)生在管道的頂部位置。

結(jié)合圖7，可以得到不同階段管道大主應(yīng)力情況，見表3。

圖7 不同階段管道大主應(yīng)力云圖(kPa)

由表3中數(shù)據(jù)分析可知，在第一階段管道大主應(yīng)力最大值為52.71 MPa，第二階段管道大主應(yīng)力最大值為52.62 MPa，第三階段管道大主應(yīng)力最大值為52.54 MPa，第四階段管道大主應(yīng)力最大值為52.55 MPa。由此可知，在整個工程建設(shè)乃至運用過程中，管道的大主應(yīng)力變化幅度不大，筏板平臺的建設(shè)及河道的過水情況，導(dǎo)致管道的大主應(yīng)力略有減少，但減少值僅為0.17 MPa。因此，從應(yīng)力角度而言，筏板平臺的建設(shè)對管道應(yīng)力方面的影響不大。

表3 管道大主應(yīng)力計算成果匯總 /MPa

4.3 筏板平臺基底應(yīng)力分析

通過數(shù)值計算，可以得到不同階段筏板平臺底板部位的豎向應(yīng)力云圖見圖8。由多組豎向應(yīng)力云圖對比分析可知，由于框架柱的荷載傳遞作用，底板部位豎向應(yīng)力大致對稱分布，僅在支撐柱底部的位置略有突變，底板兩側(cè)的豎向應(yīng)力值較大，底板中部位置豎向應(yīng)力值相對較小。

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，可以得到平臺基底應(yīng)力的數(shù)值，見表4。由表4中數(shù)據(jù)分析可知，從筏板平臺建成之后，在第一階段底板豎向應(yīng)力最大值為99.9 kPa，最小值為9.0 kPa，豎向應(yīng)力均值為54.5 kPa；在第二階段底板豎向應(yīng)力最大值為119.0 kPa，最小值為5.6 kPa，豎向應(yīng)力均值為62.3 kPa；在第三階段底板豎向應(yīng)力最大值為199.0 kPa，最小值為5.3 kPa，豎向應(yīng)力均值為102.2 kPa；在第四階段底板豎向應(yīng)力最大值為220.0 kPa，最小值為19.0 kPa，豎向應(yīng)力均值為119.5 kPa。

圖8 不同階段筏板平臺豎向應(yīng)力云圖(kPa)

表4 基底應(yīng)力計算成果匯總/kPa

5 結(jié) 論

城市河道底部往往布設(shè)了很多供水、供電管網(wǎng)，河道中新建結(jié)構(gòu)物肯定會對現(xiàn)存的地下管網(wǎng)帶來一定程度的影響。本文結(jié)合北京市大興區(qū)小龍河治理工程，借助有限元軟件，針對河道中擬建筏板平臺對河底現(xiàn)存供水管網(wǎng)的影響，從結(jié)構(gòu)沉降、管道應(yīng)力、筏板結(jié)構(gòu)基底應(yīng)力3個方面進行了系統(tǒng)的分析。結(jié)果表明，筏板平臺的建設(shè)投入運行后，在結(jié)構(gòu)沉降方面，管道豎向沉降最大值為19.5 mm，管道此時處于小變形受拉的狀態(tài)；在管道應(yīng)力方面，管道大主應(yīng)力最大值為52.55 MPa，遠小于鋼材的抗拉強度極限值；在筏板基底應(yīng)力方面，筏板結(jié)構(gòu)基底應(yīng)力均值為119.5 kPa，小于基底承載能力限制。因此，河道中筏板平臺的建設(shè)，對河底現(xiàn)存管道的影響性相對較小，工程建設(shè)中無需設(shè)置必要的保護措施。