大直径管道穿越富水砂层对堤防稳定性影响分析.pdf
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1、吴连社,杨春瑞(安徽省淮河河道管理局,安徽蚌埠233000)摘要:随着地下穿管工程日益增多,地下管道施工引发的堤防安全问题屡见不鲜,研究大直径管道穿越富水砂层对堤防稳定性及变形影响十分必要。选取某引水管穿越淮北大堤工程为例,通过对顶管穿越堤防进行数值模拟,分析顶管穿越富水砂层对堤防渗透稳定和边坡抗滑稳定的影响,并在顶管施工过程中选取地层受到扰动敏感区域开展土体内部水平位移和表面沉降实时监测。结果表明:顶管穿越富水砂层堤基对堤防渗流及边坡抗滑稳定有一定影响,但总体满足规范要求;顶管施工造成迎水侧区域沉降较明显,管道两侧 45 m 范围内土体受施工扰动出现水平位移;大直径管道采用顶管方式施工对堤防
2、安全有一定影响,施工过程中要加强对堤防的安全监测,施工前后可采取注浆、设置防渗墙等措施消除或减轻顶管施工造成的不利影响。关键词:顶管;渗透稳定;边坡抗滑稳定;变形特征中图分类号:TV871文献标识码:A文章编号:1673-4688(2023)05-0032-05作者简介:吴连社(1974),男,高级工程师,主要从事河道管理保护及水利工程建设管理工作。E-mail:收稿日期:2023-07-12大直径管道穿越富水砂层对堤防稳定性影响分析Analysis?of?the?influence?of?large?diameter?pipeline?crossing?water-rich?sand?lay
3、er on embankment stabilityWU Lianshe,YANG Chunrui(Huaihe River Management Bureau,Bengbu 233000,China)Abstract:?With the increasing number of underground pipeline projects,the safety issues of embankmentcaused by underground pipeline construction have become more common.It is necessary to study the i
4、n-fluence of large diameter pipeline crossing water-rich sand layer on the stability and deformation ofembankment.Taking a diversion pipe crossing Huaibei embankment project as an example,through the nu-merical simulation of pipe jacking crossing embankment,the influence of pipe jacking crossing wa-
5、ter-rich sand layer on embankment seepage stability and slope anti-sliding stability is calculated.Inthe process of pipe jacking construction,the sensitive area of stratum disturbance is selected tocarry out real-time monitoring of internal horizontal displacement and surface settlement of soil.Ther
6、esults showed that the pipe jacking through the water-rich sand layer has a certain influence on theseepage of the embankment and the anti-sliding stability of the slope,but it generally meets the re-quirements of the specification.The settlement of the water-facing side area caused by the pipe jack
7、-ing construction is obvious,and the soil on both sides of the pipeline is horizontally displaced bythe construction disturbance,and the influence range is within 45 m.The construction of large di-ameter pipeline by pipe jacking has a certain impact on the safety of embankment.During the construc-ti
8、on process,the safety monitoring of embankment should be strengthened.Before and after the con-struction,grouting,anti-seepage wall and other measures should be taken to eliminate or reduce theadverse effects caused by pipe jacking construction.Key?words:?pipe jacking;permeation stability;slope stab
9、ility against sliding;deformation character-isticsTotal No.107Oct.2023/No.5总第 107 期2023 年 10 月/第 5 期江淮水利科技Jianghuai Water Resources Science and TechnologyDOI:10.20011/ki.JHWR.2023050070引言管道因其自身独特的特点广泛应用于各行业、各领域。管道工程主要采取开挖和非开挖两种施工方法,其中顶管是最常用的非开挖地下埋管施工技术之一1。顶管施工具有施工影响小、造价低、施工速度快、不影响地面交通等优点2。然而在穿越堤防的顶管
10、施工过程中,尤其当大直径管道穿越的堤基是富水砂层时不可避免会对堤防的安全造成一定的影响。顶管施工会扰动管周土体,容易形成接触渗漏等集中渗流,而富水砂层则会加剧这一现象,甚至会造成粉细砂流失导致管周出现空洞、疏松,地表发生沉降以及裂缝3等危害。因此,研究顶管穿越堤防富水砂层对堤防安全性影响十分必要。国内外很多学者对顶管穿越工程进行了大量研究。Ma4以日本某工程为例,采用校准后的有限元方法(FEM)研究了 4 种相同截面面积的矩形管地面响应特性,考虑了不同埋深下各管道的受力状态,通过对各管段设计的理论顶力进行计算对比为长距离或大断面顶进工程提供参考。Pan 等5结合杭州取水口上行(一期)顶管工程,
11、采用 Plaxis 2D 有限元软件模拟顶管施工对附近桥梁基础结构的影响,计算了顶管施工导致的既有结构水平和垂直位移,得出桥梁桩基水平位移呈非线性分布,研究结果对顶管施工安全评价具有重要意义。Ren 等6基于江苏省顶管项目的案例研究提出了一种预测顶管过程中地面变形的方法,在分析顶管过程的基础上考虑注浆压力对地基变形的影响以提高预测效果,同时采用Sagaseta 的方法考虑过度开挖引起的地面损失,计算结果与野外观测结果的对比验证了所提方法的有效性。金志华7结合杭州市取水口上移工程阐述了进出洞土体加固、洞门降水以及洞口密封等一系列进出洞施工关键技术,提出了顶管下穿管线的保护措施。本文以某水厂引水管
12、穿越淮北大堤工程为例,研究了顶管穿堤对堤防的渗流及边坡抗滑稳定的影响,并对顶管施工期间地面沉降和堤基土内部水平位移监测结果进行分析。1?工程概况某引水管道穿越淮北大堤采用顶管进行施工,穿堤段顶管工作井位于堤防迎水侧堤脚 50 m 处,接收井位于背水侧堤脚 47 m 处,顶管平面布置见图 1。穿堤管道设计采用两根 DN800 焊接钢管一次穿越淮北大堤,管道中心高程 14.00 m。根据钻探揭露地层及土工试验成果和原位测试数据分析,顶管穿堤段场地地基土层自上而下可分为层堤身填土层、层粉质粘土夹粉土层、层淤泥质粉质粘土层、层粉细砂层、层淤泥质粉质粘土层,顶管穿堤段位于第层粉细砂层。2顶管对堤防渗流及
13、边坡抗滑稳定影响2.1渗流稳定计算1)计算条件。计算断面选取管道轴线处堤防断面。依据 堤防工程设计规范(GB502862013)8,上游水位采用设计洪水位 25.88 m,下游采用背水侧平堤脚水位 22.00 m。2)计算方法。渗流计算采用有限元法,选用南京水准科技有限公司开发研制的水工结构有限元分析系统(AutoBANK7.7)堤防渗流场计算程序。3)计算工况。工况一为顶管施工前,工况二为顶管施工后。根据工程地质勘察报告,计算参数见表 1。图 1?顶管穿堤平面布置图Fig.?1?Plan?layout?diagram?for?jacking?pipe?through?embankment表
14、1土的物理力学性指标统计表Table?1?Statistical?table?of?physical?and?mechanical?indexes?of?soil土层湿重度/(kN m-3)渗透系数/(m s-1)凝聚力/kPa内摩擦角/()层19.71.0010-620.314.2层19.08.0010-812.011.1层17.85.0010-89.08.6层20.05.0010-50.036.0层18.04.0010-813.09.2吴连社,杨春瑞大直径管道穿越富水砂层对堤防稳定性影响分析第 5 期33表 3边坡抗滑稳定计算结果表Table?3?Slope?anti-sliding?st
15、ability?safety?coefficientscalculation?results?table施工时段计算工况部位安全系数计算值最小值顶管施工前工况一背水坡1.56631.50工况二迎水坡1.53411.50工况三背水坡1.29381.20顶管施工后工况一背水坡1.54781.50工况二迎水坡1.52131.50工况三背水坡1.23671.20表 2堤防渗流计算结果表Table?2?Embankment?seepage?indexes?calculation?results?table计算工况最大流速*/(10-8m s-1)渗透比降浸润线出逸点处接收井近堤侧土体最大值*允许值层层层
16、工况一4.910.1810.00140.02260.05100.00090.35工况二10.600.2410.00040.00640.00160.00210.35注:表中*为层最大流速;*为层最大渗透比降。计算时假设管道周围一倍管径即 0.8 m 范围内土层被扰动,近似看作透水性较高的土层,渗透系数取管道所在土层 10 倍。2.2渗流计算结果分析按 2.1 节计算条件及方法对引水管道穿越淮北大堤渗流稳定进行分析计算,计算结果见表 2。由表 2 可知,设计洪水条件下顶管施工前后管道穿越淮北大堤堤后浸润线出逸点处及接收井出逸处渗透坡降均小于所在土层允许的渗透比降 0.35。由此可判断顶管施工未引起
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