管道穿越河流堤防的渗流稳定性分析

杨 杰，曹彭强，宋新伟，涂有笑，陶月赞

(1.皖西学院建筑与土木工程学院，安徽 六安 237012；2.安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽 蚌埠 233000；3.合肥工业大学土木与水利工程学院 安徽 合肥 230009)

0 引言

近年来，随着我国南水北调、西气东输、兰-成-渝成品油管道等长距离输水、输气及输油管道工程建设，各种管道穿越技术在工程实施过程中获得了广泛应用，而不同类型和属性的管道在穿越不同地质构造时，其参数特征差异较大，对构筑物的影响也不尽相同[1]，国内外众多学者对管道穿越过程中的边坡稳定和防渗安全等进行了大量的研究。徐洁等[2]根据工程地质条件及管道埋深情况，计算了穿越河段设计洪水位下的河道断面水力参数、抗滑稳定系数等，并对某定向钻技术用于输气管道工程对河道行洪及其两岸堤防的影响程度进行分析；唐明明等[3]采用数值强度折减法与实际地形建模相结合的方法，研究了边坡潜在滑动面的形状以及管线斜井在开挖过程中井周土体的位移变化规律，并对边坡的稳定性安全系数作了进一步分析计算；陈宏任等[4]利用ANSYS软件建立有限元模型，通过数值模拟的方法分析在不同渗透系数下穿江管道埋深和穿越位置对堤防渗透安全的影响，并根据临界水力坡降判断堤防的渗流稳定性；Ranilovic[5]研究了管道穿越的施工组织方法，构筑物的支撑结构与连接形式以及管道底部的稳定性因素，并以某天然气管道穿越Guduca峡谷所需的工程质量标准为例进行稳定性分析；Zhang等[6]运用有限元法对定向技术穿越管道过程中产生的不良地质地层的变形与崩溃等失效行为进行模拟，根据应力分布和崩溃过程不同阶段各截面的变化提出相应的保护措施；Han等[7]利用ABAQUS软件模拟不同埋深管道在滑坡地段的应变分布，并研究不同径厚比下的局部应变分布曲线；Latorre等[8]基于数学建模的思想，运用LEVEEMSU软件分析了管道穿越工程对构筑物影响的主要因素，并指出在不超过特定穿越距离的情况下，地层的渗透系数对构筑物安全影响显著，但地层厚度对其影响不大。

大量的文献[9-12]集中于对管道穿越过程中的安全系数与稳定系数等力学参数、工程数值模拟方法、工程施工措施等进行研究。其中，对于管道穿越河流的渗流稳定性分析，大多采用数值模拟的方法对工程区域进行研究，而数值法的前提是对研究区水文地质条件进行概化，由于对区域地层岩性变化的处理与模型边界条件的理解不同，模型的结构设计具有一定的差异。现有的渗流稳定分析常将问题概化为平面问题，将管道及其周围一定范围内采用加大渗透系数来近似模拟。本文研究的成品油输送管道穿越安徽省中部某河流，根据工程勘察报告、地质钻孔及河流水文等资料，利用Visual Modflow软件建立三维数学正演模型[13]，对管道及其周围采用不同的概化条件与渗透系数处理来近似模拟；通过比较管道穿越前后堤防区域流场水力参数变化，来分析工程对堤防渗流稳定的影响。

1 建模方法

1.1. 研究区水文地质概况

研究区位于安徽省中部，属于亚热带季风湿润气候区，多年平均降雨量1089.4 mm，多年平均蒸发量1400 mm。降雨量年内变化明显，主要集中在5～9月份，占年降水量的50%～60%。

穿越地段两岸都是平原圩区，地形比较平坦，地面高程在8～9 m，两岸河堤的堤顶高程15～16 m，两堤之间宽度168 m，河面宽70 m。据水文观测资料，多年平均水位高程6 m，设计水位15.13 m。含水层主要为第四系松散土层，在0～20 m的深度范围内大致可分为以下几类地层：最上部为第I层，主要由素填土及淤泥层组成；第Ⅱ地层的岩性主要为中砂层；第Ⅲ层为粉质粘土层，其隔水条件较好；第IV层为中细沙层，其分布较稳定；最底部为第V层，岩性组成以粉质粘土层为主。河流与土层水力联系较好，洪水期河流作为源项补给土层。穿越管道的管径为273 mm，入土点位于河流南岸距堤脚47 m，以9°角入土；出土点距北岸堤脚90 m，出土角为6°。管道位于河床以下6 m，管底设计高程-7.5m。根据河床冲刷分析计算，工程断面河槽最大冲深2.28 m，最低冲刷高程-0.78 m。图1为穿越段河流全貌及管道入土点工程示意。

图1 穿越段河流全貌及管道入土点示意

1.2 区域水文地质概念模型

本项目中以管道工程穿越点附近1000 m作为研究区范围，其横向边界与纵向边界之间距离均为2000 m。在空间方面，将区域平面剖分为40行与40列，同时对于纵向管道穿越的位置以及横向河流过境的区域分别进行网格细分处理。根据钻孔资料，将模拟区分为五层，最下层粉质粘土层构成含水层的底板，具体土层分布及参数分区见图2(以河流中轴线为横坐标零点)。研究区地下水含水层的流态特征为非均质各向同性非稳定流，不同地质构造参数分区在本层按均质处理[14]。洪水期河床高程按冲刷后高程计算。土层初始水头概化为与河流水位高程相等，即初始水力坡度为零。在穿越处河道弯曲较小，模型中按顺直河道处理。

图2 模型1土层分布及参数分区

1.3 数值模型构建

通过对区域水文地质条件的概化，将研究区地下水作非均质各向同性非稳定流处理，由此建立地下水数值模拟模型，如公式(1)-(4)所示：

上式中：H表示地下水的水位(m)；W表示单位体积地下水流量(m3)；μ表示弹性释水系数；Kxx与Kyy分别表示含水层在x方向与y方向的渗透系数(m/d)；t表示时间(d)；H0表示模拟区初始地下水位(m)；H1表示模拟区边界处地下水位(m)；D为模拟区的范围；Γ1与Γ2分别表示模拟区第一类水头边界与第二类流量边界；n表示区域边界外法线方向。

1.4 模拟方法

根据研究区的水文地质概况，考虑管道周围存在一层高压膨润土，在管道穿越初期，由于膨润土压力较大，使得管道周围土层压密，渗透系数减小，而不透水的管道用渗透系数极小岩体处理；在管道穿越较长时间后，膨润土压力释放后，管道周围存在接触渗流，使得管道周围土层渗透系数加大，为简化模型，将管道区域也概化为渗透系数加大的土层处理，最后对不同的模拟情况分别进行比较分析。

2 结果与分析

2.1 模拟计算结果

由上述数学模型，利用Visual Modflow软件分别对管道穿越前期、穿越初期及穿越后期三个阶段建立数值模型进行模拟。模型1为穿越前堤防渗透模型，其土层分布及参数分区如图2所示；模型2中将管道部分概化为不透水，采用较小的渗透系数(10-7m/d)处理，同时管道周围1 m范围内采用减小渗透系数(为穿越土层的0.5倍)来近似模拟，如图3所示，图中黑色区域为管道，灰色区域为膨润土；模型3将管道及其周围1 m范围内加大渗透系数(为穿越土层的1.5倍)处理，其土层分布及参数分见图4，图中灰色区域为管道与膨润土。根据现有钻孔所揭露的地层，河床附近的主要是中沙与粉质粘土层，中细砂地层渗透系数的经验值为1～20m/d，粉质粘土小于1m/d；在模拟管道穿越河流的过程中，各土层渗透系数参数见表1。

图3 模型2土层分布及参数分区

图4 模型3土层分布及参数分区

表1 各土层渗透系数 单位：m/d

将模型赋予土层的各项参数并考虑其边界条件，在进行模型参数识别后，基于Visual Modflow软件进行地下水数值模拟。水位选取二十年一遇洪水位，模拟时间步长为一个月，在0～20 m的纵深范围内，其地下水流场分布见图5。

图5 研究区流场分布剖面图

通过计算可得到各模型在管道穿越断面处最大水力坡度，表2为模型1、模型2以及模型3的最大水力坡度计算结果与允许水力坡度对比情况。其中，允许水力坡度可由如下公式(5)-(6)计算求解。

表2 模型最大水力坡度与允许水力坡度对比

上式中：Ia与Ib分别表示在管道穿越断面处的允许水力坡度与临界水力坡度；K表示相应的安全系数，通常可以取值为2.0-2.5；Ga表示土粒比重；n表示土的孔隙度。

2.2 结果分析

在数值模拟的基础上对区域非稳定流渗流过程进行分析，根据地下水流场中最大渗流速度，结合地层的工程地质条件，判断渗流速度对地层中松散颗粒的扰动能力。通过上述模拟结果以及图5的地下水流场剖面，管道穿越堤防使区域地下水流场发生改变，考虑管线工程使得周边地层的渗流速度加大50%的前提下[15]，地下水流场中的渗流速度小于扰动沙粒所需要的最小渗流速度；因此，在考虑河床冲刷以及高水位条件下地下水渗流诱发管涌的可能性比较小，管道穿越对堤防设计抗滑和渗流稳定将不产生破坏性影响。

由表2可得，各模型管道穿越处地下水流场的最大水力坡Imax分别为0.162、0.195与0.158，而发生管涌的允许水力坡度Ia=0.402，即Imax＜Ia，最大水力坡度小于扰动沙粒所需要的允许水力坡度。此外，与原模型相比较，模型2的最大水力坡度值增加了0.033，其增幅为20.37%，但未超过允许水力坡度；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对堤防稳定影响较大，从而一定程度上增加了发生渗流破坏的可能，但后期随着时间的延长，影响逐渐减小，大致稳定在一定的范围内。

3 结论

由以上分析得出如下结论：

(1)管道穿越会对河流堤防的稳定产生影响，因此需对工程断面进行渗流稳定性分析。在本项目的研究中，数值模型计算的最大水力坡度小于允许水力坡度，当工程实施过程中不改变区域地层渗透系数，保持现有地质构造，管道穿越对河岸堤防的影响有限，即在项目设计年限内，洪水对河床冲刷引起管道穿越点的渗透破坏可能性较小。

(2)根据区域地质及水文资料，建立数值模型模拟管道穿越前及管道穿越后地下水流场的变化规律，尽管现有的模型在一定程度上存有不足，但模型2的结构较符合管道穿越初期情况，且相对于模型3，其计算结果较为保守，更适合于工程实际的预测与应用。

(3)管道穿越工程在穿越初期对堤防稳定影响较大，增加了堤防发生渗流破坏的危险程度，但随着时间的增长，渗流破坏的影响逐渐减小，会有一定范围内的稳定区间。但如何结合管涌形成与发展的机理，从微观角度精确预测管涌发生的位置以及管道穿越点附近渗流破坏的周期，这将在今后的工作中作重点的研究和探讨。

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