河道停车平台建设对河底管道影响分析

杜 卫

(江西省水利水电建设有限公司，江西 南昌 330000)

中国在不断地发展，经济及科技水平也在逐步地提高，随之城市的建设工程也在与时俱进。我国城市化的演进，人口密度的提高，使得城市中的人均占有面积越来越少。地面空间存在着的局限性，致使很多的工程向多维空间扩展。目前，城市中首先扩展使用的是地下空间，除了地下空间的利用，目前也有很多城市开始考虑河道空间的利用。天然的河道，作为贯穿城市中的纽带，不但给城市带来了勃勃生机，更多地满足了城市化的供水排水需求。如今，城市的河道底部大多布置了排水供水管网，若建设相关的临河构筑物势必会对河底已存的结构物造成一定影响。近些年来，国内外的学者针对临河构筑物对河底管网的影响这一课题开展了大量的调研和分析，通过研究探讨以及论证后期建设工程所带来影响的大小与具体的工程结构构造、受力特征、空间布局等因素有密切关系。因此，面对现今的状况，相关工作者应加强重视，对相关的工程项目进行探讨研究。

1 相关背景

1.1 河底管道铺设

近年来，大多城市已埋设河底管道、箱涵，并将河底管道的引水、供水工程作为城市供饮水的首选方式。在河道工程中，如跨河管道建设、污水排入排水管铺设、长距离河底或海底管道架设等，在建设的过程中，工程项目应根据过水管道的总长度、所处河流的深度、所在河流的流速、河底土质、河道目前通航要求、管道使用寿命等因素，选择经济合理、技术可行的施工方法。根据查阅资料调查目前最为常用的两种方法，一种是围堰法，另一种是水下铺管法。进一步综合评估经济成本，当水深较小、水流较缓、通航较少、建设材料可以就地取材时，工程一般将会采用筑堰法；但是，当上述条件并不能够满足的情况下，工程宜采用水下铺管法。现今常用的两种铺设水下管道的方法：①铺设在水底河床上；②埋设在水底沟槽内。具体的有缺点以及适用条件见表1。

表1 两种水下管道铺设方法对比表

1.2 河道工程

近几年，我国对水利工程的生态问题十分重视，河道作为城市中的自然景色，一方面对于供水的需求，城市已经人为对河道底部进行改造以期更好的为城市的生活服务；另一方面，环境等方面的专家致力于让城市中的河道能够进一步起到维持生态平衡和美化城市的功用。随着“海绵城市”的提出，如何将城市中的天然水域充分利用是市政、环境以及水利部门十分重视的主题。利用天然的河道做相应的景观设计也成为城市美化的一大主题。目前常见的河道景观设计中的亲水平台是一种十分受欢迎的设计，但景观设计需要综合分析临水构筑物对河道的影响。各种景观工程中，大部分可以通过水资源计算来分析其合理性，而且还可以通过河岸边坡防护工程确保河岸边坡的稳定。

河道的另一处利用是作为公共活动辅助场所。如今自驾游出行已经是大多数家庭的首选，无论是跨省市还是附近的郊区公园，越来越多的家庭选择驾车前往，如此相关部门所面对的停车场地不足的压力越来越大。已经有一些省市在城市规划中将河道中建设停车平台纳入规划建设之中。我国现行阶段对于在河道建设停车平台这一措施还有许多方面需要进行综合分析，比如对河道泄洪能力的影响、对周围景观的影响以及作为临岸构筑物其安全性等。

1.3 管涵受力分析方法

浅埋河底的管道由于受到波浪、水流和上层构筑物荷载的作用，其力学特性和物理特性都易发生变化。若是在砂土地基的环境中铺设地下管道，在发生地震或是波浪等类似的往复荷载时，可能发生液化。由于液化使得原本的地质基础发生变化进而使得填埋在土中的管道发生相对位移，造成一定的失稳状况。此外，管道的周围支撑状况的变动，管道中将在原有的工作应力另外产生弯曲和拉伸应力，由此就有可能完全改变了管道的受力状态，引发工程事故。随着新技术在工程领域的应用普及，尤其是计算机技术在地下管网研究领域的普遍应用，有限元法、边界元法和离散元模型在管道应力特性的计算分析中发挥着越来越重要的作用，在计算机端进行模拟操作给学者提供了一个有效的数值模型以进行管道周围土体压力分布和管道的特性变形的分析。

2 案例分析

2.1 工程概况

沈阳市综合管廊工程地处南运河沿线，西面从南京南街开始，东面至善邻路结束，管廊沿着砂阳路等铺设，途径五大主要城市公园。其中的南运河河道水生态治理可研项目0+100～0+500标段，河流的流向为自东向西，其中供水管道沿着自东向西的方向布置在万泉公园段的河道底部2.5m处。由于城市建设的需要，拟定在河道的左岸建设一个停车平台，停车平台设计为宽约5m的现浇混凝土构筑物。具体的设计断面如图1所示。

其中两岸为河道中前期已修建完工的浆砌石挡土墙，位于河道底部的供水管道为圆管，圆管直径为1.8m，管壁厚度为0.5m，现今在河道的左岸处所示的框架结构为新建停车平台，河道的河床宽15m，常年河道深度为3m。

2.2 设计模型

计算模型选取一个长为20m的河段作为典型河段进行计算分析，由于河底的河床比较平缓坡度变化不大，所以模拟过程中可以假设河底高程保持不变，建设好基本的模拟模型后通过有限元软件建立该工程河段的三维模型。通过地质勘探资料，了解到该地区的地质情况，在进一步的数值计算中，为了提高计算结果的可靠性性，土体材料采用摩尔-库伦模型，浆砌石、钢筋混凝土及钢管材料采用线弹性模型，各种材料的参数选取见表2。

图1 河道设计断面示意图

表2 计算主要材料参数表

经过边界条件的设定以及相关模型模拟，在框架结构的顶部进行荷载的施加，初步位于构件的顶部施加10kPa的均布活荷载，并在平台下方的每个支柱的顶部施加285kN的集中荷载。然后通过3种不同条件的设定，比较河底管道的受力荷载和位移变化情况。

2.3 沉降分析

相关模拟后的数据分析得到：

(1)当河道两旁的挡土墙建设后河底管道发生3.9mm的沉降；

(2)当停车平台建设后河底管道发生10.9mm的沉降；

(3)当河道过水后河底管道发生20.2mm的沉降；

(4)当停车平台投入使用后河底管道发生25.5mm的沉降。

综上数据分析可得，当停车平台正式投入使用后，河底管道的沉降位移最大，所以河底管道的沉降主要受到停车平台投入使用后车辆的荷载影响。因河道两岸的挡土墙为前期设计并已投入使用数年，所以本项目分析中应该除去挡土墙所带来的沉降，最后河道中河底管道因建设停车平台所增加的沉降值为21.6mm。仅考虑位移的影响，河道中的管道总长为20m，平均的单宽沉降值为1.08mm，对于管道而言1.08mm的单宽沉降值属于小变形，即使在后期可能发生非人为因素的其他干扰性沉降，对管道的正常运用也并无影响。

2.4 应力分析

通过对河底管道的应力分析，可知挡土墙建设后河底管道所受到的主应力最大值为47.42kPa，河道中的停车平台建设后河底管道所受到的主应力最大值为143.20kPa，河道过水后河底管道所承受的主应力最大值为547.80kPa，停车平台正式投入使用后河底管道所承受的主应力最大值为927.55kPa。由以上的数据分析可知，河道过水及停车平台投入使用之后对管道的大主应力最大值有较大的影响。根据相关资料，钢材的抗拉强度极限值一般在300～400MPa，所以管道的大主应力最大值相对钢材的抗拉强度极值较小。因此，若从单因子应力的角度来分析，位于河道中停车场的建设对河底管道不会产生大的影响。

所以，以上结果在假定了理想模型的情况下得出了停车平台的建设对河底供水管道的受力情况影响较小，无需采取其他保护的措施的结果。

2.5 管道的疲劳损伤

对于河底管道除了沉降位移和应力分析，还有微观的理论分析。在力学分析的基础上对所研究的河底管道建立微观破坏模拟计算模型。现实中的管道所受到的力学问题是十分复杂的，其中很多的影响因素具有随机性、非线性等特点，所以管道的力学特性影响因素众多而且相当复杂。

结构的微观缺陷进一步演化和变形的局部化的特点，这两个特点决定了管道的变形，因此，按照损伤的概念，对于河底管道原本存在的管道微小缝隙将会在荷载的作用发生变化的情况下，发生不同的演化，这种管道内部的损伤演化会不断累积，使得管道的整体性能下降，抵抗外荷载的能力也同步下降。时间的不断积累，侵蚀的不断恶化，最终管道将失去抵抗性能，引起疲劳破坏。管道的损伤程度与所自身受到的功成正比，而这个功与应力的作用循环次数和该应力对管道进行了破坏的次数成正比。因此，本文考虑停车平台正式投入使用后的荷载作用下管道的疲劳损伤增加相对平均，以及与不同强度的应力加载顺序并不相关联的条件下，采用工程中常用的Miner宏观唯象定义一线性累积损伤模型：式中，[xN]—第N次停车平台上方车辆荷载作用后河底管道的强度；[x0]—河底管道初始强度。所以，每一次车辆荷载的作用，管道会有不同程度的损伤，进而使得管道的抵抗荷载的强度不断降低。

[xN]=(1-ND)[x0]

(1)

当停车平台投入使用一段时间后，将河底管道所受的车辆荷载作用次N(即工作应力的循环次数)，作为一个已知量。令车辆载荷多次作用的应力均值为μl，强度均值为μs，应力和强度的标准偏差为σl和σs。令y=xs-xl，其中xs为强度，xl为工作应力，则由可靠性原理得管道可靠度表示式：

(2)

(3)

进而，将损伤累积的概念引入，即强度和强度均值在第N次应力循环后变为(1-ND)xs和(1-ND)μs，其中标准差不变。

因此可得公式：

(4)

当河底管道在建设停车平台荷载作用下使用到一定时期时，可以通过车辆作用次数统计处N1，管道的剩余寿命为：N-N1。

最后在经过相应的模拟计算，该项目中河道中停车平台对河底供水管道的损伤疲劳程度影响并不大。

3 结语

河道中相关设施的建设，势必是会对河底的管道产生影响。本文通过对指定项目中河底管道的沉降、应力和疲劳损伤的分析，考虑因素较为全面，对所建项目进行了可靠的建模计算，最后得到的结果为河道中停车平台对河底供水管道的沉降位移、受力情况以及疲劳损失的影响程度较小，建设中无需采取保护措施。同时，本文中使用的建模以及综合分析方法，可以类比运用到其他相似项目中进行工程评估，通过软件建模和经典公式的结合使用，更具合理性和代表性。