河道中新建筏板平台对河底供水管线的影响性分析

张守磊

(北京禹冰水利勘测规划设计有限公司，北京 100161 )

1 概 述

随着科技及经济建设的发展，我国城市建设日益凸起。由于城市地面空间的局限性，使城市工程建设需要不断的向“地下”、“天空”等各个不同的方向“索要”空间[1-6]。河流作为城市中不可或缺的部分，河道自然也会成为城市工程建设拓展空间的一个“目标”[7-11]。然而，城市河道底部往往布设了很多供水、供电管网，后期这些工程的建设，肯定会对现存的地下管网带来或多或少的影响。因此，就城市河道顶部工程建设对现状河底管网所带来的影响的问题，很有必要进行有针对性的探究。

2 工程概况及设计方案

北京市大兴区小龙河现状河道底部沿着河流流向埋设了一条供水管线，水管位于设计河底以下约2.5 m的位置，管道采用DN1 800 mm钢管，管材为Q235B，管道工作压力0.5 MPa，设计内水压力1.0 MPa，管壁厚18 mm。在河道综合治理工程中，根据城市道路规划的布局，拟在河道左岸局部沿线水面上空建设5 m宽的筏板平台，设计效果图见图1。

筏板平台计划采用钢筋砼框架结构，河道中筏板平台的初拟断面见图2。本方案中对河道左右两岸开挖后采用土钉支护，表面采用素混凝土喷护。框架结构采用整体现浇，顶板宽度5.65 m，板厚0.2 m，采用0.8 m×0.8 m独立柱，柱中心间距为4.15 m，采用筏板基础，底板厚0.9 m，宽16.32 m，河道中正常水深为3.0 m。

图2 拟建筏板平台断面图

3 计算模型及边界条件

3.1 计算模型

根据河道筏板平台设计方案，为防止混凝土结构差异沉降，新建筏板平台在顺水流方向每13.5 m布置一条结构缝，筏板平台底板厚900 mm，在底板顶部沿着顺水流方向每4.15 m均匀布置的一混凝土支撑，混凝土支撑立柱的设计断面为800 mm×800 mm，筏板平台所在河道的设计河底纵坡i=0.000 7。

因此，在筏板平台三维模型构建过程中，为便于分析，选取13.50 m的典型河段进行模型构建。借助三维有限元软件构建了该河段三维计算模型，见图3～图4。模型底部选取地基厚度为8 m，顺水流模型长度为13.50 m，垂直水流向模型宽度为30 m，该模型中地基、平台、管道等均采用3D实体四面体及六面体单元。

图3 整体三维模型图

图4 筏板平台框架模型图

3.2 材料参数

根据工程现场地质勘探资料，筏板平台建基在土基上，土体材料自上而下依次分为粉砂层、细砂层、粉土层。其中粉砂层深度约1.45 m，细砂层深度约7.05 m，粉土层深度约1.5 m。筏板结构直立式边墙后侧采用基坑开挖土体分层压实回填，筏板平台采用C30钢筋混凝土材料。为了精确模拟分析结构的受力情况，在材料本构模型的选取过程中，充分参考类似工程项目的计算经验，钢筋混凝土材料选用线弹性本构模型，土体材料选用摩尔-库伦本构模型，各种不同材料参数设置情况见表1。

3.3 边界条件设置

该筏板平台设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，汽车荷载标准采用公路Ⅱ级。在该工程中，主要分两种情况进行研究分析：第一种情况为筏板平台正常运用河道无水的情况；第二种情况为河道过水的情况。

计算过程中，充分考虑到整个工程的建设过程，结合两种运用情况，共分4个阶段进行计算分析。主要计算阶段分为：①筏板平台施工完建；②筏板平台侧面土体回填；③筏板平台顶部施加车辆荷载；④河道断面过水。

利用有限元分析过程中，在三维模型的中间设置约束条件，在河道的顺水流方向以及垂直水流方向设置垂直作用面的约束，在模型基底面设置重力方向的固定约束。计算过程中，首先计算分析原装土体在自重作用下的地应力，然后根据工程施工的实际顺序，在模型中不同结构位置分别施加静水压力、筏板顶部车辆荷载、供水管道内部压力等，具体荷载以及约束设置情况见图5。

4 计算结果分析

4.1 竖向位移分析

经过计算分析，可以得到不同阶段河道管道断面竖向位移云图，见图6。由图6中数据分析可知，河道中筏板平台及左岸的回填土沉降最大，从筏板平台建成、土体回填、筏板平台运用、河道过水过程中，地基土中的沉降等值线大致呈现平行的趋势，在底板以下并未有明显的沉降突变，这表明整体式筏板平台的建设对地基不均匀沉降的影响不大，不会导致管道因土体差异差异沉降而产生受力不均的情况。

结合图6中云图可以统计得到不同阶段管道沉降情况，见表2。由表2中数据分析可知，在第一阶段管道沉降位移为10.3 mm，第二阶段管道的沉降位移为13.0 mm，第三阶段管道的沉降位移为17.1 mm，第四阶段管道的沉降位移为19.5 mm。通过分析可知，与天然状态相比，筏板平台建成之后，管道的沉降量增大了10.3 mm；土体回填之后，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；河道过水之后，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发生在筏板平台施工完成及投入使用之后两个阶段。综上可知，河道中该方案拟建的筏板平台建成、投入运用且在河道过水的情况下，所导致的管道的沉降量大约为19.5 mm。

图6 不同阶段管道沉降位移云图(m)

表2 管道沉降计算成果汇总/mm

4.2 管线应力分析

就管道而言，抗拉强度是评价管材力学特性的主要参数。通过数值计算，可以得到不同阶段管道的大主应力(拉应力)云图，见图7。由多组应力分布云图可知，管道的大主应力主要发生在管道的顶部位置。

结合图7，可以得到不同阶段管道大主应力情况，见表3。

图7 不同阶段管道大主应力云图(kPa)

由表3中数据分析可知，在第一阶段管道大主应力最大值为52.71 MPa，第二阶段管道大主应力最大值为52.62 MPa，第三阶段管道大主应力最大值为52.54 MPa，第四阶段管道大主应力最大值为52.55 MPa。由此可知，在整个工程建设乃至运用过程中，管道的大主应力变化幅度不大，筏板平台的建设及河道的过水情况，导致管道的大主应力略有减少，但减少值仅为0.17 MPa。因此，从应力角度而言，筏板平台的建设对管道应力方面的影响不大。

表3 管道大主应力计算成果汇总 /MPa

4.3 筏板平台基底应力分析

通过数值计算，可以得到不同阶段筏板平台底板部位的竖向应力云图见图8。由多组竖向应力云图对比分析可知，由于框架柱的荷载传递作用，底板部位竖向应力大致对称分布，仅在支撑柱底部的位置略有突变，底板两侧的竖向应力值较大，底板中部位置竖向应力值相对较小。

通过数据统计分析，可以得到平台基底应力的数值，见表4。由表4中数据分析可知，从筏板平台建成之后，在第一阶段底板竖向应力最大值为99.9 kPa，最小值为9.0 kPa，竖向应力均值为54.5 kPa；在第二阶段底板竖向应力最大值为119.0 kPa，最小值为5.6 kPa，竖向应力均值为62.3 kPa；在第三阶段底板竖向应力最大值为199.0 kPa，最小值为5.3 kPa，竖向应力均值为102.2 kPa；在第四阶段底板竖向应力最大值为220.0 kPa，最小值为19.0 kPa，竖向应力均值为119.5 kPa。

图8 不同阶段筏板平台竖向应力云图(kPa)

表4 基底应力计算成果汇总/kPa

5 结 论

城市河道底部往往布设了很多供水、供电管网，河道中新建结构物肯定会对现存的地下管网带来一定程度的影响。本文结合北京市大兴区小龙河治理工程，借助有限元软件，针对河道中拟建筏板平台对河底现存供水管网的影响，从结构沉降、管道应力、筏板结构基底应力3个方面进行了系统的分析。结果表明，筏板平台的建设投入运行后，在结构沉降方面，管道竖向沉降最大值为19.5 mm，管道此时处于小变形受拉的状态；在管道应力方面，管道大主应力最大值为52.55 MPa，远小于钢材的抗拉强度极限值；在筏板基底应力方面，筏板结构基底应力均值为119.5 kPa，小于基底承载能力限制。因此，河道中筏板平台的建设，对河底现存管道的影响性相对较小，工程建设中无需设置必要的保护措施。