地面沉降对给排水管道变形的影响

周 超， 严天宇， 王永泉， 赵 雨

(华设设计集团股份有限公司，江苏 南京210000)

给排水系统是城市中的重要基础设施，与城市雨水排放、污水处理等密切相关[1-3]。受地质条件影响，城市部分地面会发生沉降现象，由于给排水管道位于地表以下，地面沉降易对其稳定性造成危害，如何避免沉降对给排水系统造成影响成为给排水系统设计时重点考虑的问题[4-6]。本文对某工程区的地质数据与沉降数据进行收集，以此为基础建立工程区土层的数值模型，对土层种类、厚度与沉降量的关系进行模拟分析。通过层次分析法确定给排水系统规划时各影响因素的权重，计算出工程区内适宜设置给排水管道的区域，为工程区给排水系统规划提供参考。

1 工程区地层特征

某工程位于河流周边地区，工程开发地区根据街道划分，每个划分区域面积在0.6～2.6 hm2内，开发地区总量为47个。本研究将开发中的影响因素列出，详细分析其重要性，对开发区域进行全面规划。

对工程区的勘测数据进行统计分析，据此建立数值模型。根据58个勘测点的测量数据，对勘测点地层的相关地质条件进行了详细的分析，为数值模拟提供了详尽的数据基础。分析地质数据得出，工程区地层呈二元特性，地层10 m内的软土层厚度差异较大，在2～9 m内变化，分布较为广泛。黏土层一般在9～26 m内分布，26 m以下为砂土层，厚度较大，可为桩基提供适宜的承载环境。由于工程区地质环境多样，土层分布不均匀，该地区地面沉降情况较为复杂。根据往年沉降量数据，该地区差异沉降量为27 mm。

2 地面沉降与管道变形的数值模拟

2.1 模型建立

分析工程区勘查资料可得，土层从上至下依次为素土—粉质黏土—淤泥质黏土—粉质黏土—砂土，土壤种类与物理性质如表1所示。

表1 工程区土类的物理性能Tab.1 Physical properties of soil in engineering area

根据真实土层顺序建立2D有限元模型，模型包括5类土层，深50 m，长600 m。利用直径1 m的钢管模拟给排水管道，将其作为多段简支梁设置，弹性模量赋值209 GPa，模型底面边界设置竖直与水平约束，横向边界设置水平约束。

2.2 数值模拟

取数值模拟中模型自西向东的6个特征点作为分析对象，特征点数值模拟结果如表2所示，特征点位置与沉降量、土层厚度的关系如图1所示。

综合分析图1与表2，模型的沉降量在0.34～0.39 m内，特征点0处竖向位移最大，为0.39 m，说明此处沉降量最大。由西向东，沉降量大致呈降低趋势，同时西侧的沉降量总体大于东侧。这与往年的沉降量勘查数据相符合，由于西侧土层结构分布较为复杂，尤其是砂土层厚度较大，土壤黏聚力较小，砂土层下的地下水过量抽取会对地面沉降造成较大影响。

将工程区的土层特点与表2中数据结合，可对土层与沉降量关系进行分析。特征点0处砂土层厚度较大，此处沉降量为最大值；特征点390处沉降量发生了突变，这是由于此处软土层厚度过大，其渗透性差、强度较低且压缩量大，导致地面沉降量不稳定。对于二元分布特性的土层，砂土与软土自身特性对地面沉降会造成较大影响，在设计给排水管道时是需要重点关注的因素。

数值模拟中给排水管道为刚性材料，其并未随土层沉降而发生较大变形，在实际条件下当土层发生较大沉降时，管道往往会因此发生脆性破坏。

表2 特征点数值模拟结果Tab.2 Numerical simulation results of feature points

图1 不同位置的沉降量和土层厚度Fig.1 Settlement amount and soil thickness at different sites

2.3 给排水管道受沉降影响的破坏机理分析

本模型中，给排水管道设计为简支梁结构的刚性管道，其一端与给排水设施相连，设置于半无限的二元土层表面。土层产生的沉降会引起管道的沉降。管道上方会受到车辆、行人等垂直荷载，下方由土层提供竖向支撑。当土层发生沉降时，管道受支撑力减小，当沉降量达到一定程度时，管道远离连接点的一端会产生较大位移，从而使连接端产生较大应力，导致管道破坏。

3 工程区给排水管道设计方案

工程区地下土层结构复杂，影响给排水管道运行质量的因素较多，在进行管道规划设计时，应综合考虑各项因素。基于层次分析法，对各项因素进行加权处理，综合考虑各项因素的影响，为工程区给排水管道设计提供参考。

层次分析法是将影响事件的相关因素从方案、准则、目标等方面进行分解，并对其进行定量和定性分析的决策方法。将工程区中给排水管道设计因素进行分解：方案层面为钻孔土壤性质资料，准则层面为开挖稳定性以及管道运行安全性，目标层面为管道设计方案。将各因素的重要性进行比较，建立对比矩阵，通过计算确定最佳权重。

考虑管道铺设时基坑开挖中的影响因素，基坑侧壁与底坑均需要一定的稳定性，故二者的权重相当，对其赋予相同权重值。基坑开挖过程中，软土层对基坑侧壁的影响较大，软土层厚度与侧壁稳定性有较大的相关性。对于基坑底部，顶板埋深会对其稳定性造成较大影响，故其与软土层厚度取相同权重。

在给排水管道运行过程中，沉降、地下水与振动均会对管道稳定性造成影响。沉降在工程区属于常见地质危害，会对管道稳定性造成很大影响；地下水对管道有一定的腐蚀作用，但影响较小；振动会对地质稳定性造成一定危害，对管道运行稳定性有较大影响。综上，给排水管道设计时需考虑的评价因素包括软土层厚度、粉土层厚度、软土顶板埋深、填土底板埋深与地下水腐蚀作用。

根据层次分析法将评价因素进行赋值，计算结果如表3所示。

表3 层次分析法评价要素权重Tab.3 Evaluation factor weight based on analytic hierarchy process

根据表3中的评价因素权重值，通过计算得出给排水系统钻孔的综合评价值：

式中，Ui为第i个钻孔给排水评价值；Rij为第i个钻孔第j个因素权重；rij为第i个钻孔第j个因素分项值。

综合评价值可对工程区给排水管道规划提供参考，对钻孔位置的运行安全与稳定性作出评价，计算出的综合评价值越大说明位置越适宜。据此，可对工程区进行评价分区。

Ⅰ区：该区域非常适宜作为给排水管道设置区。该区域在基坑开挖时可保证坑底与侧壁的稳定性，同时在给排水系统运行时安全性较高。

Ⅱ区：该区域较为适宜作为给排水管道设置区。该区域在基坑开挖时可能出现少量稳定性问题，管道运行时可能产生少量地质问题。

Ⅲ区：该区域不适合作为给排水管道设置区。该区域在基坑开挖时需要较多支护，同时在给排水系统运行时可能产生较多沉降、振动等问题。

综合分析认为，对于工程区，Ⅰ区为最优先考虑的给排水系统设置区域，其次为Ⅱ区，一般不考虑将Ⅲ区作为给排水系统设置区域。

4 结论

① 根据工程区实际勘查数据，对不同钻孔的沉降量与土层数据进行统计，并据此建立了数值模型，对工程区沉降量与区域的关系进行模拟研究。

② 根据数值模拟结果，对土层厚度与沉降量关系进行分析，确定了不同土层类型和厚度对地面沉降的影响。

③ 对给排水系统设计中出现的因素进行统计分析，通过层次分析法确定了5个评价因素的权重，并根据综合评价值计算公式将工程区划分了三个层次的给排水系统规划区域。