顶管穿河工程渗流特性三维有限元分析和评价

何群，袁博文，俞昊捷

（1.信阳市淮河管理处，河南 信阳 464400；2.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098）

顶管施工具有不开挖地面，不破坏地层结构，对原工程影响较小的特点，在管道穿越工程中得到了广泛应用[1]，如穿越河道[2]、道路[3]等障碍物和深覆土大管径的管道工程[4,5]。对于穿河工程而言，虽然其顶管具有较高的安全性，对周边环境影响小，但是仍不可避免地会扰动管道周围土体[6,7]，导致土体密实度降低[8]，致使管道周围土体渗透系数变大，进而改变了原堤防的渗流场[9]，可能会诱发堤防出现渗透稳定问题[10]，影响工程安全[11]。故一些工程会采用防渗措施削减水头[12]，如混凝土搅拌桩等。针对顶管工程易诱发提防发生渗透破坏问题，已有学者开展大量的研究。陈宏任等[13]采用初流量法，分析了天然气管道穿越湘江时，湘江堤防的渗透安全问题，重点考虑了穿江管道埋深和穿越位置两个因素。张毅[14]采用临界水力梯度法，定量分析了穿堤管道施工诱发渗透破坏的可能性。雷刚[15]针对滠水河管道穿越工程研究了渗流作用对提防的影响，认为渗流作用是进行地下开挖及支护应考虑的重要因素。李虎成等[16]分析了某管道穿河工程的入土点和出土点最佳位置，研究了穿越段堤防的渗透稳定问题。余剑平等[17]分析了穿越工程对堤防渗流的影响，并讨论了地层扰动严重时的防渗工程设计方法。但现有研究较少涉及顶管施工而引起的周围堤基渗透特性变化对渗流特性的影响，并且尚未有分析防渗墙施工缺陷对渗流特性的影响的研究。

本文结合某顶管穿河工程，确定了顶管施工堤防渗流影响的范围，运用非饱和渗流计算方法和超单元法，建立了饱和-非饱和渗流三维有限元分析模型，研究了因顶管施工而引起周围堤基渗透特性变化和防渗墙施工缺陷对渗流特性的影响，并对该工程进行了渗流安全评价，以期为顶管穿河工程的设计及渗流安全评价提供参考。

1 工程概况

某顶管穿河工程所在河段右岸的堤坝堤顶宽8.0 m，外侧边坡1:3，内侧边坡平台以上为1:3，平台以下为1:4.5，平台宽4.5 m；左岸堤顶高程15.2 m，堤顶宽6.0 m，迎、背水坡边坡为1:3，背水坡在堤顶以下3.0 m处设宽度为2.0 m平台。穿河管道为壁厚度0.15 m的钢筋混凝土管道，管底内壁高程为-6.7 m，管道中心高程为-5.9 m，管顶内壁高程为-5.2 m。现状河底高程-1.9 m，管顶外壁距河底3.1 m。为防止堤坝发生渗透破坏，在堤顶附近设置防渗墙，以降低堤坝土体的渗透坡降，防渗墙采用直径600 mm的高压旋喷桩，桩平面布置长度约10.0 m，桩端入中风化泥质砂岩不少于0.5 m，高压旋喷桩防渗墙范围为管道轴线向堤坝轴线两侧各延伸5.0 m。

2 计算模型及工况

2.1 顶管施工渗流影响范围的确定

顶管穿越过程中会对管道周边的原土体产生扰动，影响原土体的密实度，继而使得管道周围土体的渗透系数增大，甚至可能会沿管道周边形成一条渗流通道，这对于堤防的渗流稳定和渗流安全是相当不利的。因此，确定顶管穿越施工的影响范围对于防渗方案的设计、渗流的计算至关重要。

施仲衡等[18]假定基底压力按45°向下扩散，影响范围边线定在管道扰动区外，认为管道扰动区为（为管道半径），建筑物基础影响范围Ⅰ区内的影响较大，影响范围Ⅱ区内则相对较小，具体影响范围见图1。

图1 管道对周围土体的影响范围

本文采用上述的方法进行估算顶管施工的影响范围，管道直径较小只有1.5 m，且埋深较大，考虑到土体的拱效应，顶管施工对上部的影响较小，故未对影响区域内地基和堤坝进行相应的工程处理。由公式计算可以得到影响范围Ⅱ区的长度约为26.2 m，考虑影响区内地基和堤坝渗透特性变化对渗流场的影响。

2.2 计算网格及材料参数

本文采用非饱和渗流原理进行渗流计算[19,20]，采用控制断面超单元法对模型网格进行剖分，计算坐标系规定如下：取X轴垂直于大堤轴线方向，以右岸指向左岸为正；Y轴为大堤轴线方向，以下游指向上游为正；Z轴为垂直方向，向上为正，与高程一致。模型的坐标原点取在管道竖直中心平面在模型左侧投影且高程为0.0 m处。计算模型的截取范围如下：X方向，分别以两岸圩外坡脚为基准，向左右侧方向各截取30.0 m；Y方向，根据上文计算得到的影响范围取大堤段长60.0 m；Z方向，底部截至高程为-30.0 m。计算模型的整体有限元网格如图2所示，有限元网格节点总数为40941个，单元总数为36450个。根据地质勘察资料及堤坝天然渗流性态，采用可变容差法[21]，反演了堤坝与地基各土层的渗透系数，详见表1，同时表1列出了各材料的允许渗透坡降。

图2 计算模型有限元网格图

图3 Base-1工况垂直管道轴线剖面的位势分布(m)

图4 Base-1工况垂直大堤轴线剖面的位势分布(m)

2.3 计算工况

由于顶管施工会对周围土体造成扰动，会影响原堤防的渗流场；高压旋喷桩防渗墙的施工缺陷会对防渗墙的渗透特性产生影响，故本文改变顶管施工影响范围内土体渗透系数和防渗墙的渗透系数进行渗流计算，对比分析其对两岸堤防内部渗流性态的影响，拟定计算工况如表2所示。

3 渗流特性分析

3.1 穿越段大堤的渗流位势分布

由于计算模型沿管道中心线对称，选取垂直大堤轴线3个剖面、平行大堤轴线4个剖面分析其地下水水位和位势分布，具体剖面位置，见图2。垂直大堤轴线的剖面分别是：剖面Ⅰ-Ⅰ位于管道中心处，剖面Ⅱ-Ⅱ位于管道上游防渗墙范围内，剖面Ⅲ-Ⅲ位于管道上游影响范围Ⅱ内。平行大堤轴线方向选取的断面分别是：剖面1-1位于右岸堤防渗墙下游侧，剖面2-2位于右岸堤防渗墙中心处，剖面3-3位于左岸堤防渗墙中心处，剖面4-4位于左岸防渗墙下游侧。由于篇幅限制，本文仅列出Base-1工况各剖面的位势分布，如图3与图4所示。

由各位势分布图可知：管道穿越段的渗流场变化规律较为明确，河道中的河水透过地基渗透到下游侧，浸润面在通过高压旋喷桩防渗墙后下降较为明显。对比分析工况Base-1、Pipe-1和Pipe-2可得：高压旋喷桩防渗墙内的水头降落明显递增。在顶管施工影响范围内渗透系数增大10倍（工况Pipe-2）的情况下，高压旋喷桩防渗墙内的位势降落最为明显，其消减水头的作用也最明显。对比分析 Base-1、Wall-1和Wall-2可得：高压旋喷桩防渗墙的水头降落明显递减。在防渗墙渗透系数增大10倍（工况WALL-2）的情况下，高压旋喷桩防渗墙上下游的位势降落最不明显，其消减水头的作用也最弱。

大堤及地基各土料渗透系数及允许渗透坡降表 表1

渗流分析计算工况 表2

大堤渗流分析计算结果 表3

3.2 渗流出逸高程

大堤渗流出逸点高程、出逸坡降、堤身最大渗透坡降、高压旋喷桩防渗墙最大渗透坡降等成果如表3所示。

在工况Base-1，浸润面都未从背水坡出逸，右岸大堤渗流出口处地下水位高程分别为4.112 m、4.097 m，左岸大堤渗流出口处地下水位高程分别为6.115 m、6.095 m。在工况Pipe-1和工况Pipe-2条件下，右岸大堤渗流出口处地下水位高程比工况Base-1出逸高程分别降低了0.095 m和0.101 m，左岸大堤渗流出口处地下水位高程比工况Base-1出逸高程分别降低了0.089 m和0.096 m，这是由于土体渗透系数增大而引起的。高压旋喷桩防渗墙下游侧地基土的渗透系数增大，可以提高排水性能，在防渗墙的保护下，这种排渗作用是有利的。

在工况Wall-1和工况Wall-2条件下，右岸大堤渗流出口处地下水位高程比工况Base-1出逸高程分别升高了0.099 m和0.121 m，左岸大堤渗流出口处地下水位高程比工况Base-1出逸高程分别升高了0.079 m和0.099 m，这是由于防渗墙的渗透系数增大并接近周围土体的渗透系数，防渗墙削减水头的作用显著降低，进而导致出逸高程抬高。

3.3 渗透坡降和渗透稳定

对比表3的堤身最大渗透坡降与表1中大堤和地基土体的允许渗透坡降可知：在各种工况下，堤身与堤基土层的最大渗透坡降均不超过0.3，堤身与堤基的渗透坡降均小于相应土体的允许渗透坡降，可以满足要求。

3.4 高压旋喷桩防渗墙的作用

由表3可知，随着顶管施工影响范围内堤防和地基土渗透系数的增加，即随着顶管施工对管道周围土体影响的增强，高压旋喷桩防渗墙内的最大渗透坡降明显增大，这是因为土体的渗透系数变化后防渗墙的阻水作用亦发生变化。当土体渗透系数增大时，高压旋喷桩防渗墙的阻水作用明显增大，通过高压旋喷防渗墙的水头损失增大。

分析对比工况Base-1、Wall-1和Wall-2下的高压桩旋喷防渗墙内最大渗透坡可得：随着高压桩旋喷防渗墙渗透系数的增加，即防渗墙施工出现缺陷，高压旋喷桩防渗墙内的最大渗透坡降明显减小，这是由于防渗墙的渗透系数增大并接近周围土体的渗透系数，高压旋喷桩防渗墙的阻水作用明显降低，通过高压旋喷桩防渗墙的水头损失减小。

4 结论

本文结合某顶管穿河工程，确定了顶管施工渗流影响范围，分析了顶管穿河工程堤坝的渗流特性，研究了顶管施工和防渗墙施工缺陷对渗流特性的影响，并对该工程进行了渗流安全评价，得到以下结论：

①在各种工况下，高压旋喷桩防渗墙内的最大渗透坡降、堤身与堤基的最大渗透坡降均较小，小于相应材料的允许渗透坡降，渗透稳定性满足要求；

②改变顶管施工影响范围内堤坝和地基土的渗透系数以考虑顶管施工对周围土体扰动的影响，分析表明，当土体渗透系数增大时，即随着顶管施工对周围土体扰动的增强，高压旋喷桩防渗墙的阻水作用更为显著，通过高压旋喷桩防渗墙的水头损失增大；

③改变高压旋喷桩防渗墙的渗透系数以考虑施工缺陷的影响，分析表明，防渗墙的渗透系数越大，即防渗墙施工缺陷不断严重，通过高压旋喷桩防渗墙的水头损失越小；

④高压旋喷桩防渗墙对于降低大堤浸润面有明显的作用，需要保证高压旋喷桩防渗墙的施工质量，避免因施工缺陷形成渗漏通道从而降低防渗墙的防渗作用。