AutoBank软件在防洪影响评价工程中的应用

余 红

一、概述

在防洪影响评价中，常常会遇到管道穿越堤防问题，管道穿越堤防会对堤防渗流稳定产生影响，需通过渗流稳定计算，进一步复核堤防渗流稳定。目前堤防渗透稳定计算采用的是《堤防设计规范》（GB 50286-2013）附录中的公式，应用规范公式计算时需通过试算，计算过程较复杂，工作量较大。随着计算机技术的发展，数值方法（包括有限元法、有限差分法）在渗流稳定分析中得到了广泛应用，大大减少了工作量。

AutoBank软件是由河海大学工程力学系（工程力学研究所）研制，内部采用有限元技术，可对土坝、堤防、涵洞、水闸等水工建筑物进行详细的分析计算。该软件针对我国水利行业的要求而设计，具有明显行业特点，可以直接应用AutoCAD图形，全部图形化界面，操作简便，提高了工作效率；渗流、稳定、变形、应力、计算一体化，各计算阶段无缝结合，软件运行稳定，输出结果全面。本文以安徽省怀远县、五河县输气管道工程洪湾圩穿越项目为例，采用Autobank软件分析洪湾圩堤防的渗流稳定，为防洪影响评价提供依据。

二、项目基本情况

安徽省怀远县、五河县输气管道工程途经蚌埠市的高新区、禹会区、怀远县、淮上区等行政区域，新建天然气管道长度约70.6km，并配套建设2座场站及3座阀室。项目燃气管道途经洪湾圩，因洪湾圩爬堤处毗邻十六号沟，该沟深且较宽，开挖铺设管道施工难度大，需大面积占用农田，不利于农业生产。为加快项目建设，完成蚌埠市政府的要求，燃气管道穿越洪湾圩施工方式为定向钻穿越施工方式。工程位于安徽省蚌埠市五河县沫河口镇大李村。穿越处设计压力为6.3MPa，地区等级为三级，设计系数取0.5，穿越管段为D273×6.3 L360M PSL2 直缝高频电阻焊钢管，穿越工程等级为小型。管道工程洪湾圩穿越项目纵断面图见图1。

三、渗透计算

1.计算断面选取

管道穿越走向与堤防轴线斜交呈约31°，工程考虑最不利为原则，故选取垂直堤防轴线断面作为计算断面，并将管道穿越走向按正交情况下计算。

2.计算参数选取

与堤身及堤基渗流稳定计算有关的主要参数有：各土层的渗透系数、土层厚度等。根据《安徽省怀远县、五河县输气管道工程洪湾圩定向钻穿越岩土工程勘察报告》中提供的地质剖面图及各土层的分布情况，选取相应土层及参数进行计算，计算参数见表1。

由于定向钻的施工扰动附近土体，所以将管道周围近似看作透水性较好的土层，渗透系数取桩体穿透所在土层10倍。

图1 管道工程洪湾圩穿越项目纵断面图

3.计算工况

根据《堤防设计规范》（GB 50286-2013），该工程堤防的渗流计算选用当沫河口淝南圩蓄洪时，洪湾圩迎水侧在北淝河下游20年一遇设计洪水位（18.0m），背水侧无水，即运用期最不利的工况进行计算。

4.计算内容及计算程序

堤防渗流计算主要内容为：在设计洪水工况下，计算堤身浸润线出逸点位置，堤身出逸段和背水侧堤基表面的出逸比降，绘制堤身及堤基的流网图，并判断其渗透稳定性。该工程堤防渗流计算采用二维稳定渗流有限元法，计算分析软件采用河海大学土木工程学院开发的“AUTOBANK-水工结构有限元分析系统”。

5.计算模型

该工程计算断面材料分区及有限元网格划分见图2、图3。

6.计算结果及分析

通过计算知最大水力坡降为0.367，根据岩土体特性及经验值，拟定淤泥质粉质黏土层及粉质黏土层允许坡降分别为0.45、0.5，计算结果满足规范要求。从水力坡降图和流速矢量图上可以看出，浸润线高程低于地面高程，堤基土出逸点水力坡降均小于允许坡降，不会产生渗流破坏，故该工况下，渗流稳定满足要求。该工况下流速矢量图，水头、水压、水力坡降等值线图见图4～图7。

四、稳定计算

表1 堤身、堤基土层渗透系数取值表

表2 堤身、堤基土层参数取值表

表3 堤防抗滑稳定计算结果表

根据安徽省怀远县、五河县输气管道工程穿越工程洪湾圩定向钻穿越施工图中堤身及穿越管道的布置情况，管道对堤防渗流产生影响，需通过边坡抗滑稳定计算，进一步复核堤防边坡抗滑稳定。

1.计算断面选取

管道穿越走向与堤防轴线斜交呈约31°，工程考虑最不利为原则，故选取垂直堤防轴线断面作为计算断面，并将管道穿越走向按正交情况下计算。

2.计算参数选取

与边坡抗滑稳定计算有关的主要参数有：各土层的土层厚度、渗透系数、容重、浮容重、土样凝聚力、土样内摩擦角等。根据四川省华地建设工程有限责任公司编制的《安徽省怀远县、五河县输气管道工程洪湾圩定向钻穿越岩土工程勘察报告》中提供的地质剖面图及各土层的试验结果见表2。

由于定向钻的施工扰动附近土体，所以将管道周围近似看作透水性较好的土层，渗透系数取桩体穿透所在土层10倍；堤基进行定向钻施工后，土层的凝聚力及摩擦角基本无影响，在进行边坡抗滑计算中，依旧取原土层相关参数。

3.计算方法及计算工况

选定为沫河口淝南圩蓄洪时，洪湾圩迎水侧在北淝河下游20年一遇设计洪水位（18.0m）稳定渗流期及地震期两种情况下的边坡稳定计算。

根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015），项目区地震动峰值加速度为0.10g，地震基本烈度值Ⅶ度。

图2 计算断面材料分区图

图3 有限元网格图

图4 流速矢量图

图5 水头等值线图

图6 水压等值线图

图7 水利坡降等值线图

计算过程采用河海大学土木工程学院开发的“AUTOBANK-水工结构有限元分析系统”。

4.计算结果

根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）中3.2.3条，土堤边坡抗滑稳定采用简化毕肖普法计算时，安全系数不应小于附表的规定。洪湾圩属于一等圩，相当于3级堤防，计算工况为正常运用条件和非常运用条件II，对应允许安全系数分别为1.30和1.15，抗滑稳定安全系数计算结果均满足规范要求，计算成果见表3。

五、结论与建议

根据渗透稳定分析计算可知，在20年一遇设计洪水位（18.0m）工况下，最大水力坡降为0.367，满足规范要求，且浸润线高程低于地面高程，堤基土出逸点水力坡降均小于允许坡降，不会产生渗流破坏，故渗流稳定满足要求；在稳定渗流期及地震期两种工况下，安全系数均大于允许安全系数，故抗滑稳定安全系数计算结果均满足规范要求。

虽然定向钻施工覆土层在正常情况下不会被破坏，但引水管管壁在未采用有效的防渗处理措施施工时，管壁与周围土体之间存在空隙，易形成集中渗流通道。当沫河口淝南圩蓄洪时，上游水头将以压力传递方式作用于堤后管道的覆盖层，可能造成局部渗流破坏，影响整个洪湾圩的安全。建议采取防渗措施，增加燃气管和堤防的稳定性。

由于拟建工程可能对堤防安全管理范围内土体产生扰动作用，为确保防洪安全，管道施工时，应对定向钻出、入土点采用截渗环、粘土置换和压密灌浆等防渗措施，防止接触面部位成为渗透通道。同时，建设单位应在管道出、入土处以及穿越管线周边堤防安全管理范围内设沉降观测点，并加强观测，发现不利情况需及时报告并采取有效措施，确保防洪安全■