陈琦涛，吴义明，陈 坛

(1.杭州市水务集团有限公司，浙江 杭州 310009； 2.宏润建设集团股份有限公司，浙江 宁波 315000)

0 引言

当城市雨水汇聚地区的岩层倾向与地形整体倾斜坡度处于基本一致的条件时，起伏的地势将为城市地面沉降灾害提供充分的势能条件。与此同时，雨水在地表径流的滑动速度增加，严重情况下，堆积的雨水可能会导致岩层出现凌空滑塌问题[1]。因此，可以认为地面沉降是造成城市给排水管道变形的主要原因之一。地面沉降灾害大多发生在雨季，作为地质灾害中的一种，其不仅会影响到城市地下给排水管道的正常运行，还会导致地表排水不畅、地面污水倒灌，从而对城市居民正常生活用水造成较为严重的影响[2]。为避免由于给排水管道问题造成的居民生活问题，市政管理单位应及时做好对城市地面沉降的监测，掌握不同区域地面的沉降位移，以此为依据，推理在发生沉降后的地下管道是否发生变形，降低由于管道变形诱发的其他城市灾害。

1 城市地层结构概况

为进一步掌握城市地面沉降下给排水管道变形特征差异，以某城市为例，采用地质采样勘查的方式，进行城市地层结构的分析[3]。具体内容如表1所示。

表1 城市地层结构(由表层到深层)

上述表1中的数据由城市土地勘查局通过大量钻孔采样分析得到，通过上述表1中的数据，初步掌握了城市地层结构条件。

综合上述分析可知，此城市地层整体具有二元性特征，浅层分布大量的软土，普遍存在分布厚度不均的问题。浅层软土厚度在1 m～10 m范围内，黏性土厚度在10～25范围内，大于25 m深度的土层大多为砂土层，具有厚度大、持力作用显著等优势[4]。加之本文的城市地质层中含有大量的天然性质软土，此类土体在城市中分布范围广、综合强度低，因此，城市地表城市现象十分显著。根据有关单位统计的不完全数据可知，城市中不同区域差异性沉降量约为27.5 mm。

2 给排水管道变形特征差异分析方法

2.1 建立给排水管道结构模型

为实现对城市地面沉降下给排水管道变形特征差异的分析，对城市进行分区处理，选择城市中某区域作为测试对象，建立针对此区域的给排水管道结构模型。建模时，参照管道在城市地下结构中的空间分布，圈定构建模型的覆盖范围[5]。根据圈定的城市地下给排水管道分布空间，设定模型的长度×宽度×高度=850 m×245 m×50 m。选择Solid-45作为建模工具，构建x-y-z给排水管道空间模型。

为确保所构建的模型具有精细化特点，按照网格单元划分方式，将城市给排水管道空间模型划分为51 244个网格单元，不同网格单元之间采用节点进行连接，节点数量为15 478个[6]。此次研究的给排水管道对应的空间位置为(380 m，2.8 m，0～50 m)。对给排水管道结构模型进行描述，如式(1)所示:

(1)

其中，σ为给排水管道结构模型；Pmax为给排水管道在空间中的最大覆盖范围；x,y,z分别为给排水管道在城市地层结构中的空间坐标点[7]。在此基础上，设置给排水管道结构模型的边界条件，如式(2)所示:

(2)

其中，x∈±∞为模型上表面为完全自由面；y∉±∞为模型下表面为完全约束面；z∈+∞/-∞为水平位移限制面。按照上述方式，完成对给排水管道结构模型的构建。

2.2 基于有限元分析法的管道结构变形模拟

在此基础上，考虑到给排水管道自身构成材料属于弹塑性材料，因此，在发生约束条件时，一旦出现沉降荷载达到预设屈服强度后，给排水管道的外表面将发生强度的软化与破坏。而要实现在此过程中，对管道结构变形的直观描述，本章引进有限元分析法，对城市地面沉降过程中的管道结构变形进行模拟。根据给排水管道的构成材质，将摩尔-库仑准则作为材料变形或发生破坏行为时的依据，将给排水管道的环向弯曲应力作为管道结构发生变形的临界条件。对此条件进行描述，如式(3)所示:

(3)

其中，L为给排水管道受到环向弯曲应力发生结构变形的临界条件；K为环向作用力；Q为弯曲系数；E为弹性模量；R为管道直径；t为地表发生沉降的时刻点；p为网格单元；D为管道挠曲参数。将上述计算公式中的相关参数录入结构模型中，将模型导入ABAQUS软件中，对其进行有限元分析。参照结构划分的网格单元，计算管道的平衡条件，将平衡条件以线性方程的方式进行表示，如式(4)所示:

(4)

其中，V为给排水管道在城市地下结构中的平衡条件；F为管道结构的综合受力。根据城市地面实际沉降数值，即可进行给排水管道在城市地下结构中的平衡条件的判定，通过此种方式，实现对管道结构变形的模拟。

2.3 管道变形量计算

完成上述研究后，对城市地面沉降下给排水管道变形进行计算。计算前，应明确给排水管道在受到城市地面沉降后，不同位置的应力分布不同，根据沉降规律，绘制给排水管道在发生变形时的应力分布示意图，见图1。

明确给排水管道在发生变形时的应力后，将受力点作为管道最大变形点，计算给排水管道在此点位的变形量。计算公式如式(5)所示：

(5)

其中，U(0)为给排水管道受力点变形量，其中0为给排水管道最大受力点；B为地表竖向下沉量；W0为0点作用力；H为管道偏移量；r为管道变形后的不规则半径。按照上述公式，掌握给排水管道在发生变形时的最大变形量。在此基础上，根据不同位置的应力分布比例，可以计算得到管道在多个空间位置点下的变形量。通过此种方式，实现对管道变形量的计算。

3 管道变形特征

3.1 给排水管道移动变形

按照上文设计的方法，对城市地面沉降下给排水管道的移动变形进行分析。

为实现对给排水管道移动变形量的直观统计分析，将城市地面素填土层标记为0 m，使用Solid-45，建立城市给排水管道结构模型，统计城市地面在不同沉降条件下的排水管道水平方向位移与竖直方向位移。由于管道结构在发生偏移问题时可能会出现倾斜，因此，统计的位移量以管道最大位移量为标准。按照上述方式，整理测试结果，如表2所示。

表2 城市地面沉降下给排水管道移动变形统计结果

从表2所示的统计结果可以看出，随着城市地面沉降量的增加，给排水管道水平方向位移与竖直方向位移均呈现对应的增加趋势。由此可以得出结论：城市地面沉降下给排水管道存在水平与竖直两个方向的位移，位移量会随着沉降量的增加而对应增加。

3.2 给排水管道管壁变形

管道移动变形也可称之为横向位移，埋设在城市地面下部的给排水管道在地表土层压力与负荷冲击力的作用下，会发生严重的位移偏移。在此过程中，即便给排水管道不会受到外界挤压出现破裂，也会出现大幅度的位移。此种大幅度的变形会增加给排水管道的失效风险，此时埋设在城市地面下部的给排水管道将在外部作用力下呈现椭圆形，如图2所示。

在此过程中，可假设城市给排水管道断面为一个尚未完全失效的弹性环向结构，在外部土层的综合作用力下，其竖向变形量几乎完全由给排水管壁弯曲作用的弹性抗力控制。在此过程中，管道埋深与管道受到的总环向应力两者具有反比例关系，即城市给排水管道的埋深越深，管道受到的地面沉降作用力越小，与此同时，管道管壁变形量越小。在此种条件下，可参照上文计算公式(5)，对城市地面沉降情况下，不同埋深深度下的给排水管道管壁变形量进行统计，如表3所示。

表3 城市地面沉降不同埋深下的给排水管道管壁变形量 mm

从表3所示的结果可知，在城市地面沉降量固定的条件下，管道埋深深度越大，给排水管道管壁变形量越小。在管道埋深深度固定的条件下，城市地面沉降量越大，给排水管道管壁变形量越大。

4 结语

为全面落实城市给排水综合布局优化建设工作，掌握管道在地面沉降作用下发生的变形特性，本文此次研究以某城市为例，从给排水管道移动变形、给排水管道管壁变形两个方面，开展城市地面沉降下给排水管道变形特征差异分析。通过此种方式，设计城市给排水管道的避让区与有利区，为地质规划相关单位与有关部门的工作提供科学、可靠、合理的指导意见。