王建红

（中建六局水利水电建设集团有限公司，天津 300350）

1 工程概况

西赵河倒虹吸位于位于南阳市镇平县侯集镇谭寨村西南，南水北调中线干渠在途径此处时与西赵河交叉而设。倒虹吸由进口渐变段、进口检修闸室段、倒虹吸管身段、出口控制闸室段、出口渐变段五部分组成，其中穿越河道的管身部分为4 孔6.9m×6.9m 的密闭方涵，全长351.0m。设计流量为340m3/s，加大流量为410m3/s，进口设计水位为143.68m，加大水位为144.38m。西赵河天然设计洪水位144.10m，高于渠道进口设计水位；河道枯水位为140.59m，高于渠道底板高程4m。

西赵河倒虹吸上游渠道为梯形断面，底宽15.0m，边坡系数3.25。边坡和河底采用混凝土板防护，下设防渗膜；下游渠道为梯形断面，底宽22.0m，边坡系数2。边坡和河底采用混凝土板防护，下设防渗膜。

镇邓天然气输气管道工程气源为南阳支线，向邓州市供应天然气。南阳在南水北调中线干渠北侧、邓州在中线干渠南侧，因此天然气输气管道必然与南水北调中线干渠存在交叉。经方案比选，穿越时拟选择对干渠结构影响最小的定向钻穿越方式，交叉角度为90°。定向钻穿越实长为1303 m，穿越段管顶距离倒虹吸结构底距离为19.5 m。非穿越段采用D508 mm×8 mm L415M 钢管，穿越段采用D508mm×10.3mm L415M 钢管。

鉴于南水北调工程的重要性，文章对镇邓天然气管道工程定向钻穿越南水北调干线工程进行变形影响进行分析研究，以保证水源工程的运行安全。

2 分析内容

1）分析新建管道工程施工及运行引起原有建筑物结构的附加变形。

2）分析新建管道工程施工及运行引起原有建筑物结构变形缝位置的差异变形。

3 分析方法

管道施工及运行引起的倒虹吸结构的变形及内力变化均与地层关系密切，所以选择地层-结构模型进行分析。数值模拟计算采用MIDAS-GTS-NX建立三维地层-结构有限元模型，按照管道的施工顺序及运行通气升压，分析工程施工及运行对倒虹吸结构的影响。

分析的前提是管道施工处于正常良好控制的条件下。假定倒虹吸结构、天然气管道结构、土体均为弹塑性材料且处于变形稳定状态；假定结构及土体之间符合变形协调原理；假定倒虹吸结构在工程施工及运行期间，为正常工况。

4 计算模型

首先对管道施工影响区域内倒虹吸结构进行实体建模。

西赵河倒虹吸结构、天然气管道采用二维板壳单元模拟；土体采用三维实体单元模拟；西赵河河道水流及倒虹吸内水流折算为水压力，分别施加在对应的河道及倒虹吸单元迎水表面。考虑较为不利的情况，西赵河水位采用其设计洪水位144.1 m；南水北调中线干渠西赵河倒虹吸采用其设计加大水位，进口段为144.378 m，出口段为144.168 m。管道荷载按设计压力作用于内表面。

为消除边界效应的影响、确保三维模型有足够的计算精度并尽量提高计算效率，需合理设置建筑物与边界之间的距离。模型沿倒虹吸轴线方向（X向）长度取351 m，沿管道轴线方向（Y 向）长度取120 m；垂直方向（Z 向）长度从地表向下取50 m。采用固定位移边界，上边界取至地面，为自由面；四个侧面地层边界限制水平位移，下部边界限制Z向位移。土体及建筑物结构材料参数见表1、表2。

表1 土体材料物理力学参数

表2 结构材料物理力学参数

为便于后续计算结果分析及说明，将西赵河倒虹吸各结构段及变形缝编号。按水流方向从倒虹吸进口至出口依次为进口1#段～进口5#段、进口1#缝～进口5#缝、进口闸室控制段；管身1#段～13#段、管身1#缝～14#缝；出口控制闸室段、出口1#段～4#段、出口1#缝～4#缝。

根据施工组织设计，共分准备、成孔、托管、通气四个阶段。准备阶段为生成模型、施加约束边界、重力场、西赵河河道及倒虹吸结构内水压力，计算初始地应力，初始位移清零，便于计算后续附加变形。成孔阶段为天然气管道挤压扩孔、泥浆护壁。拖管阶段为天然气管道回拖，敷设完成。通气阶段为管道以设计压力（6.3 MPa）进行模拟计算（正常运行时通气压力约为设计压力80 %）。

计算工况采用非线性施工模拟，上一施工阶段的计算输出，为下一施工阶段的计算输入。分析各工况下天然气管道工程对倒虹吸结构的影响[1]。

5 倒虹吸结构整体变形分析

1）成孔阶段倒虹吸变形。成孔施工中，管道区域土体被挤压扩孔，因管道垂直下穿倒虹吸管身6#段结构，施工主要影响管身6#段结构及其邻近段，包括管身4#、5#、7#、8#段。

下穿处倒虹吸结构主要表现为Z 向沉降，最大沉降值为-0.2295 mm，位于管身6#段；位于下穿两端的进口渐变段、进口控制闸室段、出口渐变段及出口控制闸室段，Z 向变形表现为少量隆起，最大隆起值为0.01267 mm。

因倒虹吸管身6#段结构Z 向沉降较大，故邻近管身4#、5#、7#、8#段沿X 向水平位移表现为向管身6#段一侧水平变形，管身5#段X 向水平变形最大值为0.02623 mm，管身7#段X 向水平变形最大值为0.03387 mm。

施工管道垂直下穿倒虹吸结构，倒虹吸结构沿其Y 向水平变形较小。因管道区域土体被挤压扩孔，局部发生Z 向沉降变形，倒虹吸结构各部位均以朝向管道区域Z 向及水平变形趋势为主[2]。

2）拖管阶段倒虹吸变形。拖管施工后，管道区域管道敷设完成，无内压。因管道垂直下穿倒虹吸管身6#段结构，施工主要影响管身6#段结构及其邻近段，主要包括管身4#、5#、7#、8#段。

下穿处倒虹吸结构主要表现为Z 向沉降，最大沉降值为-0.2355 mm，位于倒虹吸管身6#段；位于下穿两端的进口渐变段、进口控制闸室段、出口渐变段及出口控制闸室段，Z 向变形表现为少量隆起，最大隆起值为0.01317 mm。

因倒虹吸管身6#段结构Z 向沉降较大，故邻近管身4#、5#、7#、8#段沿X 向水平位移表现为向管身6#段一侧水平变形，管身5#段X 向水平变形最大值为0.02697 mm，管身7#段X 向水平变形最大值为0.03473 mm。

施工管道垂直下穿倒虹吸结构，倒虹吸结构沿其Y 向水平变形较小。因管道拖管施工的扰动，倒虹吸结构继续发生少量变形，与施工步相同，各部位均以朝向管道区域Z 向及水平变形趋势为主，但变形发展增加量较小。

3）通气阶段倒虹吸变形。通气运行后，管道内达到其设计内压力，因管道垂直下穿倒虹吸管身6#段结构，施工主要影响管身6#段结构及其邻近段，主要包括管身4#、5#、7#、8#段。

下穿处倒虹吸结构主要表现为Z 向沉降，最大沉降值为-0.2239 mm，位于倒虹吸管身6#段；位于下穿两端的进口渐变段、进口控制闸室段、出口渐变段及出口控制闸室段，Z 向变形表现为少量隆起，最大隆起值为0.01283 mm。

因倒虹吸管身6#段结构Z 向沉降较大，故邻近管身4#、5#、7#、8#段沿X 向水平位移表现为向管身6#段一侧水平变形，管身5#段X 向水平变形最大值为0.02576 mm，管身7#段X 向水平变形最大值为0.03284 mm。

施工管道垂直下穿倒虹吸结构，沿其Y 向水平变形较小。因管道运行通气带内压力，有部分补偿土体被挤压扩孔的支撑作用，对倒虹吸结构先期受成孔和拖管施工引起的附加变形有所减小，各部位均以朝向管道区域Z 向及水平变形趋势为主，但变形恢复量较小；最终部分不可恢复变形主要由成孔土体被挤压施工导致。

6 倒虹吸变形缝差异变形分析

从前述分析结果可知，管道施工及运行期间，倒虹吸结构产生的变形以Z 向沉降为主。倒虹吸结构沿X 向分缝较多，为评价其运行安全，进一步分析各处变形缝差异沉降值情况及分布趋势。倒虹吸结构变形缝差异沉降值沿X 向分布如图1 所示（图中对沉降值取平均值处理）。

图1 倒虹吸结构变形缝差异沉降值沿X 向分布图

从上图结果可知，成孔、拖管、通气3 个阶段，变形缝差异沉降最大值分别为0.0271346 mm、0.027831 mm、0.0265173 mm，位于管身7#缝（北侧管涵）；变形缝差异沉降最小值分别为0.000445706 mm、0.000451621 mm、0.000424908 mm，位于出口4#缝。

与前述倒虹吸结构整体变形分析趋势相同，各变形缝Z 向差异沉降变形，主要由管道成孔土体被挤压引起；管道拖管施工的扰动，倒虹吸结构继续发生少量变形；因管道运行通气带内压力，有部分补偿土体被挤压扩孔的支撑作用，倒虹吸结构先期受成孔和拖管施工引起的附加变形有所减小，但变形恢复量较小；最终部分不可恢复变形主要由成孔挤压土体施工导致[4]。

因管道垂直下穿倒虹吸管身6#段结构，施工主要影响管身4#缝～9#缝，即管身6#段结构两侧邻近段变形缝。进口过渡段及进口控制闸室段，距离倒虹吸管身6#段较近，其变形缝差异沉降变形，大于出口过渡段及出口控制闸室段。

7 结论与建议

通过建立三维地层-结构模型，对南水北调中线干渠西赵河倒虹吸结构进行了附加变形计算和分析，结果表明管道工程施工及运行会引起倒虹吸结构少量不可恢复的附加变形，从而对其运行造成少量影响。

管道垂直下穿倒虹吸管身6#段结构，施工主要影响管身6#段结构及其邻近段，主要包括管身4#、5#、7#、8#段，以及这些段之间的变形缝。下穿处倒虹吸结构主要表现为Z 向沉降，最大沉降值为-0.2355 mm，位于倒虹吸6#段，发生在拖管施工完成，所有施工扰动都结束后。工程对地基最大沉降值-0.2355 mm，远小于规范中要求的数值，认为工程造成变形远小于渠基允许变形。管道运行通气带内压力，有部分补偿土体被挤压扩孔的支撑作用，倒虹吸结构先期受成孔和拖管施工引起的附加变形有所减小，但变形恢复量较小；最终部分不可恢复变形主要由成孔施工导致。

施工期间应严格按照设计施工，加强安全监测，确保成孔阶段的施工质量及施工安全，以便有效控制对倒虹吸结构的影响。施工及运行期间应提前作好抢险预案，防患于未然。管道通气运行期间应做好定期巡检、专项巡检、维护保养以及相关安全防护措施，发现异常情况及时处理，进一步降低对倒虹吸结构及干渠的不利影响。