定向鉆技術(shù)穿越河流防洪評價分析

王艷艷，高永亮，崔相維，羅烈虎

（天津普澤工程咨詢有限責(zé)任公司，天津 300204）

在長距離輸氣、輸油管線建設(shè)中，管道不可避免地要穿越河流。水平定向鉆穿越技術(shù)由于工期短、工程費用相對較低、對周圍的環(huán)境影響小、不破壞堤防結(jié)構(gòu)，同時能夠保證管道埋深等特點，近年來在管道穿越河流工程設(shè)計施工中得到了飛速發(fā)展，但是定向鉆穿越施工也有一定的風(fēng)險性。本文根據(jù)定向鉆技術(shù)施工，對定向鉛穿越工程和防洪評價進(jìn)行分析。

1 定向鉆穿越技術(shù)

輸氣、輸油管道施工過程主要有3個步驟

1.1 導(dǎo)向孔施工

根據(jù)設(shè)計提出的入、出土點坐標(biāo)和管線設(shè)計軌跡，用定向鉆鉆導(dǎo)向孔（特殊地層還需逐節(jié)加入套管）；

1.2 預(yù)擴(kuò)孔施工

鉆桿在對岸出土后，回拖時進(jìn)行連接擴(kuò)孔器，擴(kuò)孔器大小及級數(shù)根據(jù)穿越管段直徑和地層確定；

1.3 管道回拖施工

管道在出土岸進(jìn)行分段或整體組裝，檢驗、試壓和防腐，合格后接上拖管頭利用鉆機(jī)拉動擴(kuò)孔器和穿越管段回拖，直至穿越管道完全敷設(shè)于擴(kuò)大的導(dǎo)向孔內(nèi)直到拖管頭在鉆桿入土處露出。

2 評價方法

雖然定向鉆穿越工程管道埋深較大，但施工中難免會對堤防工程基礎(chǔ)土層產(chǎn)生擾動，影響原土體的密實度，甚至可能會沿管道周邊形成1條滲流通道，影響堤防穩(wěn)定。因此，分析工程對堤防滲透穩(wěn)定的影響對定向鉆穿越工程防洪評價具有重要意義。

2.1 堤防滲流穩(wěn)定

2.1.1 基本方程

滲流穩(wěn)定分析計算一般采用有限元法，由于穿越管道的管徑較小，可用立面二向滲流考慮（x-z垂直剖面），滲流基本微分方程為：

當(dāng)水和土體不可壓縮時，上式變?yōu)椋?/p>

式中 h為水頭函數(shù)；x、z為空間坐標(biāo)；t為時間坐標(biāo)；Kx、Kz為以x、z軸為主軸方向的滲透系數(shù)；Sτ為單位貯存量。

定解條件：

初始條件 h（x，z，0）=h0（x，z）

水位邊界 h襔Γ1=h1（x，z，t），t≥0

2.1.2 模型概化

河道內(nèi)邊界采用規(guī)劃行洪流量時的設(shè)計水位。定向鉆施工后，按管壁周圍土體受擾動使?jié)B透系數(shù)加大考慮，將沿管壁周圍1m范圍內(nèi)的土層概化為擾動區(qū)，擾動區(qū)滲透系數(shù)取值按原土層滲透系數(shù)擴(kuò)大1～2個數(shù)量級進(jìn)行分析。

2.1.3 計算內(nèi)容

堤防滲流穩(wěn)定分析內(nèi)容主要包括：管道施工前后堤防內(nèi)滲流場穩(wěn)定分析及堤外滲透坡降分析。通過滲流場穩(wěn)定分析判斷管道施工是否對堤防內(nèi)成梯度下降的水頭滲流場形成顯著影響；滲透坡降分析主要用于判斷土體的滲透坡降是否大于允許滲透坡降，若大于允許滲透坡降，土體將產(chǎn)生滲透變形，形成管涌、流土等滲透破壞現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致堤防失穩(wěn)。

允許滲透坡降可依據(jù)《堤防設(shè)計規(guī)范》，按土的臨界滲透坡降除以安全系數(shù)2確定。土的臨界滲透坡降按照《土力學(xué)》中的基本公式求解：

式中Gs為土粒比重；e為土的孔隙比。

2.2 河道沖刷計算

河道沖刷計算是防洪評價的要點之一，包括一般沖刷和局部沖刷，由于定向鉆穿越管道工程沒有占壓河道斷面，因此，定向鉆穿越工程防洪評價可只計算一般沖刷。

河道一般沖刷深度的計算方法比較多，橋梁防洪評價中普遍采用的是《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》中推薦的64－1修正公式。64－1公式是利用我國各地橋梁實測資料建立的，實測資料中，既有較穩(wěn)定的河段，也有不穩(wěn)定的河段，因此該公式的計算結(jié)果，既包括橋梁壓縮河流引起的沖刷，也包括河槽在天然演變中深泓線擺動形成的集中沖刷和隨水位、流量周期變化產(chǎn)生的天然沖刷。因此，對于不占用河道行洪斷面的管道穿越工程也可采用64-1修正公式，可將公式中的水流側(cè)向壓縮系數(shù)μ設(shè)置為1。

對于局部溝壕或剛性構(gòu)筑物附近有可能產(chǎn)生的局部沖刷及對64-1修訂公式計算成果進(jìn)行復(fù)核，可采用 《水力計算手冊》（第二版）中提供的公式計算。

式中hB為局部沖刷深度（m）；hp為沖刷處水深（m）；vcp為平均流速（m/s）；υ允為河床面上允許不沖流速（m/s）；n一般取0.25。

由于定向鉆穿越工程管道埋深較大，河道沖刷及河底清淤均不會影響到管道的安全運行，同時管道工程實施也不會影響到河道行洪及河勢穩(wěn)定。

3 實例應(yīng)用

3.1 工程概況

獨流減河位于天津市區(qū)南側(cè)，是大清河系主要入海尾閭河道，是保衛(wèi)天津城市防洪安全的南部防線。工程按200a一遇設(shè)防，河道規(guī)劃行洪流量3600m3/s。

管道工程穿越位置位于東千米橋下游600m處，管道采用準(zhǔn)711直縫埋弧焊鋼管，3層PE加強(qiáng)級防腐。入土點距左大堤外堤肩395m，入土角10°，入土段采用彈性敷設(shè)，曲率半徑1500D；出土點位于河心灘地，距左大堤內(nèi)堤肩約540m，出土角8°，出土段彈性敷設(shè)曲率半徑1500D，管道穿越距離944m，河底以下管道埋深15.6m。

3.2 計算工況及模型概化

堤內(nèi)行洪水位4.43m，堤外無水；土體滲透系數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘探資料進(jìn)行分層概化，工程施工后，管道周圍1m范圍概化為施工擾動區(qū)，擾動區(qū)內(nèi)滲透系數(shù)按原土體擴(kuò)大1～2個數(shù)量級考慮。

3.3 計算成果

3.3.1 滲流場分析

采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所研制的 《水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)》程序進(jìn)行計算，管道施工前、施工后左大堤滲流場水頭等值線見圖1～圖3。

從圖1可知，管道施工前原始狀態(tài)下，穿越斷面左大堤形成穩(wěn)定滲流場，河床內(nèi)水頭相同，均為設(shè)計洪水水頭，在堤防內(nèi)形成梯度下降的水頭滲流場，滲流場分布均勻，無明顯突變。

由圖2～圖3可知，管道施工后，由于定向鉆施工過程中對管道周邊土體形成擾動，擾動區(qū)土體滲透系數(shù)加大，對原滲流場有一定的擾動作用，滲流場重新分布。擾動區(qū)土體滲透系數(shù)擴(kuò)大1個數(shù)量級后的滲流場與原滲流場分布基本一致，變化甚微；擾動區(qū)土體滲透系數(shù)擴(kuò)大2個數(shù)量級后的滲流場水頭等值線明顯變化，主要集中在管線擾動區(qū)，但滲流場整體分布與原滲流場基本保持一致。

3.3.2 滲透坡降分析

根據(jù)有限元分析計算，堤坡腳及堤外平面滲透坡降計算成果見表1。

計算結(jié)果可知，滲透坡降最大值發(fā)生堤外坡腳低洼處。管道穿越獨流減河左大堤施工后對原有滲流場有一定擾動作用，滲透坡降較原始狀態(tài)下滲透坡降增大。但整體來說，管道施工后堤外坡腳的滲透坡降較原始狀態(tài)增幅有限，小于該堤段允許滲透坡降。因此，管道穿越不會引起土體滲透變形及堤防的滲透破壞。

表1 穿越斷面左大堤滲透坡降計算成果

4 結(jié)語

根據(jù)定向鉆技術(shù)施工特點及河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目防洪評價報告編制導(dǎo)則的要求，對定向鉆穿越工程防洪評價要點進(jìn)行分析，同時結(jié)合某天然氣管道穿越獨流減河建設(shè)工程，采用有限單元法對堤防進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析。分析結(jié)果表明，管道采用定向鉆技術(shù)施工對堤防的滲流場有一定的影響，且變化主要集中在管線擾動區(qū)，但滲流場整體分布基本保持不變，且管道施工后堤外坡腳的滲透坡降較原始狀態(tài)增幅有限，小于該堤段允許滲透坡降，管道穿越不會引起土體滲透變形及堤防的滲透破壞。

［1］毛昶熙.滲流數(shù)值計算與程序應(yīng)用［M］.南京:河海大學(xué)出版社，1999.

［2］李煒.水力計算手冊［K］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［3］辦建管［2004］109號.河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目防洪評價報告編制導(dǎo)則（試行）［S］.