GM-4井井場(chǎng)填方邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析

杜　杰　左雅婭

(1.中石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川 德陽(yáng)　618000；　2.四川省交通廳工程質(zhì)量監(jiān)督局，四川 成都　610041)

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GM-4井井場(chǎng)填方邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析

杜杰1左雅婭2

(1.中石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川 德陽(yáng)618000；2.四川省交通廳工程質(zhì)量監(jiān)督局，四川 成都610041)

基于GM-4勘探井井場(chǎng)填方邊坡的基本特征，調(diào)查研究了邊坡在鉆井周期發(fā)生的變形破壞特征，并采用極限平衡法進(jìn)行了計(jì)算、模擬和對(duì)比分析，掌握了填方邊坡隨坡度變化而呈現(xiàn)的穩(wěn)定性變化特征，分析結(jié)果與填方邊坡宏觀變形現(xiàn)象均具有較高的吻合度。

油氣井，填方邊坡，坡度，穩(wěn)定性，極限平衡法

1　工程概況

以典型井場(chǎng)——GM-4井井場(chǎng)填方邊坡為例，見(jiàn)圖1，該井設(shè)計(jì)井深5 000 m，鉆井平臺(tái)正常作業(yè)面積120 m×60 m，平臺(tái)原始地貌為山嶺重丘區(qū)，為保證有效鉆井作業(yè)平臺(tái)，在場(chǎng)坪過(guò)程中進(jìn)行挖填處理形成典型的填方邊坡。GM-4井井場(chǎng)填方邊坡在中石化勘探井井場(chǎng)建設(shè)形成的邊坡中具有較強(qiáng)的代表性，該填方邊坡為井場(chǎng)平整過(guò)程中挖填平衡處理形成的人工填方邊坡，通過(guò)對(duì)比分析井場(chǎng)建設(shè)前后，尤其是后期鉆井期間邊坡穩(wěn)定性情況，并采用極限平衡法分析邊坡穩(wěn)定性隨地質(zhì)參數(shù)變化規(guī)律，為以后研究此類井場(chǎng)填方邊坡的穩(wěn)定性及定量評(píng)價(jià)提供了可靠依據(jù)和現(xiàn)實(shí)模板。

2　井場(chǎng)填方邊坡特征

2.1形態(tài)特征

GM-4井井場(chǎng)場(chǎng)地地形呈臺(tái)階狀分布，場(chǎng)地地貌單元屬于構(gòu)造剝蝕堆積類型，自西向東地勢(shì)逐漸降低。為保證井場(chǎng)挖填平衡，設(shè)計(jì)井場(chǎng)標(biāo)高495.5 m，挖填界線基本沿井場(chǎng)長(zhǎng)軸方向，如圖2

所示，其中，井場(chǎng)挖方區(qū)面積3 688 m2，填方區(qū)面積3 512 m2，最大挖方高差7.8 m，最大填方高度7.5 m，填方區(qū)集中分布井架基礎(chǔ)01荷載、泵房及發(fā)電房區(qū)基礎(chǔ)荷載，而直接影響填方邊坡穩(wěn)定性的是縱貫井場(chǎng)長(zhǎng)軸方向的主車道車輛荷載及柴油機(jī)泵房荷載[1]。

該填方邊坡采取1∶1.0坡度進(jìn)行放坡，按照4.0 m一級(jí)進(jìn)行放坡，每4.0 m高度設(shè)置1.0 m平臺(tái)(一級(jí)馬道)一處，填方邊坡填料選取應(yīng)以大骨料為主，具體以井場(chǎng)挖方區(qū)爆破石方填料為主，其邊坡具體物質(zhì)組成特征見(jiàn)2.2。

2.2邊坡物質(zhì)組成特征

井場(chǎng)填方邊坡所涉及到的巖土體類型主要有填土及下覆基巖，填土質(zhì)量要求如下：1)填料選取——填土中粗顆粒物質(zhì)以井場(chǎng)挖方區(qū)爆破石方填料為主；2)填土應(yīng)分層填筑，分層碾壓，保證92%的壓實(shí)度；3)填方邊坡一級(jí)馬道以下填料以塊碎石土為主，以上以角礫土為主，邊坡形態(tài)及巖土體物質(zhì)組成見(jiàn)圖3。

填土①：角礫土，呈土黃色，干～稍濕，母巖成分主要為砂泥巖，角礫含量在5%～10%左右，呈次棱角狀，粒徑為0.5 cm～2 cm之間，整體結(jié)構(gòu)呈中等密實(shí)狀，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該土層Cu=26.1，ρd=2.1 g/cm3，壓實(shí)度λ=0.92。填土②：碎石角礫土，呈棕黃色，稍濕，母巖成分主要為砂泥巖，塊碎石含量在40%～60%左右，粒徑在2.0 cm～15 cm之間，粘土充填其間，整體結(jié)構(gòu)呈密實(shí)狀，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該土層Cu=23.2，ρd=2.23 g/cm3，壓實(shí)度λ=0.90?；鶐r(Kch)③：為海湖相沉積成因的褐紅色～棕紅色泥巖和泥質(zhì)粉砂巖互層，礦物以泥質(zhì)礦物為主，泥質(zhì)構(gòu)造，層狀結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)軟～較軟巖，具有失水開裂崩解和遇水軟化的特征；該層風(fēng)化裂隙發(fā)育，夾有泥巖薄層，產(chǎn)狀近于水平，傾角小于4°。

3　填方邊坡極限平衡穩(wěn)定性計(jì)算

極限平衡法是規(guī)范推薦的邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算方法，采用加拿大公司開發(fā)的Geo-studio系列軟件中的SLOPE/W模塊，進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算。其中M-P法為邊坡規(guī)范推薦的嚴(yán)格解法，因此，穩(wěn)定性分析以M-P法計(jì)算結(jié)果為主[2]。油氣井井場(chǎng)填方邊坡上覆均布荷載值為80 kPa，坡線荷載采取換算土柱進(jìn)行模型計(jì)算，換算土柱高度為3.5 m，計(jì)算參數(shù)取值以力學(xué)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，具體見(jiàn)表1。

表1　計(jì)算綜合參數(shù)表

GM-4井填方邊坡在暴雨工況下可能存在局部失穩(wěn)，局部不穩(wěn)定搜索以安全系數(shù)1.00為判別標(biāo)準(zhǔn)。搜索結(jié)果表明(見(jiàn)圖4)：在整個(gè)鉆井周期中，填方邊坡并未整體發(fā)生滑動(dòng)，但坡體變形加劇，其穩(wěn)定性系數(shù)為1.002，基本處于極限平衡狀態(tài)；前緣臨空坡體表面出現(xiàn)鼓脹變形，邊坡坡頂后緣3.5 m(柴油機(jī)泵房位置)出現(xiàn)拉張裂縫。結(jié)果顯示，填方邊坡存在不穩(wěn)定塊體，其位置與宏觀地質(zhì)現(xiàn)象基本吻合。在其他條件不變的情況下，如選取1∶0.75坡度進(jìn)行填方邊坡放坡則會(huì)出現(xiàn)Ks=0.858的失穩(wěn)塊體，而選取1∶1.5坡度進(jìn)行放坡則出現(xiàn)Ks=1.267的較高穩(wěn)定系數(shù)值，按該坡度進(jìn)行放坡處理邊坡可以滿足井場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性要求。本次穩(wěn)定性計(jì)算同時(shí)選取1∶0.5，1∶0.75，1∶1.0及1∶1.5四種坡度填方邊坡作為對(duì)比計(jì)算模型，以暴雨工況進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)比不同坡度條件下填方邊坡的穩(wěn)定性變化情況。按照C值變化幅度2.5 kPa進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算[3]，C值起始計(jì)算假設(shè)值為4.0 kPa～6.0 kPa，見(jiàn)表2。

計(jì)算結(jié)果表明，隨著C值的變化(0 kPa～10 kPa)，不同坡度邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Ks變化范圍在0.323～0.427，可見(jiàn)C值的變化對(duì)不同坡度邊坡穩(wěn)定性影響均較大，平均每2.5 kPa對(duì)穩(wěn)定性系數(shù)Ks的貢獻(xiàn)度為0.235，如圖5所示的趨勢(shì)圖中耦合公式；而針對(duì)特定C值情況下，不同坡度邊坡的穩(wěn)定性變化情況較大，表現(xiàn)在邊坡坡度從i=1∶0.5到i=1∶1.5，Ks值變化范圍在0.613～0.725，可見(jiàn)邊坡坡度對(duì)穩(wěn)定性的影響十分明顯。

表2　邊坡穩(wěn)定性隨C值變化計(jì)算表(φ=31°～36°)

基于此,以GM-4井為例，在西南山區(qū)井場(chǎng)高填邊坡設(shè)計(jì)過(guò)程中，在合理放坡的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)坡面采取噴播植草/拱形護(hù)坡+土工格柵兩種工藝進(jìn)行邊坡防護(hù)[4](見(jiàn)圖6)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。

4　結(jié)語(yǔ)

1)受井場(chǎng)荷載及自身重力作用，油氣井井場(chǎng)填方邊坡坡體內(nèi)力發(fā)生變化，邊坡穩(wěn)定性主要受邊坡坡度、抗剪強(qiáng)度C值的影響較大。2)極限平衡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明，填方邊坡按1∶1.0坡度進(jìn)行放坡處理，邊坡處于極限平衡狀態(tài)，同宏觀地質(zhì)現(xiàn)象相吻合，尤其是其邊坡出現(xiàn)的側(cè)向鼓脹變形與實(shí)際模擬變形網(wǎng)絡(luò)圖有較高的吻合度。3)通過(guò)合理放坡降低邊坡坡面應(yīng)力破壞，同時(shí)配套噴播植草/拱形護(hù)坡+土工格柵加筋處理等技術(shù)措施，可以極大降低高填方邊坡的處理難度和防護(hù)費(fèi)用。

[1]SY/T 5972—2009，鉆機(jī)基礎(chǔ)選型[S].

[2]GB 50330—2013，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].

[3]柴波,殷坤龍,汪洋,等.基于影響因素分布模型的滑坡穩(wěn)定性敏感分析[J].巖土力學(xué),2007,28(12):2624-2628.

[4]陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析——原理、方法、程序[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2003.

The calculation and analysis on GM-4 well field embankment slope stability

Du Jie1Zuo Yaya2

(1.SinopecSouthwestOilandGasBranchPetroleumEngineeringTechnologyInstitute,Deyang618000,China;2.SichuanTransportDepartmentEngineeringQualitySupervisionBureau,Chengdu610041,China)

Based on the basis characteristics of GM-4 exploration site embankment slope, this paper investigated and researched the deformation and failure characteristics of slope in drilling well cycle, and made calculation, simulation and comparison analysis using limit equilibrium method, mastered the stability change characteristics of embankment slope with slope change, the analysis results and embankment slope macroscopic deformation phenomena both had good agreement.

oil and gas well, embankment slope, slope, stability, limit equilibrium method

1009-6825(2016)19-0064-02

2016-04-25

杜杰(1986- )，男，工程師

TU413.62

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