Midas GTS在天然氣處理廠建設(shè)中的應(yīng)用

楊國(guó)輝，肖建坤，胡慶國(guó)，楊澤亮，李衛(wèi)東

中國(guó)石油管道局工程有限公司天津分公司，天津 300457

巴基斯坦國(guó)家油氣開(kāi)發(fā)公司擬在那什帕油田建設(shè)井口、油氣集輸系統(tǒng)和一座大型天然氣處理廠，此項(xiàng)工程對(duì)解決周圍地區(qū)油氣供應(yīng)緊張起著重要作用。本項(xiàng)目中的天然氣處理廠計(jì)劃在已建站的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建，擴(kuò)建后場(chǎng)區(qū)南側(cè)需要進(jìn)行邊坡設(shè)計(jì)。筆者通過(guò)使用邊坡分析軟件成功計(jì)算出安全系數(shù)，確定了邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。

1 工程概況

擬建天然氣處理廠位于坡地上，地形總體為南高北低走勢(shì)。為充分利用廠區(qū)內(nèi)的空地，需考慮在廠區(qū)內(nèi)設(shè)置四個(gè)臺(tái)階并在南側(cè)設(shè)置一處挖方邊坡。擬建的挖方邊坡高約6.37 m，坡長(zhǎng)101.5 m，坡率為1∶1，坡頂外側(cè)為已建圍欄，坡底為新建工藝裝置區(qū)。

1.1 地質(zhì)條件及力學(xué)參數(shù)

根據(jù)詳細(xì)地質(zhì)勘察報(bào)告資料顯示，自然地面以下10 m范圍內(nèi)地層土質(zhì)均為黏土，呈堅(jiān)硬、棕色、密實(shí)狀態(tài)。相關(guān)物理試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 土層相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

1.2 邊坡分析的工具

Midas GTS軟件適用于巖土工程施工階段模擬、邊坡穩(wěn)定分析等，在國(guó)內(nèi)已成功應(yīng)用于建筑、橋梁等各種領(lǐng)域，本文將使用此軟件模擬邊坡在多種工況下的受力及變形情況；軟件本身具有多種本構(gòu)模型，同時(shí)也支持用戶進(jìn)行自定義，后期結(jié)果可以生成剖面圖、表格和計(jì)算書(shū)等資料。

2 模型的建立

邊坡巖土體采用修正的莫爾-庫(kù)侖模型，用于等代邊坡的本構(gòu)模型。模型采用實(shí)體單元中的高階單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，并在上部加密網(wǎng)格尺寸，有利于提高有限元計(jì)算結(jié)果的精確度[1]。

2.1 擬定參數(shù)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次踏勘，結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ坛Ｒ?guī)做法以及一期已建邊坡的設(shè)置情況，初步擬定場(chǎng)區(qū)挖方邊坡采用一級(jí)直接開(kāi)挖方式，計(jì)算模型的邊坡幾何斷面，見(jiàn)圖1，物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 挖方邊坡幾何斷面示意/m

2.2 設(shè)計(jì)假定

邊坡穩(wěn)定性分析使用Midas GTS有限元分析軟件獲得安全系數(shù)。本工程中由于地下水很深，因此不考慮地下水對(duì)坡體的影響；本次典型開(kāi)挖斷面土層為均質(zhì)黏土，無(wú)其他土層；根據(jù)業(yè)主FEED（初步設(shè)計(jì)文件）中的要求，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.75。

2.3 工況分類

根據(jù)站場(chǎng)施工完畢后正常運(yùn)行以及工程所在地自然條件，將工況分為兩類，即正常運(yùn)行工況和發(fā)生地震工況。

2.4 設(shè)計(jì)荷載加速度

根據(jù)以上工況分類，將不同荷載下的加速度值分為三類，見(jiàn)表2。

表2 加速度值分類統(tǒng)計(jì)

2.5 建立模型和求解

Midas GTS軟件提供了自動(dòng)劃分網(wǎng)格以及K-線面映射網(wǎng)格兩種形式。由于自動(dòng)劃分網(wǎng)格往往生成的形狀不規(guī)則，并且加密點(diǎn)與實(shí)際中關(guān)鍵截面、著重分析單元等存在一定偏差，因此根據(jù)本項(xiàng)目的特點(diǎn)，在網(wǎng)格劃分中采用了K-線面映射網(wǎng)格劃分法，對(duì)邊坡坡角處斷面設(shè)置了網(wǎng)格播種，并通過(guò)K-線面映射網(wǎng)格生成了整個(gè)邊坡的網(wǎng)格劃分。這樣不僅可以得到較為理想的計(jì)算結(jié)果，還可以減少計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率。

2.5.1 模型的建立

根據(jù)詳勘中的地質(zhì)情況、預(yù)設(shè)的幾何參數(shù)、輸入數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)假定等要求建立如圖2所示計(jì)算模型。模型邊界條件為坡腳到左端邊界距離，為坡高的1.5倍，坡頂?shù)接叶诉吔绲木嚯x為坡高的3倍，且上下邊界總高不低于2倍坡高。此模型為施工完畢后正常運(yùn)行工況下的模型。

圖2 有限元模型網(wǎng)格劃分及邊坡尺寸模型

2.5.2 求解安全系數(shù)

在進(jìn)行安全系數(shù)求解時(shí)，本軟件通過(guò)程序本身提供的有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算[2]。其原理是根據(jù)土體在現(xiàn)有應(yīng)力狀態(tài)下，默認(rèn)初始安全系數(shù)為1.0，對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度不斷地進(jìn)行折減，在減少?gòu)?qiáng)度的同時(shí)，一直計(jì)算到模型發(fā)生破壞為止，此時(shí)的最大強(qiáng)度折減率相應(yīng)為邊坡的最小安全系數(shù)，如圖3所示。

圖3 強(qiáng)度折減法（計(jì)量單位：Pa）

圖4與圖5為軟件的模擬情況。從兩圖中可以看出，受邊坡坡體自重的影響，通過(guò)坡腳的圓弧面內(nèi)土體單元應(yīng)變較大；但因邊坡土體為均質(zhì)黏土，抗變形能力較強(qiáng)，即使在地震工況下（見(jiàn)圖5），邊坡仍未形成明顯的軟弱層及斷裂層。

圖4 施工完畢后正常運(yùn)行工況下的變形模型體

圖5 發(fā)生地震工況下的變形模型體

邊坡滑動(dòng)面內(nèi)位移最大的位置為邊坡坡頂，其應(yīng)變沿滑動(dòng)面逐漸減小，結(jié)合邊坡位移量級(jí)及邊坡影響范圍進(jìn)行分析，沿該圓弧形成貫通滑動(dòng)面的可能性很?。灰虼?，該滑動(dòng)面對(duì)坡體穩(wěn)定不會(huì)構(gòu)成威脅。從以下位移云圖分析可以推斷，該邊坡在正常運(yùn)行工況以及地震工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 分析結(jié)果

利用Midas GTS軟件進(jìn)行模擬分析，得出施工完畢后的安全系數(shù)為3.5375，發(fā)生地震時(shí)的安全系數(shù)為2.6875。與穩(wěn)定安全系數(shù)的對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3，從表3可以看出，兩種工況下的安全系數(shù)均大于穩(wěn)定安全系數(shù)，因此滿足要求。

表3 模擬分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4 邊坡保護(hù)形式

以上分析表明，此邊坡在開(kāi)挖后是穩(wěn)定的，滿足此天然氣處理廠運(yùn)營(yíng)階段的使用要求；通過(guò)查詢地勘報(bào)告中的氣象資料可知，此地區(qū)在雨季時(shí)強(qiáng)降雨天氣頻繁，對(duì)土質(zhì)邊坡具有很大的沖刷性，會(huì)造成嚴(yán)重的水土流失?？紤]到本工程的重要性以及環(huán)境保護(hù)要求，需要在開(kāi)挖后的邊坡基礎(chǔ)上進(jìn)行加固和防沖刷處理，處理的結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。

圖6 漿砌片石護(hù)坡斷面示意/cm

5 結(jié)論

（1）開(kāi)挖后的邊坡在正常工況及地震工況下的安全系數(shù)均大于規(guī)定值，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

（2）Midas GTS對(duì)于邊坡的穩(wěn)定分析具有良好的適用性，滿足各種工況模式，其計(jì)算可以作為開(kāi)展設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料。

（3）采用漿砌片石護(hù)坡對(duì)邊坡進(jìn)行保護(hù)后，提高了邊坡穩(wěn)定性，增強(qiáng)了防雨水侵蝕、抵抗水土流失的能力，延長(zhǎng)了邊坡的使用年限。