水平定向鉆穿越芡河滲流穩(wěn)定研究

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(1．安徽省渦陽縣水務(wù)局，安徽 渦陽 233600；2.合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 230009)

對于長距離管道的施工，往往需要穿跨越湖泊或河流，對穿跨越方案進行比選，這是管道設(shè)計過程中需要預(yù)先考慮的問題[1]。隨著社會的發(fā)展，定向鉆技術(shù)憑借其施工周期短、工程造價低、破壞性小的特點，得到越來越廣泛地應(yīng)用[2][3]。與其他的施工技術(shù)類似，水平定向鉆穿越施工也是有風險的，尤其是水平定向鉆穿越對河堤的滲透破壞最引人關(guān)注[4]。目前，我國關(guān)于定向鉆穿越技術(shù)對河堤基礎(chǔ)的擾動影響研究還比較少。

滲透破壞的形成與發(fā)展，依賴于特定水文地質(zhì)條件下的地下水滲流場特征[5]，當工程建設(shè)對堤身或堤基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部擾動時，將影響到地下水滲流場的分布特征[6]，由此，工程建設(shè)誘發(fā)滲透破壞可能性的分析就成為施工過程中不得不考慮的問題[7]。因而，在管線穿堤工程中，進行水平定向鉆穿堤管線滲流安全研究具有十分重要的研究意義。

1 工程概況

安慶石化800萬 t/a煉化一體化配套成品油管道工程包括兩條輸油管線，管道全長520 km，入口設(shè)計輸量為410×104t/a，設(shè)計壓力為9.5 Mpa。

本論文研究該成品油管道穿越芡河的定向鉆穿堤工程，根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況，芡河水面較寬，為通航河道，考慮工期、投資、安全、維護及航運等因素，采用水平定向鉆穿越，入土角度控制在8°～14°之間，出土角度一般控制在4°～8°之間，水平穿越芡河長度約2 500。

1.1 管道穿越設(shè)計參數(shù)

管道穿越芡河主要的參數(shù)設(shè)計值見表1。

表1 定向鉆穿越河流參數(shù)值

1.2 穿越點地理位置

穿越的芡河區(qū)域位于蚌埠市懷遠縣荊芡鄉(xiāng)石山村與尤村之間，北側(cè)為尤村，南側(cè)為石山村，南距找郢鎮(zhèn)直線距離2.6 km，東北距懷遠縣直線距離11 km。管道入土點位于芡南圩，大地坐標為X=3 646 491.525，Y=506 370.635；管道出土點位于芡北圩，大地坐標為X=3 648 955.865，Y=506 518.897。

芡河兩側(cè)均有堤壩道路，路寬5～7 m左右，南側(cè)堤壩道路向南1 km可通至懷遠縣S307省道，北側(cè)堤壩道路可通至村村通公路，道路暢通，交通條件良好。研究區(qū)域地形較平坦，施工條件良好。成品油管道工程懷遠縣境內(nèi)穿越芡河如圖1所示。

圖1 安慶石化成品油管道懷遠境內(nèi)穿越芡河位置圖

1.3 場地地層巖性特征

勘探結(jié)果揭露地層除人工填土外均為第四系河湖相沉積和殘積的粘性土、粉性土、礫砂、碎石土。根據(jù)野外鉆探，對比室內(nèi)土工試驗資料，工程處地層劃分及地基構(gòu)成與特征見表2所示。

根據(jù)現(xiàn)場揭露的地層情況，場地范圍內(nèi)主要土層為粉土、粉質(zhì)黏土。設(shè)計以②、⑦層粉質(zhì)黏土為管道主要鋪設(shè)層。

2 滲流分析

利用Moldflow模擬汛期遭遇洪水時河道周圍的地下水滲流場，分析地下水非穩(wěn)定滲流過程以及非穩(wěn)定流場的數(shù)學與物理特征。并基于以上模擬，根據(jù)地下水流場中地下水最大滲流速度，結(jié)合研究區(qū)的的工程地質(zhì)條件，判斷最大滲流速度對地層中松散顆粒的擾動影響，進而對管線穿越工程誘發(fā)河堤發(fā)生滲流破壞的風險性進行定量分析與研究。

表2 芡河段地基構(gòu)成與特征表

對條件進行如下概化：(1)校核洪水位取20 a設(shè)計洪水位加高1 m，堤岸虛擬加高；(2)研究范圍在平面上，以管線穿越施工段為中心，取1 000 m×1 000 m的區(qū)域；(3)穿越河道周圍地層，按非均質(zhì)各向同性處理；(4)河床厚度，按被沖刷0.31 m后的厚度計算；對于經(jīng)洪水沖刷后的河床，其垂向滲透系數(shù)與水平滲透系數(shù)相同。

2.1 水文地質(zhì)概念模型

數(shù)值模擬采用解法為有限差分法。為了能夠更加全面地掌握研究區(qū)域地下水水位動態(tài)變化情況，真實地反映研究區(qū)域的水文地質(zhì)特征，以工程段地附近1 000 m的區(qū)域內(nèi)作為研究區(qū)域。研究范圍南北跨度1 000 m，東西跨度2 800 m。整個研究范圍劃分為10 m×20 m的網(wǎng)格，具體網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 計算區(qū)平面網(wǎng)格剖分圖

數(shù)值模型主要是模擬在定向鉆管線鋪設(shè)好以后，遭遇設(shè)計洪水的情況下沿管道壁地下水的水力坡降，預(yù)測土層被擾動的風險性，分析河床的穩(wěn)定性。模擬地下水運動的地層主要是潛水層、微承壓層，根據(jù)地質(zhì)鉆探資料，將地層分為四層。

定向鉆穿堤管線的管道在河流底部是彎曲前進的，為了便于模型能夠更好地反映實際情況，將地層進行細分，管道穿過的區(qū)域的滲透系數(shù)定為其他范圍的1.5倍。具體地層分布見圖3。

圖3 計算區(qū)垂向網(wǎng)格剖分圖

依據(jù)鉆探資料確定的地層巖性，擬定經(jīng)驗地層的經(jīng)驗水文地質(zhì)參數(shù)，再根據(jù)鉆探過程中觀測的水位資料，經(jīng)過反演調(diào)參數(shù)，確定地層水文地質(zhì)參數(shù)見表3。

表3 模型地層參數(shù)表

2.2 數(shù)學模型

依據(jù)水文地質(zhì)概念模型，建立相應(yīng)的數(shù)學模型：

(1)

式中：Kxx、Kyy、Kzz：滲透系數(shù)在x，y，z方向的分量(假定滲透系數(shù)主軸方向與坐標軸的方向一致)；H為水頭；W為單位體積流量；μ為給水度；H0為初始水位；H1為計算時段內(nèi)邊界處的地下水水位；t為時間；D為計算區(qū)范圍；г1為一類邊界。

2.3 水力坡度計算

在進行模型識別和參數(shù)識別后，進行地下水運動模擬，模擬時間段為三個月。參照數(shù)學模型和模型的解法進行滲流分析計算，通過模型模擬流場計算得到滲流場中地下水滲流最大水力坡降Jmax為0.056。地下水流場分布見圖4和圖5。

圖4 流場分布剖面圖

圖5 流場分布平面圖

2.4 滲流安全研究

對于芡河穿越工程，管線穿越所經(jīng)過的土層的滲透變形屬流土型，臨界水力比降與允許水力坡度通過以下方法計算：

1) 臨界水力比降計算公式：

Jcr=(Gs-1)(1-n)

(2)

式中：Jcr為土的臨界水力比降；Gs為土的顆粒密度與水的密度之比；n為土的孔隙率(%)。

2)允許水力坡降計算公式：

J允=Jcr/K

(3)

式中：J允為允許水力坡降；K為安全系數(shù)，一般為2.0～2.5，取2.5。

則：

Jcr=(2.6-1)×(1-0.4)=0.96

J允=0.96/2.5=0.384

最大水力坡降與允許水力坡降對比情況見表4。

表4 芡河道最大水力坡降與允許水力坡降對比表

3 結(jié)語

由土的滲透變形判別計算公式，計算得到了不造成破壞性滲流的最大水力坡降，即允許水力坡降J允。由于滲流場中最大水力坡降Jmax遠遠小于允許水力坡降J允，說明地下水流場中的最大水力坡降遠遠小于能夠擾動沙粒所需要的最小水力坡降。因此，汛期洪水引起芡河河床沖刷而發(fā)生滲流破壞的風險性非常小，水平定向鉆穿越芡河的工程在汛期不會引起滲流安全問題。