定向鉆穿越河道的三維滲流穩(wěn)定仿真分析

李炳華 魏文強(qiáng) 周 健 張 峰

1.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司；2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司；3.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院

1 引言

管道穿越河道工程有多種施工方式，目前常用的施工方式主要有三種[1]：（1）明溝法，（2）鉆孔或頂進(jìn)法，（3）隧道法。3種施工方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在比較大型河流穿越工程中，明溝法很難保證管道埋置于足夠的深度，而頂進(jìn)法只適用于較短的距離，隧道法最明顯的缺點(diǎn)是投資大、工期長(zhǎng)。

相對(duì)與其他穿越施工方法，定向鉆穿越技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)：埋置深度大、工期比較短、人工節(jié)省多、占用土地少、投資造價(jià)省、河道通航影響小等。

定向鉆穿越的施工程序是，先用定向鉆機(jī)鉆導(dǎo)向孔，然后連接擴(kuò)孔器回拖擴(kuò)孔，當(dāng)孔徑達(dá)到一定尺寸時(shí)，最后擴(kuò)孔器后連接穿越管段前進(jìn)，管道完成敷設(shè)[2]。

管道的穿越會(huì)對(duì)堤防的滲流產(chǎn)生影響，穿越造成管道周邊與土層之間易產(chǎn)生接觸滲流，故對(duì)定向鉆穿越河流進(jìn)行滲流分析是必要的，相應(yīng)工程的洪評(píng)報(bào)告中都會(huì)有計(jì)算和措施內(nèi)容[3-4]。

本文以安徽地區(qū)某成品油管道定向鉆穿越河道工程為背景，進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析，為類似工程的計(jì)算提供一些有益參考。

該穿越工程經(jīng)方案比選后采用定向鉆法穿越，從河道右岸入土，左岸出土距離河道岸頂118m，出土角度14°，右岸入土距離河道岸頂178m入土角度12°。穿越長(zhǎng)度325m，穿越段管道規(guī)格為Ф273.1×7.9 L360m 直縫高頻焊鋼管，同溝敷設(shè)光纜套管。穿越處現(xiàn)狀左、右岸岸頂高程均為36.0m，兩岸均為農(nóng)田崗地。根據(jù)鉆探成果，勘探深度范圍內(nèi)的地層，從上至下共分為3層，分別為①層粘土層夾少量淤泥質(zhì)粘土；②層粉質(zhì)黏土；③層強(qiáng)風(fēng)化砂巖。

2 有限元滲流計(jì)算

三維穩(wěn)定滲流的基本微分方程為[5]：

式中：

h——為水頭函數(shù)；

kx、ky、kz——是x、y、z方向的滲透系數(shù)。

對(duì)于穩(wěn)定滲流場(chǎng)，需滿足下列二類邊界條件：

第一類邊界上水頭是已知的，即

在第二類邊界上流量等于零，即：

由于滲流自由面是流面，沒(méi)有流量從該面流入或流出，故在滲流自由面上除需滿足上式外，同時(shí)還需滿足自由面上任一點(diǎn)水頭h等于該點(diǎn)的位置高度z，即h=z。

有限元法即把微分方程和邊界條件按變分原理轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)泛函求極值的問(wèn)題。首先把連續(xù)體或研究域離散劃分成有限個(gè)單元體，然后形成代數(shù)方程組，在計(jì)算機(jī)上求解。

求解滲流場(chǎng)中水頭函數(shù)H的方程一般形式為：

式中：

[K]——為滲透矩陣；

{H}——為未知待求的水頭列向量；

{f}——為自由項(xiàng)列向量。詳細(xì)有限元求解滲流場(chǎng)的過(guò)程可參考文獻(xiàn)[6]。

3 計(jì)算模型及參數(shù)

對(duì)于定向鉆穿越河道，如采取二維平面滲流計(jì)算，則存在斷面是否剖至頂線鉆管道軸線的問(wèn)題：若未剖至頂線鉆軸線斷面，則計(jì)算為定向鉆之前原河道剖面，無(wú)法體現(xiàn)管道對(duì)河道堤防的影響；若剖至定向鉆斷面，則該斷面未必能反應(yīng)工程場(chǎng)地的實(shí)際情況，故本文采用三維計(jì)算。

考慮到管道周邊與土層之間易產(chǎn)生接觸滲流及施工對(duì)管道周圍附近土層產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，本處計(jì)算在管道周圍0.5m范圍內(nèi)設(shè)置一圈擾動(dòng)層，為方便計(jì)算比較，該區(qū)域的滲透系數(shù)在原滲透系數(shù)的基礎(chǔ)上增大1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。使用河海大學(xué)Autobank軟件進(jìn)行建模及網(wǎng)格劃分，模型如圖1 和圖2 所示，單元數(shù)為321513（空間四面體單元），結(jié)點(diǎn)數(shù)位63588。

圖1 計(jì)算模型

圖2 有限元計(jì)算網(wǎng)格

三維滲流計(jì)算河道水位采用20 年一遇的設(shè)計(jì)洪水位34.10m。滲流計(jì)算所采用的滲透系數(shù)取值如表1（單位為m/s）。

表1

擾動(dòng)層的滲透系數(shù)取8.2e-5m/s，8.2e-4m/s，并做計(jì)算對(duì)比。

4 滲流計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算表明，三種情況下，模型計(jì)算浸潤(rùn)面基本一致。

可見(jiàn)管道的穿越對(duì)河道堤防的滲流狀態(tài)的影響有限，等勢(shì)線基本與未穿越基本一致，僅在管道處略微突變。

定向鉆管道軸線剖面的水力坡降如圖3所示。

圖3 滲流水力坡降

由計(jì)算結(jié)果，管道擾動(dòng)區(qū)域的滲流水力坡降較擾動(dòng)層周圍略大，影響范圍也有限。計(jì)算模型水力坡降最大處發(fā)生在右岸堤腳處，由于管道埋深較大，未對(duì)最大水力坡降產(chǎn)生影響，三種情況下均為0.1825。在管道周圍的擾動(dòng)區(qū)域水力坡降有所增大，圖3（d）剖面顯示，該處水力坡降由1.01增大到1.42。

5 總結(jié)

（1）三維模型能較真實(shí)合理的反應(yīng)管道穿越的實(shí)際情況，得到的計(jì)算結(jié)果合理，浸潤(rùn)面、等勢(shì)面符合一般滲流規(guī)律。

（2）由于管道穿越埋深較大且進(jìn)出口距離堤腳較遠(yuǎn)，管道穿越對(duì)堤防的滲流穩(wěn)定產(chǎn)生的影響有限，滲流的浸潤(rùn)面與原狀基本一致，等勢(shì)面略有變化。

（3）計(jì)算得到的水力坡降僅在管道周圍的擾動(dòng)層有所影響，較為穿越處增大。由于模型最大水力坡降發(fā)生在坡腳處，故管道穿越未改變整體最大水力坡降。

整體而言，采用定向鉆穿越河道對(duì)滲流狀態(tài)影響不大。施工中，對(duì)管孔空隙采取封堵措施，盡可能的采取封堵措施，減少管道與原土層之間的空隙，避免接觸滲流和對(duì)原狀土的擾動(dòng)。