水平定向鉆擴(kuò)孔施工工藝對堤防安全穩(wěn)定的有限元分析

張 胤，程大鵬，張朝利，李 軍

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210006；2.南京市浦口水務(wù)局，江蘇 南京 211800)

水平定向鉆(horizontal directional drilling，HDD)埋管技術(shù)是20世紀(jì)70年代從石油和天然氣工業(yè)引入的非開挖(鉆孔)敷設(shè)管線技術(shù)。具有不占用土地、不影響交通和景觀等明顯優(yōu)點(diǎn)，已為全球管線、管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)做出了重要的貢獻(xiàn)[1-3]。隨著我國社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在水利行業(yè)，涉及管線穿越河道、堤防的建設(shè)項(xiàng)目亦與日俱增，并呈現(xiàn)出快速增長的勢頭[4-6]。據(jù)統(tǒng)計，2016年江蘇省定向鉆穿越河道達(dá)200余處。目前水平定向鉆埋管施工技術(shù)本身在鉆機(jī)功率和效率、管線定位、管徑尺寸、穿越長度、埋管深度等方面已取得了長足的進(jìn)展[7-8]。但是，其施工過程中采用增壓泥漿護(hù)壁和擴(kuò)孔埋管對地基及建(構(gòu))筑物應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性所造成的影響，卻鮮見有研究報道，可資借鑒的相關(guān)研究成果并不多見[9]。在我國，已見報道的[10-11]和未見報道的因水平定向鉆埋管穿越堤防施工引起的工程事故已經(jīng)引起了水利管理部門的高度重視。比如，2016年4月儀征-長嶺原油管道復(fù)線工程在定向鉆穿越南京市浦口區(qū)永寧河施工過程中就曾出現(xiàn)過河底和堤防背水坡冒漿、堤防沉降、混凝土護(hù)坡開裂損壞等現(xiàn)象。由于水平定向鉆施工時會對穿越土層產(chǎn)生較大擾動，進(jìn)而產(chǎn)生相關(guān)附加應(yīng)力，對堤防的安全穩(wěn)定性有著較大影響。因此研究安全系數(shù)在其施工工況時的動態(tài)變化是十分必要的。

本文基于Bishop堤防穩(wěn)定計算公式，提出一套適用于水平定向鉆穿堤穩(wěn)定分析的修正公式；結(jié)合南京市某給水管埋設(shè)工程，重點(diǎn)分析水平定向鉆擴(kuò)孔施工工藝對堤防穩(wěn)定的影響，分析潛在滑弧因擴(kuò)孔而發(fā)生的變化規(guī)律，及擴(kuò)孔過程對堤防穩(wěn)定的影響；從水平定向鉆管線施工設(shè)計方面進(jìn)行堤防穩(wěn)定敏感性分析。為水利行業(yè)防洪減災(zāi)與工程管理、以及水利行業(yè)與其它行業(yè)涉及管線工程的交叉規(guī)劃與建設(shè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 基于FLAC3D軟件的強(qiáng)度折減法

FLAC3D軟件是研究連續(xù)三維介質(zhì)達(dá)到平衡狀態(tài)或塑性流動狀態(tài)時的力學(xué)行為的快速有限差分?jǐn)?shù)值分析軟件。該軟件采用顯式拉格朗日法及混合離散單元劃分技術(shù)，能夠精確地模擬材料的塑性流動和破壞，對靜態(tài)系統(tǒng)模型也采用動態(tài)方程來進(jìn)行求解。而且通過FLAC3D程序自帶的FISH語言，用戶可以自己定義任何復(fù)雜的模型和本構(gòu)關(guān)系以及根據(jù)自己的需要精確地控制計算過程。和其他有限元程序相比，F(xiàn)LAC3D程序具有速度快、易收斂的特點(diǎn)，適用于非線性、大變形問題。

1.1 強(qiáng)度折減法

在工程邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)計算中，通常采用的是強(qiáng)度儲備安全系數(shù)。其計算方法被稱為強(qiáng)度折減法，通過不斷折減已知滑動面的相關(guān)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)尋找邊坡破壞的極限狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到邊坡臨界穩(wěn)定狀態(tài)時的折減系數(shù)K即為此邊坡的安全系數(shù)。安全系數(shù)定義如下：

(1)

(2)

式中：C,φ為原狀土體強(qiáng)度摩爾-庫侖參數(shù)；C',φ'為折減后土體強(qiáng)度摩爾-庫侖參數(shù)。

1.2 安全系數(shù)自動搜索程序設(shè)計

本文采用的安全系數(shù)自動化搜索計算程序是由FLAC3D軟件內(nèi)嵌的FISH語言所編寫。該語言使用者可以靈活定義所需變量和函數(shù)，擴(kuò)大了FLAC3D軟件計算的應(yīng)用范圍，并使數(shù)值計算增加了人性化設(shè)置功能。因此，從建模到計算的整個過程，都可以通過FISH語言編程實(shí)現(xiàn)。其中相關(guān)模型命令流和計算命令流，可將生成模型的重要研究因素設(shè)置成變量，根據(jù)研究的需要快速生成相應(yīng)模型文件，不僅極大地減少了后期研究不同坡形設(shè)計的建模工作量，還提高了坡形設(shè)計研究的工作效率。

安全系數(shù)搜索計算程序主要思路為：初步確定所求安全系數(shù)的大致范圍K∈[Ka，Kb]，Ka

圖1 安全系數(shù)搜索程序流程圖

2 模型分析背景

2.1 建立計算模型及邊界設(shè)計

選取邊坡計算典型斷面進(jìn)行數(shù)值計算，基本模型網(wǎng)格共20 125單元，22 818節(jié)點(diǎn)，邊坡迎水坡坡比為1∶1，不考慮背水坡影響，假定背水坡為空曠平地，與堤頂齊高。堤防高度為10 m。水平定向鉆埋深距河底為4 m，管徑取1.0 m，實(shí)際擴(kuò)孔孔徑為1.3 m。邊坡分析中，建模的邊界選取需要把握：既能保證精度，又能充分消除邊界效應(yīng)影響的原則。通常按照鄭穎人理論建立的常規(guī)邊坡計算模型，當(dāng)坡腳到右端邊界距離為坡高H的1.5倍，坡頂?shù)阶蠖诉吔绲木嚯x為坡高H的2.5倍，且上下邊界總高不低于2倍坡高時，計算精度最為理想，詳見圖2。若邊坡地勘中含有較厚軟弱土層，其形成深層的大滑弧破壞可能性較大，故邊坡計算模型需做適當(dāng)調(diào)整，詳見圖3。

圖2 一般邊坡計算模型邊界范圍示意圖

圖3 軟土邊坡計算模型邊界范圍示意圖

具體邊坡典型斷面所建計算模型網(wǎng)格劃分示意圖見圖4。采用FLAC3D自帶FISH語言，編程建立三維計算模型，其中對材料接觸區(qū)域、大變形部位以及潛在的應(yīng)力梯度較大區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，保證在這些關(guān)鍵區(qū)域的模擬精度。同時可將模型重要幾何條件設(shè)置為變量，以便在進(jìn)行敏感性計算分析中快速建模，并自動劃分網(wǎng)格計算，節(jié)約大量建模時間及工作量。堤防計算模型如圖4所示，模型共分為29組單元。模型的底面約束x、y、z3個方向的位移，模型的四周均有相應(yīng)法向位移約束。

圖4 計算模型及單元剖分

2.2 計算參數(shù)

本次計算重點(diǎn)研究水平定向鉆在穿越軟土層時，管道推進(jìn)及擴(kuò)孔階段對堤防的安全穩(wěn)定影響，堤防堤身填土采用南京地區(qū)常見老堤填土參數(shù)，堤基選用南京地區(qū)特色軟土參數(shù)——南京鼓樓濱江淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。具體參數(shù)如表1所示。

表1 土層計算參數(shù)

2.3 原堤防應(yīng)力應(yīng)變分析

采用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計算，先進(jìn)行堤防邊坡自重應(yīng)力計算分析，并檢查計算成果的可靠性。模型計算得到的初始自重應(yīng)力及強(qiáng)度折減后位移云圖如圖5、圖6所示，經(jīng)校核計算結(jié)果正確。

圖5 堤防邊坡豎向自重應(yīng)力

圖6 原堤安全穩(wěn)定性計算時堤防邊坡安全穩(wěn)定性的位移云圖

3 水平定向鉆穿越過程對堤防應(yīng)力應(yīng)變的影響

水平定向鉆推進(jìn)對堤防產(chǎn)生的影響，通過在開挖面施加支護(hù)壓力和在管道四周施加管壁與土體的摩擦力來體現(xiàn)，開挖面支護(hù)壓力為初始地層計算得到的水平向應(yīng)力加上50 kPa附加推力，管壁與土體的摩擦力為管壁中心線位置的豎向土壓力乘以摩擦系數(shù)，本模型計算采用0.25摩擦系數(shù)。另外，考慮到施工推進(jìn)至堤防邊坡不同位置時，對邊坡安全穩(wěn)定性的影響應(yīng)該不一樣，因此，單次穿越采用了以下5個推進(jìn)位置：堤頂前5.0 m、堤頂、堤防邊坡中央、堤腳、貫穿堤身，設(shè)計擴(kuò)孔6次。并模擬計算孔徑為?400、?550、?700、?850、?1000、?1150、?1300的7次擴(kuò)孔施工順序，得到了施工工況下水平定向鉆擴(kuò)孔穿越到不同位置時堤防邊坡的應(yīng)力云圖及安全系數(shù)。

3.1 應(yīng)力分析

從各擴(kuò)孔階段的應(yīng)力計算結(jié)果可知(圖7)，當(dāng)水平定向鉆穿越堤防后，很明顯其施工對鉆孔以上堤防應(yīng)力造成一定的影響，對鉆孔以下堤防應(yīng)力幾乎沒有影響。從而使得堤防安全系數(shù)由初始1.148降低為0.930。

3.2 應(yīng)變分析

由圖8可知，在水平定向鉆穿越堤防擴(kuò)孔的過程中，堤防潛在滑弧內(nèi)滑體的位移在逐漸增大，且潛在滑弧有向下發(fā)展趨勢，直至堤防薄弱帶處，形成沿穿越孔洞的底滑面。因此，堤防當(dāng)水平定向鉆穿越堤防后，其施工會對鉆孔以上堤防應(yīng)變造成較大的影響，

圖7 水平定向鉆穿越過程對堤防豎向應(yīng)力影響云圖

3.3 水平定向鉆穿越過程對堤防安全系數(shù)的影響

總結(jié)水平定向鉆在穿越堤防時，不同鉆進(jìn)位置及擴(kuò)孔次數(shù)對堤防安全系數(shù)的影響均不相同，繪制其影響相對關(guān)系曲線詳見圖9，具體安全系數(shù)值詳見表2。當(dāng)水平定向鉆從堤身往河中央方向穿越時，管道穿越對堤防地基擠壓作用會導(dǎo)致堤防邊坡產(chǎn)生一個向下滑動的附加推力，從而降低堤防邊坡的安全穩(wěn)定性。從計算表中可以看出，當(dāng)水平定向鉆穿越至坡頂位置時，對堤防安全穩(wěn)定性的影響較小；繼續(xù)穿越時，對堤防安全穩(wěn)定性的影響逐漸顯示出來，每次擴(kuò)孔至完成穿越后堤防邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)均有所降低，直至完成6次擴(kuò)孔后，堤防安全系數(shù)由原始1.148下降到0.930；由于水平定向鉆邊穿越邊噴漿固壁的施工過程，堤防安全系數(shù)在施工過程中呈現(xiàn)忽高忽低的變化規(guī)律，但總體變化趨勢是下降的?？芍蕉ㄏ蜚@對堤防安全穩(wěn)定的影響存在一個最不利的位置及一個最不利擴(kuò)孔過程。在每次擴(kuò)孔過程中，最不利的位置大約為坡中央至坡腳之間，堤防安全系數(shù)下降幅度最大；并且在第四次、第五次、第六次擴(kuò)孔過程中，堤防安全系數(shù)下降幅度較大，其中第六次擴(kuò)孔過程為最不利擴(kuò)孔過程。因此，水平定向鉆穿越施工至該區(qū)域需要加強(qiáng)監(jiān)測，進(jìn)行信息化施工以便及時調(diào)整水平定向鉆施工控制參數(shù)。

4 結(jié) 語

(1)采用FLAC3D進(jìn)行水平定向鉆穿越軟土堤防的影響分析時，應(yīng)考慮沿堤身縱向選取模型寬度的問題。模型的寬度尺寸應(yīng)考慮穿越對堤防的影響區(qū)域，若邊坡地勘中含有較厚軟弱土層，其形成深層的大滑弧破壞可能性較大，模型邊界可設(shè)置為坡腳到右端邊界距離為坡高的3.0倍，坡頂?shù)阶蠖诉吔绲木嚯x為坡高的2.5倍，且上下邊界總高不低于3倍坡高時，計算精度最為理想。

圖8 水平定向鉆穿越過程對堤防豎向位移影響云圖

表2 水平定向鉆穿越過程對堤防邊坡安全穩(wěn)定性的影響

圖9 水平定向鉆穿越過程對堤防邊坡安全系數(shù)影響關(guān)系曲線

(2)通過模擬水平定向鉆穿越、擴(kuò)孔等特有施工工藝的計算分析，可以得出該施工過程對堤防安全穩(wěn)定性最為不利的施工位置位于堤防邊坡的中央至坡腳，為了減少對堤防的影響，如需要對堤防進(jìn)行加固時，可考慮在此區(qū)域的合適位置進(jìn)行加固。并且每次擴(kuò)孔至完成穿越后堤防邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)均有所降低，直至完成6次擴(kuò)孔后，由于水平定向鉆邊穿越邊噴漿固壁的施工過程，堤防安全系數(shù)在施工過程中呈現(xiàn)忽高忽低的變化規(guī)律，但總體變化趨勢呈下降規(guī)律。