Midas GTS在天然氣處理廠建設中的應用

楊國輝，肖建坤，胡慶國，楊澤亮，李衛東

中國石油管道局工程有限公司天津分公司，天津 300457

巴基斯坦國家油氣開發公司擬在那什帕油田建設井口、油氣集輸系統和一座大型天然氣處理廠，此項工程對解決周圍地區油氣供應緊張起著重要作用。本項目中的天然氣處理廠計劃在已建站的基礎上進行擴建，擴建后場區南側需要進行邊坡設計。筆者通過使用邊坡分析軟件成功計算出安全系數，確定了邊坡穩定狀態。

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。為充分利用廠區內的空地，需考慮在廠區內設置四個臺階并在南側設置一處挖方邊坡。擬建的挖方邊坡高約6.37 m，坡長101.5 m，坡率為1∶1，坡頂外側為已建圍欄，坡底為新建工藝裝置區。

1.1 地質條件及力學參數

根據詳細地質勘察報告資料顯示，自然地面以下10 m范圍內地層土質均為黏土，呈堅硬、棕色、密實狀態。相關物理試驗結果見表1。

表1 土層相關物理力學參數

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、邊坡穩定分析等，在國內已成功應用于建筑、橋梁等各種領域，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模型，同時也支持用戶進行自定義，后期結果可以生成剖面圖、表格和計算書等資料。

2 模型的建立

邊坡巖土體采用修正的莫爾-庫侖模型，用于等代邊坡的本構模型。模型采用實體單元中的高階單元劃分網格，并在上部加密網格尺寸，有利于提高有限元計算結果的精確度[1]。

2.1 擬定參數

通過現場多次踏勘，結合當地工程常規做法以及一期已建邊坡的設置情況，初步擬定場區挖方邊坡采用一級直接開挖方式，計算模型的邊坡幾何斷面，見圖1，物理力學參數見表1。

圖1 挖方邊坡幾何斷面示意/m

2.2 設計假定

邊坡穩定性分析使用Midas GTS有限元分析軟件獲得安全系數。本工程中由于地下水很深，因此不考慮地下水對坡體的影響；本次典型開挖斷面土層為均質黏土，無其他土層；根據業主FEED（初步設計文件）中的要求，邊坡穩定安全系數取1.75。

2.3 工況分類

根據站場施工完畢后正常運行以及工程所在地自然條件，將工況分為兩類，即正常運行工況和發生地震工況。

2.4 設計荷載加速度

根據以上工況分類，將不同荷載下的加速度值分為三類，見表2。

表2 加速度值分類統計

2.5 建立模型和求解

Midas GTS軟件提供了自動劃分網格以及K-線面映射網格兩種形式。由于自動劃分網格往往生成的形狀不規則，并且加密點與實際中關鍵截面、著重分析單元等存在一定偏差，因此根據本項目的特點，在網格劃分中采用了K-線面映射網格劃分法，對邊坡坡角處斷面設置了網格播種，并通過K-線面映射網格生成了整個邊坡的網格劃分。這樣不僅可以得到較為理想的計算結果，還可以減少計算時間，提高計算效率。

2.5.1 模型的建立

根據詳勘中的地質情況、預設的幾何參數、輸入數據、設計假定等要求建立如圖2所示計算模型。模型邊界條件為坡腳到左端邊界距離，為坡高的1.5倍，坡頂到右端邊界的距離為坡高的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行工況下的模型。

圖2 有限元模型網格劃分及邊坡尺寸模型

2.5.2 求解安全系數

在進行安全系數求解時，本軟件通過程序本身提供的有限元強度折減法進行計算[2]。其原理是根據土體在現有應力狀態下，默認初始安全系數為1.0，對土體的抗剪強度不斷地進行折減，在減少強度的同時，一直計算到模型發生破壞為止，此時的最大強度折減率相應為邊坡的最小安全系數，如圖3所示。

圖3 強度折減法（計量單位：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，通過坡腳的圓弧面內土體單元應變較大；但因邊坡土體為均質黏土，抗變形能力較強，即使在地震工況下（見圖5），邊坡仍未形成明顯的軟弱層及斷裂層。

圖4 施工完畢后正常運行工況下的變形模型體

圖5 發生地震工況下的變形模型體

邊坡滑動面內位移最大的位置為邊坡坡頂，其應變沿滑動面逐漸減小，結合邊坡位移量級及邊坡影響范圍進行分析，沿該圓弧形成貫通滑動面的可能性很?。灰虼耍摶瑒用鎸ζ麦w穩定不會構成威脅。從以下位移云圖分析可以推斷，該邊坡在正常運行工況以及地震工況下均處于穩定狀態。

3 分析結果

利用Midas GTS軟件進行模擬分析，得出施工完畢后的安全系數為3.5375，發生地震時的安全系數為2.6875。與穩定安全系數的對比統計結果見表3，從表3可以看出，兩種工況下的安全系數均大于穩定安全系數，因此滿足要求。

表3 模擬分析結果統計

4 邊坡保護形式

以上分析表明，此邊坡在開挖后是穩定的，滿足此天然氣處理廠運營階段的使用要求；通過查詢地勘報告中的氣象資料可知，此地區在雨季時強降雨天氣頻繁，對土質邊坡具有很大的沖刷性，會造成嚴重的水土流失?？紤]到本工程的重要性以及環境保護要求，需要在開挖后的邊坡基礎上進行加固和防沖刷處理，處理的結構形式如圖6所示。

圖6 漿砌片石護坡斷面示意/cm

5 結論

（1）開挖后的邊坡在正常工況及地震工況下的安全系數均大于規定值，不會發生失穩現象。

（2）Midas GTS對于邊坡的穩定分析具有良好的適用性，滿足各種工況模式，其計算可以作為開展設計的基礎資料。

（3）采用漿砌片石護坡對邊坡進行保護后，提高了邊坡穩定性，增強了防雨水侵蝕、抵抗水土流失的能力，延長了邊坡的使用年限。