基于水平定向鉆施工對(duì)堤防安全穩(wěn)定影響的多因素綜合分析

楊杰

（中國(guó)石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000）

引言

水平定向鉆(HorizontalDirectionalDrilling，簡(jiǎn)稱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)。與傳統(tǒng)的開挖或高架跨越敷設(shè)管線方式相比，該技術(shù)為解決油、氣、水、電等生命線管線穿越水域、公路、鐵路或其他障礙物提供了經(jīng)濟(jì)、高效的施工方案，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)。隨著我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，管線穿越工程建設(shè)數(shù)量日益增多，采用大管徑敷設(shè)的現(xiàn)象也頻繁顯現(xiàn)。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(zhǎng)的勢(shì)頭。在磨子峪水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中，水平定向鉆孔技術(shù)就較好地解決了新建輸水涵管的難題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016 年光江蘇省定向鉆穿越河道達(dá)200 余處。隨著施工機(jī)械、施工材料以及信息化施工管理技術(shù)的發(fā)展，并歷經(jīng)近半個(gè)世紀(jì)的工程應(yīng)用，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、護(hù)壁泥漿的環(huán)保性能、管徑尺寸、穿越長(zhǎng)度、埋管深度等方面已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，并已漸趨成為一項(xiàng)成熟的先進(jìn)實(shí)用技術(shù)。但是，其施工過程中采用增壓泥漿護(hù)壁和擴(kuò)孔埋管對(duì)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(bào)道，可資借鑒的研究成果并不多見。同時(shí)，隨著管徑的增大、施工項(xiàng)目的增多，一些工程事故卻時(shí)有發(fā)生。比如，2016年4月儀征－長(zhǎng)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時(shí)冒漿、堤防沉降、混凝土護(hù)坡開裂損壞等現(xiàn)象。而這類事故，對(duì)于保障防洪安全、保護(hù)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全的堤防工程而言，是必須杜絕的。因此，科學(xué)分析和評(píng)價(jià)水平定向鉆埋管技術(shù)對(duì)堤防安全的作用影響是水利技術(shù)人員和管理人員當(dāng)前和今后都迫切需要攻克的技術(shù)難題，是提升水平定向鉆埋管這一先進(jìn)技術(shù)在堤防工程中的應(yīng)用水平迫切需要解決的重要環(huán)節(jié)。本文基于Bishop 堤防穩(wěn)定計(jì)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，自編程序?qū)崿F(xiàn)其計(jì)算功能。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(duì)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(duì)堤防穩(wěn)定的影響。從水平定向鉆管線施工設(shè)計(jì)方面進(jìn)行堤防穩(wěn)定敏感性分析。相關(guān)成果可為水利行業(yè)防洪減災(zāi)與工程管理，以及水利行業(yè)與其他行業(yè)涉及管線工程的交叉規(guī)劃與建設(shè)提供重要技術(shù)基礎(chǔ)和依據(jù)。

一、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(dòng)狀態(tài)時(shí)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?jiǎng)澐旨夹g(shù)，能夠精確地模擬材料的塑性流動(dòng)和破壞，對(duì)靜態(tài)系統(tǒng)模型也采用動(dòng)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(jì)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。

（一）強(qiáng)度折減法

在工程邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算中，通常采用的是強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)。其計(jì)算方法被稱為強(qiáng)度折減法，通過不斷折減已知滑動(dòng)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(shí)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:

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

（二）安全系數(shù)自動(dòng)搜索程序設(shè)計(jì)

本文采用的安全系數(shù)自動(dòng)化搜索計(jì)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(jì)算的應(yīng)用范圍，并使數(shù)值計(jì)算增加了人性化設(shè)置功能。因此，從建模到計(jì)算的整個(gè)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(jì)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(jì)的建模工作量，還提高了坡形設(shè)計(jì)研究的工作效率。安全系數(shù)搜索計(jì)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 ＜Kb，在此范圍內(nèi)取中值Kc 對(duì)折減系數(shù)進(jìn)行快速搜索，經(jīng)過收斂標(biāo)準(zhǔn)的判斷后，以它們的平均值K 作為折減系數(shù)下次搜索范圍的上限值或下限值，直至滿足不平衡力比率要求，找到一個(gè)最接近理想值的折減系數(shù)，即為所求安全系數(shù)。當(dāng)小于不平衡力比率時(shí)停止計(jì)算，可認(rèn)為滿足收斂標(biāo)準(zhǔn)，則Ka 被K 取代，Kb 不變;若在計(jì)算到規(guī)定的時(shí)步后仍未停止計(jì)算可認(rèn)為未達(dá)收斂標(biāo)準(zhǔn)，則Kb 被K 取代，Ka 不變;直至搜索范圍被縮小至初定精度后，不平衡比率P ＜設(shè)定比率Pk(默認(rèn)為1e－5)，所得平均值K 即為所求安全系數(shù)。實(shí)現(xiàn)過程見圖1。

二、基于水平定向鉆施工對(duì)堤防安全穩(wěn)定影響分析

（一）埋深的影響分析

基于水平定向鉆7 次擴(kuò)孔至1300 后的施工狀態(tài)，假定左岸邊坡為管線穿入側(cè)，即模型計(jì)算入土角為8°，堤防為原設(shè)計(jì)狀態(tài)。分別計(jì)算了埋深h(h 為水平定向鉆穿越管線頂部距離河床底部的垂直距離)為3，6，9，12，15m 情況下，水平定向鉆施工對(duì)堤防安全穩(wěn)定的影響(見圖2)。可知:隨著埋深的增加，堤防的安全系數(shù)也隨之增加，且近似為線性變化，并有向原堤防安全系數(shù)值逼近的趨勢(shì)，說明隧道埋深越深，水平定向鉆穿越管線施工對(duì)堤防安全穩(wěn)定的影響越小。當(dāng)埋深超過約12 倍洞徑時(shí)，其影響可忽略不計(jì)。

（二）水平定向鉆穿越過程對(duì)堤防安全系數(shù)的影響

總結(jié)水平定向鉆在穿越堤防時(shí)，不同鉆進(jìn)位置及擴(kuò)孔次數(shù)對(duì)堤防安全系數(shù)的影響均不相同，繪制其影響相對(duì)關(guān)系曲線詳見圖3，具體安全系數(shù)值詳見表1。當(dāng)水平定向鉆從堤身往河中央方向穿越時(shí)，管道穿越對(duì)堤防地基擠壓作用會(huì)導(dǎo)致堤防邊坡產(chǎn)生一個(gè)向下滑動(dòng)的附加推力，從而降低堤防邊坡的安全穩(wěn)定性。從計(jì)算表中可以看出，當(dāng)水平定向鉆穿越至坡頂位置時(shí)，對(duì)堤防安全穩(wěn)定性的影響較小;繼續(xù)穿越時(shí)，對(duì)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(shì)是下降的。可知水平定向鉆對(duì)堤防安全穩(wěn)定的影響存在一個(gè)最不利的位置及一個(gè)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(cè)，進(jìn)行信息化施工以便及時(shí)調(diào)整水平定向鉆施工控制參數(shù)。

表2 水平定向鉆穿越過程對(duì)堤防邊坡安全穩(wěn)定性的影響

（三）管線直徑的影響分析

為較清晰體現(xiàn)水平定向鉆穿越管線直徑對(duì)堤防安全穩(wěn)定的影響，本次計(jì)算選取管線埋深為3m，假定左岸邊坡為管線穿入側(cè)，即模型計(jì)算入土角為8°，堤防為原設(shè)計(jì)狀態(tài)。相應(yīng)計(jì)算穿越管線直徑分別為500，800，1000，1200，1500mm 時(shí)的堤防安全穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可知，當(dāng)僅改變水平定向鉆穿越管線直徑時(shí)，隨著管線直徑的增加，堤防的安全系數(shù)隨之降低，說明水平定向鉆穿越管線直徑越大，對(duì)堤防的安全穩(wěn)定的影響越大，且其近似呈線性變化。

結(jié)語

采用FLAC3D 進(jìn)行水平定向鉆穿越軟土堤防的影響分析時(shí)，模型尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果精度具有一定影響，且在存在軟土層堤防安全穩(wěn)定計(jì)算中，其影響將更為突出。經(jīng)分析得，模型邊界為坡高至少3 倍時(shí)，計(jì)算精度可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過對(duì)穿越堤防的管道埋深、管徑、坡比等影響因素的敏感性分析，可以得出，隨著管徑的增大，管壁表面積隨著增大，進(jìn)而管壁與土體的摩擦力也隨著增大，導(dǎo)致傳導(dǎo)至堤防邊坡的滑弧上的附加推力將顯著增大，從較大幅度地降低了堤防邊坡的安全穩(wěn)定性;當(dāng)水平定向鉆埋深達(dá)到6.0m 或者達(dá)到管徑的4 倍左右時(shí)，其施工對(duì)堤防的影響基本上可以忽略不計(jì);當(dāng)穿越管道埋深較淺時(shí)，對(duì)堤防的安全穩(wěn)定性會(huì)造成一定的影響，當(dāng)坡比較陡時(shí)水平定向鉆的施工對(duì)堤防穩(wěn)定的影響將更為顯著。鑒于水平定向鉆施工對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響因素種類非常多，且各因素之間的作用關(guān)系也是極為復(fù)雜，本文的研究工作還有許多不完善的地方，許多問題還需要進(jìn)一步的研究和探索。尤其在完善邊坡計(jì)算模型概化標(biāo)準(zhǔn)方面，目前許多邊坡的影響因素分析不夠全面，概化的計(jì)算模型也沒一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，完全處于經(jīng)驗(yàn)分析狀態(tài)。如何準(zhǔn)確地確定及區(qū)分其主要及次要因素，建立一套統(tǒng)一的判別標(biāo)準(zhǔn)及模型概化標(biāo)準(zhǔn)，還需做進(jìn)一步的研究。通過模擬水平定向鉆穿越、擴(kuò)孔等特有施工工藝的計(jì)算分析，可以得出該施工過程對(duì)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(duì)堤防的影響，如需要對(duì)堤防進(jìn)行加固時(shí)，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(shì)呈下降規(guī)律。