蘭州新區西排洪渠跨石油管線影響研究

孔維龍，孫杲辰

（1.中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.西安石油大學，陜西 西安 710065）

1 引言

蘭州新區西排洪渠主要導排新區北部四眼井沙溝內山洪，并攔截和導排新區西側山洪，保護蘭州新區免受新區北部和西部山洪造成的山洪災害。西排洪渠工程重點保護新區石化產業組團、飛地經濟產業組團、航空功能組團等區域。根據《蘭州新區總體規劃》，西排洪渠工程保護范圍為新區人口分布密度大、市政基礎設施完成最多、企業建設投產最多的核心區域。目前，中國鐵建、吉利汽車等17個項目已建成投產，綠地智慧金融城等項目正在加快建設。

西排洪渠作為蘭州新區的防洪工程直接影響到蘭州新區居民的生命、財產安全，由于其渠線較長，與石油、天然氣管線交叉多，施工難度大。為了保證渠道在跨越石油、天然氣管線時的安全性，本次方案設計中對西排洪渠跨石油、天然氣關系進行數值模擬分析，為工程建設提供可靠的理論依據。

2 研究內容

本研究的主要目的是分析西排洪渠跨越石油、天然氣管線時在上部水荷載與渠道自重荷載作用下：C25鋼筋混凝土襯砌渠道、渠基土體、石油管線變形與受力是否符合工程設計標準，從而論證方案的合理性[1-3]。

本次數值模擬分析主要由兩部分組成：

（1）分析在上部荷載作用下，渠道橫跨石油、天然氣管線時，渠身的變形與受力以及渠基土體變形與受力情況。

（2）分析有限元三維模型切片后，上部荷載作用下管道的變形與受力。

3 研究方法

有限單元法的主要分析步驟分為以下內容：

（1）模型離散化[4]。

（2）根據擬定位移模式，建立位移矩陣：

式中：{f}為任意有限單位的列位移矩陣；{δ}ε為節點列矩陣；[N]為位移形狀函數矩陣。

（3）利用單位剛度矩陣擬合總體剛度矩陣：

式中：{ε}為單元內任一點位移列陣；[B]為單元應變矩陣。

根據物理方程，建立本構關系：

式中：{σ} 為任一點位移應力列陣；[D]為彈性矩陣（與材料性質有關）。

（4）計算結點等效荷載并求解。

4 有限元模型及荷載模型的建立

4.1 有限元模型的建立

根據渠道現場真實情況，建立有限元模型。模型采用彈性本構關系，渠道底板與渠基土，渠道側壁與回填砂礫石之間設置接觸單元（Contact Element）[5]；渠道兩側回填寬度4 m，為了建立與實際工況相符的模型，渠基土體為渠道底板以下6 m，有限元模型如圖1所示，分析渠道、渠基土受水荷載作用位移（D）與應力σ（Stress）。

圖1 有限元模型

4.2 荷載模型

為了充分分析渠道穿渠石油管線在最不利工況下渠基土體與渠道自身的變形，本模型將滿槽時渠道受到水壓力作用簡化為均布荷載，其中均布荷載的q=56 115 N/m作用于渠道底板結點單元上，其荷載作用下荷載模型如圖2所示。

圖2 荷載模型

5 研究結果

利用有限元軟件ADINA—Structure（結構）模塊對渠道在荷載作用下橫跨石油、天然氣管線時，渠道、地基土體及模型整體各方向的位移（Displacement）與應力σ（Stress）進行分析。

5.1 渠道σ（Stress）-ε（Displacement）關系分析

5.1.1 渠道底板中心處深度Z-位移D關系

通過數值模擬位移云圖及相關數值模擬結果可以得到以下結論：

（1）渠底深度0～0.5 m的范圍內，渠道襯砌豎向位移（Z-Displacement）Zmax=0.008 4 m，渠道襯砌水平向位移（X-Displacement）為Xmax=0.000 016 m。

（2）渠基豎向位移隨著深度的增加，變形減少，最大豎向位移（Z-Displacement）發生在襯砌底部。

（3）底板中心處深度Z與位移D關系曲線如圖3所示。

圖3 渠道底板中心點處位移D隨深度z變化關系圖

（4）根據《水工混凝土結構設計手冊》，受彎構件撓度限值flim=l0/500，其中l0=0.5×l=6.5 m，由此可得flim=6.5/500=0.013 m，而對于本模型：渠道襯砌最大變形為Zmax=0.008 2 m＜flim，滿足混凝土結構設計要求。

5.1.2 渠道底板中心處深度Z-應力σ關系

通過數值模擬應力σ（Stress）云圖及相關數值模擬結果可以得到以下結論：

（1）渠道襯砌豎向的最大壓應力（Z-Displacement）σZmax=0.5 MPa，而對于C25混凝土結果，查《水工混凝土結構設計手冊》可知其軸心抗壓強度[σ]=11.9 MPa，從而可以看出σZmax＜[σ]，滿足設計規范要求。

（2）通過整體模型應力σ（stress）變形結構可知，渠基土整體豎向應力發生在渠道底部6 m處，因為在此處設置了整體約束（all-fixed），所以此處應力較大，這與模型建立前結果相一致。

（3）底板中心處應力σ隨深度Z變化曲線如圖4所示。

圖4 渠道底板中心點處應力隨深度z變化關系圖

5.2 管線σ（Stress）-ε（Displacement）關系分析

5.2.1 管線位移（Displacement）結果分析

通過數值模擬位移（Displacement）云圖及相關數值模擬結果可以得到以下結論：

（1）管線的最大豎向位移（Displacement）Zmax=-0.004 8 m，發生在管線中心處，這是因為管線自身有一定的剛度，在上部荷載作用下，要去抵抗其上部荷載的變形，這與實際是相符合的。

（2）管線水平向變形較小（Displacement）Ymax=-0.000 003 6 m。

（3）管道長度-豎向、水平向位移關系圖，如圖5—圖6所示。

圖5 管線長度-豎向位移關系圖

圖6 管線長度-水平向位移關系圖

（4）根據《動力管道手冊》，其管道撓度限值flim=l0/600，其中l0=0.5×l=6.5 m，由此可得flim=6.5/600=0.011 m，而對于本模型來說：管道最大變形為zmax=0.004 8 m＜flim，滿足動力管道設計要求。

管線豎向（Z-Displacement）、水平向（Y-Displacement）位移變形云圖，如圖7—圖8所示。

圖7 管線豎向（Z-Displacement）位移變形云圖

圖8 管線水平向（Y-Displacement）位移變形云圖

5.2.2 管線應力σ（Stress）結果分析

管線豎向（σZ-Stress）應力云圖，如圖9所示。

圖9 管線豎向σz-Stress應力云圖

管線水平向（σY-Stress）應力云圖，如圖10所示。

圖10 管線水平向（σY-Stress）應力云圖

5.2.3 管線應力σ(Stress)結果分析

通過數值模擬應力σ(Stress)及相關數值模擬結果可以得到以下結論：

（1）管線底部受到上部荷載作用，豎向管線兩端處受拉應力較大，σ=0.83 MPa。

（2）Z管線長度-應力關系圖如圖11所示，統計表見表1。

圖11 管道長度-管道應力σ（Stress）關系圖

表1 管線長度-應力σ（Stress）關系表

續表1

6 結論

通過上述數值模擬分析，可以得出在上部荷載作用下渠道橫跨石油、天然氣管線的主要結論有：

（1）在上部荷載作用下（渠道滿槽運行時），渠道襯砌豎向位移（Z-Displacement）Zmax=0.008 4 m，發生在渠道襯砌底部中心處，這與實際相符，渠道受到水壓力與渠后填土的共同作用，在水重的影響下，底板中心處變形最大。

（2）渠基土體隨著深度的增加豎向位移（Z-Displacement）減小，且管道由于自身具有一定的剛度和抵抗能力，變形小。

（3）根據《水工混凝土結構設計手冊》，受彎構件撓度限值flim=l0/500，其中l0=0.5×l=6.5 m，由此可得flim=6.5/500=0.013 m，而對于本模型來說：渠道襯砌最大變形為Zmax=0.0082m＜flim，滿足混凝土結構設計要求。

（4）渠道襯砌豎向的最大壓應力（Z-Displacement）σZmax=0.028 MPa，而對于C25混凝土結果查《水工混凝土結構設計手冊》可知，其軸心抗壓強度[σ]=11.9MPa，從而可以看出σZmax＜[σ]，滿足設計規范要求。

（5）根據《動力管道手冊》，管道撓度限值fim=l0/600，其中l0=0.5×l=6.5m，由此可得flim=6.5/600=0.011m，而對于本模型來說：管道最大變形為Zmax=0.0048m＜flim，滿足動力管道設計要求。