水平定向钻穿越芡河渗流稳定研究

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(1．安徽省涡阳县水务局，安徽 涡阳 233600；2.合肥工业大学，安徽 合肥 230009)

对于长距离管道的施工，往往需要穿跨越湖泊或河流，对穿跨越方案进行比选，这是管道设计过程中需要预先考虑的问题[1]。随着社会的发展，定向钻技术凭借其施工周期短、工程造价低、破坏性小的特点，得到越来越广泛地应用[2][3]。与其他的施工技术类似，水平定向钻穿越施工也是有风险的，尤其是水平定向钻穿越对河堤的渗透破坏最引人关注[4]。目前，我国关于定向钻穿越技术对河堤基础的扰动影响研究还比较少。

渗透破坏的形成与发展，依赖于特定水文地质条件下的地下水渗流场特征[5]，当工程建设对堤身或堤基结构产生局部扰动时，将影响到地下水渗流场的分布特征[6]，由此，工程建设诱发渗透破坏可能性的分析就成为施工过程中不得不考虑的问题[7]。因而，在管线穿堤工程中，进行水平定向钻穿堤管线渗流安全研究具有十分重要的研究意义。

1 工程概况

安庆石化800万 t/a炼化一体化配套成品油管道工程包括两条输油管线，管道全长520 km，入口设计输量为410×104t/a，设计压力为9.5 Mpa。

本论文研究该成品油管道穿越芡河的定向钻穿堤工程，根据现场踏勘情况，芡河水面较宽，为通航河道，考虑工期、投资、安全、维护及航运等因素，采用水平定向钻穿越，入土角度控制在8°～14°之间，出土角度一般控制在4°～8°之间，水平穿越芡河长度约2 500。

1.1 管道穿越设计参数

管道穿越芡河主要的参数设计值见表1。

表1 定向钻穿越河流参数值

1.2 穿越点地理位置

穿越的芡河区域位于蚌埠市怀远县荆芡乡石山村与尤村之间，北侧为尤村，南侧为石山村，南距找郢镇直线距离2.6 km，东北距怀远县直线距离11 km。管道入土点位于芡南圩，大地坐标为X=3 646 491.525，Y=506 370.635；管道出土点位于芡北圩，大地坐标为X=3 648 955.865，Y=506 518.897。

芡河两侧均有堤坝道路，路宽5～7 m左右，南侧堤坝道路向南1 km可通至怀远县S307省道，北侧堤坝道路可通至村村通公路，道路畅通，交通条件良好。研究区域地形较平坦，施工条件良好。成品油管道工程怀远县境内穿越芡河如图1所示。

图1 安庆石化成品油管道怀远境内穿越芡河位置图

1.3 场地地层岩性特征

勘探结果揭露地层除人工填土外均为第四系河湖相沉积和残积的粘性土、粉性土、砾砂、碎石土。根据野外钻探，对比室内土工试验资料，工程处地层划分及地基构成与特征见表2所示。

根据现场揭露的地层情况，场地范围内主要土层为粉土、粉质黏土。设计以②、⑦层粉质黏土为管道主要铺设层。

2 渗流分析

利用Moldflow模拟汛期遭遇洪水时河道周围的地下水渗流场，分析地下水非稳定渗流过程以及非稳定流场的数学与物理特征。并基于以上模拟，根据地下水流场中地下水最大渗流速度，结合研究区的的工程地质条件，判断最大渗流速度对地层中松散颗粒的扰动影响，进而对管线穿越工程诱发河堤发生渗流破坏的风险性进行定量分析与研究。

表2 芡河段地基构成与特征表

对条件进行如下概化：(1)校核洪水位取20 a设计洪水位加高1 m，堤岸虚拟加高；(2)研究范围在平面上，以管线穿越施工段为中心，取1 000 m×1 000 m的区域；(3)穿越河道周围地层，按非均质各向同性处理；(4)河床厚度，按被冲刷0.31 m后的厚度计算；对于经洪水冲刷后的河床，其垂向渗透系数与水平渗透系数相同。

2.1 水文地质概念模型

数值模拟采用解法为有限差分法。为了能够更加全面地掌握研究区域地下水水位动态变化情况，真实地反映研究区域的水文地质特征，以工程段地附近1 000 m的区域内作为研究区域。研究范围南北跨度1 000 m，东西跨度2 800 m。整个研究范围划分为10 m×20 m的网格，具体网格划分如图2所示。

图2 计算区平面网格剖分图

数值模型主要是模拟在定向钻管线铺设好以后，遭遇设计洪水的情况下沿管道壁地下水的水力坡降，预测土层被扰动的风险性，分析河床的稳定性。模拟地下水运动的地层主要是潜水层、微承压层，根据地质钻探资料，将地层分为四层。

定向钻穿堤管线的管道在河流底部是弯曲前进的，为了便于模型能够更好地反映实际情况，将地层进行细分，管道穿过的区域的渗透系数定为其他范围的1.5倍。具体地层分布见图3。

图3 计算区垂向网格剖分图

依据钻探资料确定的地层岩性，拟定经验地层的经验水文地质参数，再根据钻探过程中观测的水位资料，经过反演调参数，确定地层水文地质参数见表3。

表3 模型地层参数表

2.2 数学模型

依据水文地质概念模型，建立相应的数学模型：

(1)

式中：Kxx、Kyy、Kzz：渗透系数在x，y，z方向的分量(假定渗透系数主轴方向与坐标轴的方向一致)；H为水头；W为单位体积流量；μ为给水度；H0为初始水位；H1为计算时段内边界处的地下水水位；t为时间；D为计算区范围；г1为一类边界。

2.3 水力坡度计算

在进行模型识别和参数识别后，进行地下水运动模拟，模拟时间段为三个月。参照数学模型和模型的解法进行渗流分析计算，通过模型模拟流场计算得到渗流场中地下水渗流最大水力坡降Jmax为0.056。地下水流场分布见图4和图5。

图4 流场分布剖面图

图5 流场分布平面图

2.4 渗流安全研究

对于芡河穿越工程，管线穿越所经过的土层的渗透变形属流土型，临界水力比降与允许水力坡度通过以下方法计算：

1) 临界水力比降计算公式：

Jcr=(Gs-1)(1-n)

(2)

式中：Jcr为土的临界水力比降；Gs为土的颗粒密度与水的密度之比；n为土的孔隙率(%)。

2)允许水力坡降计算公式：

J允=Jcr/K

(3)

式中：J允为允许水力坡降；K为安全系数，一般为2.0～2.5，取2.5。

则：

Jcr=(2.6-1)×(1-0.4)=0.96

J允=0.96/2.5=0.384

最大水力坡降与允许水力坡降对比情况见表4。

表4 芡河道最大水力坡降与允许水力坡降对比表

3 结语

由土的渗透变形判别计算公式，计算得到了不造成破坏性渗流的最大水力坡降，即允许水力坡降J允。由于渗流场中最大水力坡降Jmax远远小于允许水力坡降J允，说明地下水流场中的最大水力坡降远远小于能够扰动沙粒所需要的最小水力坡降。因此，汛期洪水引起芡河河床冲刷而发生渗流破坏的风险性非常小，水平定向钻穿越芡河的工程在汛期不会引起渗流安全问题。