定向钻穿越河道的三维渗流稳定仿真分析

2020-04-03李炳华魏文强

绿色环保建材 2020年3期

李炳华魏文强周健张峰

1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司；2.南京市水利规划设计院股份有限公司；3.河海大学力学与材料学院

1 引言

管道穿越河道工程有多种施工方式，目前常用的施工方式主要有三种[1]：（1）明沟法，（2）钻孔或顶进法，（3）隧道法。3种施工方法有各自的优缺点，在比较大型河流穿越工程中，明沟法很难保证管道埋置于足够的深度，而顶进法只适用于较短的距离，隧道法最明显的缺点是投资大、工期长。

相对与其他穿越施工方法，定向钻穿越技术具有明显的优势：埋置深度大、工期比较短、人工节省多、占用土地少、投资造价省、河道通航影响小等。

定向钻穿越的施工程序是，先用定向钻机钻导向孔，然后连接扩孔器回拖扩孔，当孔径达到一定尺寸时，最后扩孔器后连接穿越管段前进，管道完成敷设[2]。

管道的穿越会对堤防的渗流产生影响，穿越造成管道周边与土层之间易产生接触渗流，故对定向钻穿越河流进行渗流分析是必要的，相应工程的洪评报告中都会有计算和措施内容[3-4]。

本文以安徽地区某成品油管道定向钻穿越河道工程为背景，进行渗流稳定分析，为类似工程的计算提供一些有益参考。

该穿越工程经方案比选后采用定向钻法穿越，从河道右岸入土，左岸出土距离河道岸顶118m，出土角度14°，右岸入土距离河道岸顶178m入土角度12°。穿越长度325m，穿越段管道规格为Ф273.1×7.9 L360m 直缝高频焊钢管，同沟敷设光缆套管。穿越处现状左、右岸岸顶高程均为36.0m，两岸均为农田岗地。根据钻探成果，勘探深度范围内的地层，从上至下共分为3层，分别为①层粘土层夹少量淤泥质粘土；②层粉质黏土；③层强风化砂岩。

2 有限元渗流计算

三维稳定渗流的基本微分方程为[5]：

式中：

h——为水头函数；

kx、ky、kz——是x、y、z方向的渗透系数。

对于稳定渗流场，需满足下列二类边界条件：

第一类边界上水头是已知的，即

在第二类边界上流量等于零，即：

由于渗流自由面是流面，没有流量从该面流入或流出，故在渗流自由面上除需满足上式外，同时还需满足自由面上任一点水头h等于该点的位置高度z，即h=z。

有限元法即把微分方程和边界条件按变分原理转变为一个泛函求极值的问题。首先把连续体或研究域离散划分成有限个单元体，然后形成代数方程组，在计算机上求解。

求解渗流场中水头函数H的方程一般形式为：

式中：

[K]——为渗透矩阵；

{H}——为未知待求的水头列向量；

{f}——为自由项列向量。详细有限元求解渗流场的过程可参考文献[6]。

3 计算模型及参数

对于定向钻穿越河道，如采取二维平面渗流计算，则存在断面是否剖至顶线钻管道轴线的问题：若未剖至顶线钻轴线断面，则计算为定向钻之前原河道剖面，无法体现管道对河道堤防的影响；若剖至定向钻断面，则该断面未必能反应工程场地的实际情况，故本文采用三维计算。

考虑到管道周边与土层之间易产生接触渗流及施工对管道周围附近土层产生一定的扰动，本处计算在管道周围0.5m范围内设置一圈扰动层，为方便计算比较，该区域的渗透系数在原渗透系数的基础上增大1-2个数量级。使用河海大学Autobank软件进行建模及网格划分，模型如图1 和图2 所示，单元数为321513（空间四面体单元），结点数位63588。