基于水平定向鉆施工對堤防安全穩定影響的多因素綜合分析

楊杰

（中國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，簡稱HDD)埋管技術是20 世紀70 年代從石油和天然氣工業引入的非開挖(鉆孔)敷設管線技術。與傳統的開挖或高架跨越敷設管線方式相比，該技術為解決油、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濟、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點，已為全球管線、管網基礎設施建設做出了重要的貢獻。隨著我國社會和經濟的發展，管線穿越工程建設數量日益增多，采用大管徑敷設的現象也頻繁顯現。在水利行業，涉及管線穿越河道、堤防的建設項目亦與日俱增，并呈現出快速增長的勢頭。在磨子峪水庫除險加固工程中，水平定向鉆孔技術就較好地解決了新建輸水涵管的難題。據統計，2016 年光江蘇省定向鉆穿越河道達200 余處。隨著施工機械、施工材料以及信息化施工管理技術的發展，并歷經近半個世紀的工程應用，水平定向鉆埋管施工技術本身在鉆機功率和效率、管線定位、護壁泥漿的環保性能、管徑尺寸、穿越長度、埋管深度等方面已取得了長足的進展，并已漸趨成為一項成熟的先進實用技術。但是，其施工過程中采用增壓泥漿護壁和擴孔埋管對地基及建(構)筑物應力、變形和穩定性所造成的影響，卻鮮見有研究報道，可資借鑒的研究成果并不多見。同時，隨著管徑的增大、施工項目的增多，一些工程事故卻時有發生。比如，2016年4月儀征－長嶺原油管道復線工程在定向鉆穿越南京市浦口區永寧河施工過程中就曾出現過河底和堤防背水坡時冒漿、堤防沉降、混凝土護坡開裂損壞等現象。而這類事故，對于保障防洪安全、保護人民生命和財產安全的堤防工程而言，是必須杜絕的。因此，科學分析和評價水平定向鉆埋管技術對堤防安全的作用影響是水利技術人員和管理人員當前和今后都迫切需要攻克的技術難題，是提升水平定向鉆埋管這一先進技術在堤防工程中的應用水平迫切需要解決的重要環節。本文基于Bishop 堤防穩定計算公式，提出一套適用于水平定向鉆穿堤穩定分析的修正公式，自編程序實現其計算功能。結合南京市某給水管埋設工程，重點分析水平定向鉆擴孔施工工藝對堤防穩定的影響。分析潛在滑弧因擴孔而發生的變化規律，及擴孔過程對堤防穩定的影響。從水平定向鉆管線施工設計方面進行堤防穩定敏感性分析。相關成果可為水利行業防洪減災與工程管理，以及水利行業與其他行業涉及管線工程的交叉規劃與建設提供重要技術基礎和依據。

一、基于FLAC3D 軟件的強度折減法

FLAC3D 軟件是研究連續三維介質達到平衡狀態或塑性流動狀態時的力學行為的快速有限差分數值分析軟件。該軟件采用顯式拉格朗日法及混合離散單元劃分技術，能夠精確地模擬材料的塑性流動和破壞，對靜態系統模型也采用動態方程來進行求解。而且通過FLAC3D 程序自帶的FISH 語言，用戶可以自己定義任何復雜的模型和本構關系以及根據自己的需要精確地控制計算過程。和其他有限元程序相比，FLAC3D 程序具有速度快、易收斂的特點，適用于非線性、大變形問題。

（一）強度折減法

在工程邊坡穩定性安全系數計算中，通常采用的是強度儲備安全系數。其計算方法被稱為強度折減法，通過不斷折減已知滑動面的相關抗剪強度指標尋找邊坡破壞的極限狀態，當達到邊坡臨界穩定狀態時的折減系數K 即為此邊坡的安全系數。安全系數定義如下:

式中:C，φ 為原狀土體強度摩爾－庫侖參數;C＇，φ＇為折減后土體強度摩爾－庫侖參數。

（二）安全系數自動搜索程序設計

本文采用的安全系數自動化搜索計算程序是由FLAC3D 軟件內嵌的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，擴大了FLAC3D軟件計算的應用范圍，并使數值計算增加了人性化設置功能。因此，從建模到計算的整個過程，都可以通過FISH 語言編程實現。其中相關模型命令流和計算命令流，可將生成模型的重要研究因素設置成變量，根據研究的需要快速生成相應模型文件，不僅極大地減少了后期研究不同坡形設計的建模工作量，還提高了坡形設計研究的工作效率。安全系數搜索計算程序主要思路為:初步確定所求安全系數的大致范圍K ∈［Ka，Kb］，Ka ＜Kb，在此范圍內取中值Kc 對折減系數進行快速搜索，經過收斂標準的判斷后，以它們的平均值K 作為折減系數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，找到一個最接近理想值的折減系數，即為所求安全系數。當小于不平衡力比率時停止計算，可認為滿足收斂標準，則Ka 被K 取代，Kb 不變;若在計算到規定的時步后仍未停止計算可認為未達收斂標準，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 ＜設定比率Pk(默認為1e－5)，所得平均值K 即為所求安全系數。實現過程見圖1。

二、基于水平定向鉆施工對堤防安全穩定影響分析

（一）埋深的影響分析

基于水平定向鉆7 次擴孔至1300 后的施工狀態，假定左岸邊坡為管線穿入側，即模型計算入土角為8°，堤防為原設計狀態。分別計算了埋深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，水平定向鉆施工對堤防安全穩定的影響(見圖2)。可知:隨著埋深的增加，堤防的安全系數也隨之增加，且近似為線性變化，并有向原堤防安全系數值逼近的趨勢，說明隧道埋深越深，水平定向鉆穿越管線施工對堤防安全穩定的影響越小。當埋深超過約12 倍洞徑時，其影響可忽略不計。

（二）水平定向鉆穿越過程對堤防安全系數的影響

總結水平定向鉆在穿越堤防時，不同鉆進位置及擴孔次數對堤防安全系數的影響均不相同，繪制其影響相對關系曲線詳見圖3，具體安全系數值詳見表1。當水平定向鉆從堤身往河中央方向穿越時，管道穿越對堤防地基擠壓作用會導致堤防邊坡產生一個向下滑動的附加推力，從而降低堤防邊坡的安全穩定性。從計算表中可以看出，當水平定向鉆穿越至坡頂位置時，對堤防安全穩定性的影響較小;繼續穿越時，對堤防安全穩定性的影響逐漸顯示出來，每次擴孔至完成穿越后堤防邊坡安全穩定性系數均有所降低，直至完成6 次擴孔后，堤防安全系數由原始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，堤防安全系數在施工過程中呈現忽高忽低的變化規律，但總體變化趨勢是下降的。可知水平定向鉆對堤防安全穩定的影響存在一個最不利的位置及一個最不利擴孔過程。在每次擴孔過程中，最不利的位置大約為坡中央至坡腳之間，堤防安全系數下降幅度最大;并且在第四次、第五次、第六次擴孔過程中，堤防安全系數下降幅度較大，其中第六次擴孔過程為最不利擴孔過程。因此，水平定向鉆穿越施工至該區域需要加強監測，進行信息化施工以便及時調整水平定向鉆施工控制參數。

表2 水平定向鉆穿越過程對堤防邊坡安全穩定性的影響

（三）管線直徑的影響分析

為較清晰體現水平定向鉆穿越管線直徑對堤防安全穩定的影響，本次計算選取管線埋深為3m，假定左岸邊坡為管線穿入側，即模型計算入土角為8°，堤防為原設計狀態。相應計算穿越管線直徑分別為500，800，1000，1200，1500mm 時的堤防安全穩定性，計算結果如圖4 所示。由圖4 可知，當僅改變水平定向鉆穿越管線直徑時，隨著管線直徑的增加，堤防的安全系數隨之降低，說明水平定向鉆穿越管線直徑越大，對堤防的安全穩定的影響越大，且其近似呈線性變化。

結語

采用FLAC3D 進行水平定向鉆穿越軟土堤防的影響分析時，模型尺寸對計算結果精度具有一定影響，且在存在軟土層堤防安全穩定計算中，其影響將更為突出。經分析得，模型邊界為坡高至少3 倍時，計算精度可達到設計要求。通過對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，進而管壁與土體的摩擦力也隨著增大，導致傳導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定性;當水平定向鉆埋深達到6.0m 或者達到管徑的4 倍左右時，其施工對堤防的影響基本上可以忽略不計;當穿越管道埋深較淺時，對堤防的安全穩定性會造成一定的影響，當坡比較陡時水平定向鉆的施工對堤防穩定的影響將更為顯著。鑒于水平定向鉆施工對于邊坡穩定性的影響因素種類非常多，且各因素之間的作用關系也是極為復雜，本文的研究工作還有許多不完善的地方，許多問題還需要進一步的研究和探索。尤其在完善邊坡計算模型概化標準方面，目前許多邊坡的影響因素分析不夠全面，概化的計算模型也沒一個統一的標準，完全處于經驗分析狀態。如何準確地確定及區分其主要及次要因素，建立一套統一的判別標準及模型概化標準，還需做進一步的研究。通過模擬水平定向鉆穿越、擴孔等特有施工工藝的計算分析，可以得出該施工過程對堤防安全穩定性最為不利的施工位置位于堤防邊坡的中央至坡腳，為了減少對堤防的影響，如需要對堤防進行加固時，可考慮在此區域的合適位置進行加固。并且每次擴孔至完成穿越后堤防邊坡安全穩定性系數均有所降低，直至完成6 次擴孔后，由于水平定向鉆邊穿越邊噴漿固壁的施工過程，堤防安全系數在施工過程中呈現忽高忽低的變化規律，但總體變化趨勢呈下降規律。