王 显

(沧州水利勘测规划设计院有限公司,河北 沧州 061000)

0 引 言

在长距离调水工程中,穿越河谷和建筑物不可避免。水平定向钻属于非开挖技术施工的一种,适用于粉土、黏土、砂土等多种地况[1]。定向钻技术最早出现于20世纪70年代,属于油田钻井技术和传统公路打眼技术的结合,目前已经被广泛应用于石油管道、天然气管道、输水管道以及电力光缆管道等非开挖管道施工领域,不仅可以用于河流、沟渠、湖泊、水库等水域,还可应用于交通道路、海岸、岛屿以及建筑密集区的穿越[2]。但是水平定向钻穿越仍受埋深和泥浆压力等因素控制,引起如地表沉隆变形、冒浆和水力压裂、孔洞坍塌等问题,甚至可能在扩孔结束后,形成不规则孔洞,造成超出设计预期的位移变化。国内外诸多学者和工程技术人员在该领域进行了广泛而深入的研究。从目前的研究现状来看,主要集中于钻具和钻机设计影响[3]、泥浆压力影响[4]、成孔不规则现象等方面。也有部分学者针对定向钻穿越河谷问题进行研究,但主要集中于渗流和滑坡稳定性[5]、孔洞和管道尺寸[6]影响等方面,针对入土角度、出土角度和埋深等施工参数影响的研究不多。在实际定向钻施工过程中,采用合理的工程设计参数,可以使管道有合理的受力状态,具有重要的理论意义和工程价值。本文以河北省保定市满城区方顺桥2号主干线采用定向钻穿越龙泉河主槽工程为背景,探讨和分析入土角度、出土角度和埋深3个施工参数对管道力学性能的影响,为工程设计和理论研究提供借鉴。

1 工程背景

河北省属典型的资源型缺水省份,随着南水北调等跨流域调水工程的实施,引调外来水置换部分地下水,对地下水的超采综合治理、改善地下水环境具有重要意义。满城区现辖11个乡镇,共183个行政村,6个社区居委会。农村村内大部分采用自备井供水,部分采用集中供水。根据冀水超采治理办〔2020〕14 号《关于加快推进农村生活水源江水置换工作的通知》文件要求,满城区所有南水北调工程受水区范围内的农村生活水源需在2022年以前全部完成江水置换。满城区2021～2022年农村生活水源江水置换工程项目中,方顺桥2号主干线采用定向钻方式穿越龙泉河主槽,穿越段管材采用DN200 HDPE管,管道与龙泉河主槽交角82°。入钻点距离龙泉河主槽 82.6 m,出钻点距离龙泉河左堤内堤脚198.6 m。

2 计算模型与方法

2.1 有限元计算模型构建

FLAC3D软件是由美国Itasca公司针对岩土力学计算分析而专门研发的一款大型有限元软件。该软件主要采用混合-离散分区技术和显式拉格朗日算法,具有强大的非线性动力分析功能,可以对连续三维介质达到平衡状态时的力学特征进行准确模拟,因此被广泛应用于边坡稳定性评价、支护设计、隧道工程等多个领域[7]。此次研究利用FLAC3D软件进行工程的模型构建。

研究中对满城区2021～2022年农村生活水源江水置换工程项目方顺桥2号主干线采用定向钻方式穿越龙泉河主槽段进行模拟,根据穿越扩孔要求,取管径的1.5倍并取整,确定最终扩孔洞径为300 mm[8]。在模拟计算过程中,主要考虑自重、静水压力和维持孔洞稳定的泥浆压力[9]。将河道内的水流方向设定为模型的X轴正方向,与钻进方向基本一致且与X轴垂直的方向为Y轴正方向;以数值向上的方向为Z轴正方向。考虑到模型边界效应的影响,将模型X,Y,Z轴尺寸设定为20 m×145 m×35 m。利用六面体八节点单元对构建的几何模型进行网格剖分,最终获得99 705个网格单元,112 250个节点,有限元模型示意如图1所示。

图1 有限元模型示意

2.2 边界条件与模型参数

参考类似研究,在数值模拟计算过程中忽略模型外部土体的位移[10]。假设:钻进泥浆保持静止状态;施工中形成的泥饼与土体材料特征一致;泥浆压力的形成模式完全相同。由于项目区的地下水埋深在37～41 m左右,远低于施工深度,因此不考虑地下水对施工的影响,并假设土体为均质的各向同性材料[11]。由于施工地层为典型的黏土层,以摩尔-库伦本构模型为计算模型[12]。将模型的上表面设置为自由边界条件,模型的四周设置水平约束边界条件,模型的底部设置为固定约束边界条件。结合工程地质勘查结果和相关研究经验,确定如表1所示的模型材料物理力学参数。

表1 模型材料物理力学参数

2.3 计算方案

影响穿越河槽定向钻施工效果的因素较多,此次研究主要选择入土角度、出土角度和管顶埋深3个主要参数进行优化分析[13]。目前没有关于输水管道定向钻入土角度和出土角度的施工规范,因此在研究中参照GB 50423-2013《油气输送管道穿越工程设计规范》中的相关要求,定向钻敷设穿越管段入土角宜采用 6°～20°,出土角宜采用 4°～15°。因此,模拟计算中设置6°,9°,12°,15°,18°,21°等6种不同的入土角度;设置4°,6°,8°,10°,12°,14°等6种不同的出土角度。根据冀水河湖〔2021〕34 号《河北省河道管理范围内建设项目防洪评价技术审查规定》,建设项目采用定向钻、盾构方式穿越河道主槽管顶埋深应在最低冲刷线6 m以下,结合工程实际,特别是穿越段曲率半径的要求,设置6,8,10,12,14 m和16 m等6种不同的埋深进行计算。为了减小计算分析工作量,计算中采用固定2个参数,计算第3个参数影响的方式展开,最终获取最佳的参数组合和最佳设计方案。

3 计算结果与分析

3.1 入土角度

研究中保持出土角度为10°、埋深为10 m,对不同入土角度方案下的管道综合应力、接触应力、接触压力以及回拖力进行模拟计算,结果如表2所示。从计算结果可知,随着管道入土角度的不断增大,定向穿越下回拖管的力学性能呈现出较显著的非线性变化特点,其变化特征适合利用高阶多项式进行拟合与描述。这种非线性的变化特点对优化研究十分不利,因此,入土角度的选择需要考虑较多的因素才能最终确定。根据表中的数据,综合考虑应力、接触应力和回拖力等多种因素的影响,入土角度为12°时的综合力学性能最佳,因此12°为最佳入土角度。

表2 不同入土角力学性能计算结果

3.2 出土角度

研究中保持入土角度为12°、埋深为10 m,对不同出土角度方案下管道的综合应力、接触应力、接触压力以及回拖力进行模拟计算,结果如表3所示。从计算结果可知,与入土角度不同,在出土角度不断增加的情况下,定向穿越下回拖管袋的力学性能变化特征较简单。除了出土角度为8°的最大接触压力之外,最大应力、最大接触应力、最大接触压力以及回拖力均随着出土角度的增大而增大。这主要是因为出土角度的增大会导致管道曲率半径减小,因此在管道中部会产生较为显著的应力集中现象,应力向管道两端逐渐减小。入土角度越大,上述变化越剧烈,管道的应力值增加更为显著。同时,出土角度小于10°时的增加速率相对较小,出土角度大于10°时的增加速率相对较大。考虑到出土角度较小时不利于增加河槽底部的埋深,因此最佳出土角度应为10°。

表3 不同出土角力学性能计算结果

3.3 埋 深

研究中保持入土角度为12°、出土角度为10°,对不同入土角度方案下管道的综合应力、接触应力、接触压力以及回拖力进行模拟计算,结果如表4所示。从计算结果可以看出,与出土角度类似,在埋深不断增加的情况下,定向穿越下回拖管袋的力学性能变化特征较简单,最大应力、最大接触应力、最大接触压力以及回拖力均随着埋深的增大而增大。主要是因为埋深和出土角度类似,其增大会导致管道曲率半径减小,在管道中部产生显著的应力集中现象,且应力向管道两端逐渐减小,因此导致管道的应力值增加更为显著。当埋深小于12 m时的增加速率相对较小,当埋深大于12 m时的增加速率相对较大。考虑到河槽部位管道的埋深越大,越有利于工程的安全性和耐久性,因此推荐采用12 m的埋深。

表4 不同埋深力学性能计算结果

4 结 论

本次研究利用数值模拟计算的方式,探讨了工程设计参数对输水管道定向穿越河槽力学性能的影响,获得的主要结论如下:① 定向穿越下回拖管袋的力学性能随着入土角度的增大呈现出非线性变化特点,综合考虑各种因素,最佳入土角度为12°;② 定向穿越下回拖管袋的力学性能随着出土角度的增大呈现出不断增大的变化特点,最佳出土角度为10°;③ 定向穿越下回拖管袋的力学性能随着埋深的增大呈现出不断增大的变化特点,最佳埋深为12 m。