，

(1．安徽省渦陽縣水務(wù)局，安徽 渦陽 233600；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009)

對于長距離管道的施工，往往需要穿跨越湖泊或河流，對穿跨越方案進(jìn)行比選，這是管道設(shè)計(jì)過程中需要預(yù)先考慮的問題[1]。隨著社會的發(fā)展，定向鉆技術(shù)憑借其施工周期短、工程造價(jià)低、破壞性小的特點(diǎn)，得到越來越廣泛地應(yīng)用[2][3]。與其他的施工技術(shù)類似，水平定向鉆穿越施工也是有風(fēng)險(xiǎn)的，尤其是水平定向鉆穿越對河堤的滲透破壞最引人關(guān)注[4]。目前，我國關(guān)于定向鉆穿越技術(shù)對河堤基礎(chǔ)的擾動影響研究還比較少。

滲透破壞的形成與發(fā)展，依賴于特定水文地質(zhì)條件下的地下水滲流場特征[5]，當(dāng)工程建設(shè)對堤身或堤基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部擾動時(shí)，將影響到地下水滲流場的分布特征[6]，由此，工程建設(shè)誘發(fā)滲透破壞可能性的分析就成為施工過程中不得不考慮的問題[7]。因而，在管線穿堤工程中，進(jìn)行水平定向鉆穿堤管線滲流安全研究具有十分重要的研究意義。

1 工程概況

安慶石化800萬 t/a煉化一體化配套成品油管道工程包括兩條輸油管線，管道全長520 km，入口設(shè)計(jì)輸量為410×104t/a，設(shè)計(jì)壓力為9.5 Mpa。

本論文研究該成品油管道穿越芡河的定向鉆穿堤工程，根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況，芡河水面較寬，為通航河道，考慮工期、投資、安全、維護(hù)及航運(yùn)等因素，采用水平定向鉆穿越，入土角度控制在8°～14°之間，出土角度一般控制在4°～8°之間，水平穿越芡河長度約2 500。

1.1 管道穿越設(shè)計(jì)參數(shù)

管道穿越芡河主要的參數(shù)設(shè)計(jì)值見表1。

表1 定向鉆穿越河流參數(shù)值

1.2 穿越點(diǎn)地理位置

穿越的芡河區(qū)域位于蚌埠市懷遠(yuǎn)縣荊芡鄉(xiāng)石山村與尤村之間，北側(cè)為尤村，南側(cè)為石山村，南距找郢鎮(zhèn)直線距離2.6 km，東北距懷遠(yuǎn)縣直線距離11 km。管道入土點(diǎn)位于芡南圩，大地坐標(biāo)為X=3 646 491.525，Y=506 370.635；管道出土點(diǎn)位于芡北圩，大地坐標(biāo)為X=3 648 955.865，Y=506 518.897。

芡河兩側(cè)均有堤壩道路，路寬5～7 m左右，南側(cè)堤壩道路向南1 km可通至懷遠(yuǎn)縣S307省道，北側(cè)堤壩道路可通至村村通公路，道路暢通，交通條件良好。研究區(qū)域地形較平坦，施工條件良好。成品油管道工程懷遠(yuǎn)縣境內(nèi)穿越芡河如圖1所示。

圖1 安慶石化成品油管道懷遠(yuǎn)境內(nèi)穿越芡河位置圖

1.3 場地地層巖性特征

勘探結(jié)果揭露地層除人工填土外均為第四系河湖相沉積和殘積的粘性土、粉性土、礫砂、碎石土。根據(jù)野外鉆探，對比室內(nèi)土工試驗(yàn)資料，工程處地層劃分及地基構(gòu)成與特征見表2所示。

根據(jù)現(xiàn)場揭露的地層情況，場地范圍內(nèi)主要土層為粉土、粉質(zhì)黏土。設(shè)計(jì)以②、⑦層粉質(zhì)黏土為管道主要鋪設(shè)層。

2 滲流分析

利用Moldflow模擬汛期遭遇洪水時(shí)河道周圍的地下水滲流場，分析地下水非穩(wěn)定滲流過程以及非穩(wěn)定流場的數(shù)學(xué)與物理特征。并基于以上模擬，根據(jù)地下水流場中地下水最大滲流速度，結(jié)合研究區(qū)的的工程地質(zhì)條件，判斷最大滲流速度對地層中松散顆粒的擾動影響，進(jìn)而對管線穿越工程誘發(fā)河堤發(fā)生滲流破壞的風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行定量分析與研究。

表2 芡河段地基構(gòu)成與特征表

對條件進(jìn)行如下概化：(1)校核洪水位取20 a設(shè)計(jì)洪水位加高1 m，堤岸虛擬加高；(2)研究范圍在平面上，以管線穿越施工段為中心，取1 000 m×1 000 m的區(qū)域；(3)穿越河道周圍地層，按非均質(zhì)各向同性處理；(4)河床厚度，按被沖刷0.31 m后的厚度計(jì)算；對于經(jīng)洪水沖刷后的河床，其垂向滲透系數(shù)與水平滲透系數(shù)相同。

2.1 水文地質(zhì)概念模型

數(shù)值模擬采用解法為有限差分法。為了能夠更加全面地掌握研究區(qū)域地下水水位動態(tài)變化情況，真實(shí)地反映研究區(qū)域的水文地質(zhì)特征，以工程段地附近1 000 m的區(qū)域內(nèi)作為研究區(qū)域。研究范圍南北跨度1 000 m，東西跨度2 800 m。整個(gè)研究范圍劃分為10 m×20 m的網(wǎng)格，具體網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 計(jì)算區(qū)平面網(wǎng)格剖分圖

數(shù)值模型主要是模擬在定向鉆管線鋪設(shè)好以后，遭遇設(shè)計(jì)洪水的情況下沿管道壁地下水的水力坡降，預(yù)測土層被擾動的風(fēng)險(xiǎn)性，分析河床的穩(wěn)定性。模擬地下水運(yùn)動的地層主要是潛水層、微承壓層，根據(jù)地質(zhì)鉆探資料，將地層分為四層。

定向鉆穿堤管線的管道在河流底部是彎曲前進(jìn)的，為了便于模型能夠更好地反映實(shí)際情況，將地層進(jìn)行細(xì)分，管道穿過的區(qū)域的滲透系數(shù)定為其他范圍的1.5倍。具體地層分布見圖3。

圖3 計(jì)算區(qū)垂向網(wǎng)格剖分圖

依據(jù)鉆探資料確定的地層巖性，擬定經(jīng)驗(yàn)地層的經(jīng)驗(yàn)水文地質(zhì)參數(shù)，再根據(jù)鉆探過程中觀測的水位資料，經(jīng)過反演調(diào)參數(shù)，確定地層水文地質(zhì)參數(shù)見表3。

表3 模型地層參數(shù)表

2.2 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)水文地質(zhì)概念模型，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型：

(1)

式中：Kxx、Kyy、Kzz：滲透系數(shù)在x，y，z方向的分量(假定滲透系數(shù)主軸方向與坐標(biāo)軸的方向一致)；H為水頭；W為單位體積流量；μ為給水度；H0為初始水位；H1為計(jì)算時(shí)段內(nèi)邊界處的地下水水位；t為時(shí)間；D為計(jì)算區(qū)范圍；г1為一類邊界。

2.3 水力坡度計(jì)算

在進(jìn)行模型識別和參數(shù)識別后，進(jìn)行地下水運(yùn)動模擬，模擬時(shí)間段為三個(gè)月。參照數(shù)學(xué)模型和模型的解法進(jìn)行滲流分析計(jì)算，通過模型模擬流場計(jì)算得到滲流場中地下水滲流最大水力坡降Jmax為0.056。地下水流場分布見圖4和圖5。

圖4 流場分布剖面圖

圖5 流場分布平面圖

2.4 滲流安全研究

對于芡河穿越工程，管線穿越所經(jīng)過的土層的滲透變形屬流土型，臨界水力比降與允許水力坡度通過以下方法計(jì)算：

1) 臨界水力比降計(jì)算公式：

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

(2)

式中：Jcr為土的臨界水力比降；Gs為土的顆粒密度與水的密度之比；n為土的孔隙率(%)。

2)允許水力坡降計(jì)算公式：

J允=Jcr/K

(3)

式中：J允為允許水力坡降；K為安全系數(shù)，一般為2.0～2.5，取2.5。

則：

Jcr=(2.6-1)×(1-0.4)=0.96

J允=0.96/2.5=0.384

最大水力坡降與允許水力坡降對比情況見表4。

表4 芡河道最大水力坡降與允許水力坡降對比表

3 結(jié)語

由土的滲透變形判別計(jì)算公式，計(jì)算得到了不造成破壞性滲流的最大水力坡降，即允許水力坡降J允。由于滲流場中最大水力坡降Jmax遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于允許水力坡降J允，說明地下水流場中的最大水力坡降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于能夠擾動沙粒所需要的最小水力坡降。因此，汛期洪水引起芡河河床沖刷而發(fā)生滲流破壞的風(fēng)險(xiǎn)性非常小，水平定向鉆穿越芡河的工程在汛期不會引起滲流安全問題。