Midas GTS在天然气处理厂建设中的应用

杨国辉，肖建坤，胡庆国，杨泽亮，李卫东

中国石油管道局工程有限公司天津分公司，天津 300457

巴基斯坦国家油气开发公司拟在那什帕油田建设井口、油气集输系统和一座大型天然气处理厂，此项工程对解决周围地区油气供应紧张起着重要作用。本项目中的天然气处理厂计划在已建站的基础上进行扩建，扩建后场区南侧需要进行边坡设计。笔者通过使用边坡分析软件成功计算出安全系数，确定了边坡稳定状态。

1 工程概况

拟建天然气处理厂位于坡地上，地形总体为南高北低走势。为充分利用厂区内的空地，需考虑在厂区内设置四个台阶并在南侧设置一处挖方边坡。拟建的挖方边坡高约6.37 m，坡长101.5 m，坡率为1∶1，坡顶外侧为已建围栏，坡底为新建工艺装置区。

1.1 地质条件及力学参数

根据详细地质勘察报告资料显示，自然地面以下10 m范围内地层土质均为黏土，呈坚硬、棕色、密实状态。相关物理试验结果见表1。

表1 土层相关物理力学参数

1.2 边坡分析的工具

Midas GTS软件适用于岩土工程施工阶段模拟、边坡稳定分析等，在国内已成功应用于建筑、桥梁等各种领域，本文将使用此软件模拟边坡在多种工况下的受力及变形情况；软件本身具有多种本构模型，同时也支持用户进行自定义，后期结果可以生成剖面图、表格和计算书等资料。

2 模型的建立

边坡岩土体采用修正的莫尔-库仑模型，用于等代边坡的本构模型。模型采用实体单元中的高阶单元划分网格，并在上部加密网格尺寸，有利于提高有限元计算结果的精确度[1]。

2.1 拟定参数

通过现场多次踏勘，结合当地工程常规做法以及一期已建边坡的设置情况，初步拟定场区挖方边坡采用一级直接开挖方式，计算模型的边坡几何断面，见图1，物理力学参数见表1。

图1 挖方边坡几何断面示意/m

2.2 设计假定

边坡稳定性分析使用Midas GTS有限元分析软件获得安全系数。本工程中由于地下水很深，因此不考虑地下水对坡体的影响；本次典型开挖断面土层为均质黏土，无其他土层；根据业主FEED（初步设计文件）中的要求，边坡稳定安全系数取1.75。

2.3 工况分类

根据站场施工完毕后正常运行以及工程所在地自然条件，将工况分为两类，即正常运行工况和发生地震工况。

2.4 设计荷载加速度

根据以上工况分类，将不同荷载下的加速度值分为三类，见表2。

表2 加速度值分类统计

2.5 建立模型和求解

Midas GTS软件提供了自动划分网格以及K-线面映射网格两种形式。由于自动划分网格往往生成的形状不规则，并且加密点与实际中关键截面、着重分析单元等存在一定偏差，因此根据本项目的特点，在网格划分中采用了K-线面映射网格划分法，对边坡坡角处断面设置了网格播种，并通过K-线面映射网格生成了整个边坡的网格划分。这样不仅可以得到较为理想的计算结果，还可以减少计算时间，提高计算效率。

2.5.1 模型的建立

根据详勘中的地质情况、预设的几何参数、输入数据、设计假定等要求建立如图2所示计算模型。模型边界条件为坡脚到左端边界距离，为坡高的1.5倍，坡顶到右端边界的距离为坡高的3倍，且上下边界总高不低于2倍坡高。此模型为施工完毕后正常运行工况下的模型。

图2 有限元模型网格划分及边坡尺寸模型

2.5.2 求解安全系数

在进行安全系数求解时，本软件通过程序本身提供的有限元强度折减法进行计算[2]。其原理是根据土体在现有应力状态下，默认初始安全系数为1.0，对土体的抗剪强度不断地进行折减，在减少强度的同时，一直计算到模型发生破坏为止，此时的最大强度折减率相应为边坡的最小安全系数，如图3所示。

图3 强度折减法（计量单位：Pa）

图4与图5为软件的模拟情况。从两图中可以看出，受边坡坡体自重的影响，通过坡脚的圆弧面内土体单元应变较大；但因边坡土体为均质黏土，抗变形能力较强，即使在地震工况下（见图5），边坡仍未形成明显的软弱层及断裂层。

图4 施工完毕后正常运行工况下的变形模型体

图5 发生地震工况下的变形模型体

边坡滑动面内位移最大的位置为边坡坡顶，其应变沿滑动面逐渐减小，结合边坡位移量级及边坡影响范围进行分析，沿该圆弧形成贯通滑动面的可能性很小；因此，该滑动面对坡体稳定不会构成威胁。从以下位移云图分析可以推断，该边坡在正常运行工况以及地震工况下均处于稳定状态。

3 分析结果

利用Midas GTS软件进行模拟分析，得出施工完毕后的安全系数为3.5375，发生地震时的安全系数为2.6875。与稳定安全系数的对比统计结果见表3，从表3可以看出，两种工况下的安全系数均大于稳定安全系数，因此满足要求。

表3 模拟分析结果统计

4 边坡保护形式

以上分析表明，此边坡在开挖后是稳定的，满足此天然气处理厂运营阶段的使用要求；通过查询地勘报告中的气象资料可知，此地区在雨季时强降雨天气频繁，对土质边坡具有很大的冲刷性，会造成严重的水土流失。考虑到本工程的重要性以及环境保护要求，需要在开挖后的边坡基础上进行加固和防冲刷处理，处理的结构形式如图6所示。

图6 浆砌片石护坡断面示意/cm

5 结论

（1）开挖后的边坡在正常工况及地震工况下的安全系数均大于规定值，不会发生失稳现象。

（2）Midas GTS对于边坡的稳定分析具有良好的适用性，满足各种工况模式，其计算可以作为开展设计的基础资料。

（3）采用浆砌片石护坡对边坡进行保护后，提高了边坡稳定性，增强了防雨水侵蚀、抵抗水土流失的能力，延长了边坡的使用年限。