基于水平定向钻施工对堤防安全稳定影响的多因素综合分析

杨杰

（中国石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000）

引言

水平定向钻(HorizontalDirectionalDrilling，简称HDD)埋管技术是20 世纪70 年代从石油和天然气工业引入的非开挖(钻孔)敷设管线技术。与传统的开挖或高架跨越敷设管线方式相比，该技术为解决油、气、水、电等生命线管线穿越水域、公路、铁路或其他障碍物提供了经济、高效的施工方案，具有不占用土地、不影响交通和景观等明显优点，已为全球管线、管网基础设施建设做出了重要的贡献。随着我国社会和经济的发展，管线穿越工程建设数量日益增多，采用大管径敷设的现象也频繁显现。在水利行业，涉及管线穿越河道、堤防的建设项目亦与日俱增，并呈现出快速增长的势头。在磨子峪水库除险加固工程中，水平定向钻孔技术就较好地解决了新建输水涵管的难题。据统计，2016 年光江苏省定向钻穿越河道达200 余处。随着施工机械、施工材料以及信息化施工管理技术的发展，并历经近半个世纪的工程应用，水平定向钻埋管施工技术本身在钻机功率和效率、管线定位、护壁泥浆的环保性能、管径尺寸、穿越长度、埋管深度等方面已取得了长足的进展，并已渐趋成为一项成熟的先进实用技术。但是，其施工过程中采用增压泥浆护壁和扩孔埋管对地基及建(构)筑物应力、变形和稳定性所造成的影响，却鲜见有研究报道，可资借鉴的研究成果并不多见。同时，随着管径的增大、施工项目的增多，一些工程事故却时有发生。比如，2016年4月仪征－长岭原油管道复线工程在定向钻穿越南京市浦口区永宁河施工过程中就曾出现过河底和堤防背水坡时冒浆、堤防沉降、混凝土护坡开裂损坏等现象。而这类事故，对于保障防洪安全、保护人民生命和财产安全的堤防工程而言，是必须杜绝的。因此，科学分析和评价水平定向钻埋管技术对堤防安全的作用影响是水利技术人员和管理人员当前和今后都迫切需要攻克的技术难题，是提升水平定向钻埋管这一先进技术在堤防工程中的应用水平迫切需要解决的重要环节。本文基于Bishop 堤防稳定计算公式，提出一套适用于水平定向钻穿堤稳定分析的修正公式，自编程序实现其计算功能。结合南京市某给水管埋设工程，重点分析水平定向钻扩孔施工工艺对堤防稳定的影响。分析潜在滑弧因扩孔而发生的变化规律，及扩孔过程对堤防稳定的影响。从水平定向钻管线施工设计方面进行堤防稳定敏感性分析。相关成果可为水利行业防洪减灾与工程管理，以及水利行业与其他行业涉及管线工程的交叉规划与建设提供重要技术基础和依据。

一、基于FLAC3D 软件的强度折减法

FLAC3D 软件是研究连续三维介质达到平衡状态或塑性流动状态时的力学行为的快速有限差分数值分析软件。该软件采用显式拉格朗日法及混合离散单元划分技术，能够精确地模拟材料的塑性流动和破坏，对静态系统模型也采用动态方程来进行求解。而且通过FLAC3D 程序自带的FISH 语言，用户可以自己定义任何复杂的模型和本构关系以及根据自己的需要精确地控制计算过程。和其他有限元程序相比，FLAC3D 程序具有速度快、易收敛的特点，适用于非线性、大变形问题。

（一）强度折减法

在工程边坡稳定性安全系数计算中，通常采用的是强度储备安全系数。其计算方法被称为强度折减法，通过不断折减已知滑动面的相关抗剪强度指标寻找边坡破坏的极限状态，当达到边坡临界稳定状态时的折减系数K 即为此边坡的安全系数。安全系数定义如下:

式中:C，φ 为原状土体强度摩尔－库仑参数;C＇，φ＇为折减后土体强度摩尔－库仑参数。

（二）安全系数自动搜索程序设计

本文采用的安全系数自动化搜索计算程序是由FLAC3D 软件内嵌的FISH语言所编写。该语言使用者可以灵活定义所需变量和函数，扩大了FLAC3D软件计算的应用范围，并使数值计算增加了人性化设置功能。因此，从建模到计算的整个过程，都可以通过FISH 语言编程实现。其中相关模型命令流和计算命令流，可将生成模型的重要研究因素设置成变量，根据研究的需要快速生成相应模型文件，不仅极大地减少了后期研究不同坡形设计的建模工作量，还提高了坡形设计研究的工作效率。安全系数搜索计算程序主要思路为:初步确定所求安全系数的大致范围K ∈［Ka，Kb］，Ka ＜Kb，在此范围内取中值Kc 对折减系数进行快速搜索，经过收敛标准的判断后，以它们的平均值K 作为折减系数下次搜索范围的上限值或下限值，直至满足不平衡力比率要求，找到一个最接近理想值的折减系数，即为所求安全系数。当小于不平衡力比率时停止计算，可认为满足收敛标准，则Ka 被K 取代，Kb 不变;若在计算到规定的时步后仍未停止计算可认为未达收敛标准，则Kb 被K 取代，Ka 不变;直至搜索范围被缩小至初定精度后，不平衡比率P ＜设定比率Pk(默认为1e－5)，所得平均值K 即为所求安全系数。实现过程见图1。

二、基于水平定向钻施工对堤防安全稳定影响分析

（一）埋深的影响分析

基于水平定向钻7 次扩孔至1300 后的施工状态，假定左岸边坡为管线穿入侧，即模型计算入土角为8°，堤防为原设计状态。分别计算了埋深h(h 为水平定向钻穿越管线顶部距离河床底部的垂直距离)为3，6，9，12，15m 情况下，水平定向钻施工对堤防安全稳定的影响(见图2)。可知:随着埋深的增加，堤防的安全系数也随之增加，且近似为线性变化，并有向原堤防安全系数值逼近的趋势，说明隧道埋深越深，水平定向钻穿越管线施工对堤防安全稳定的影响越小。当埋深超过约12 倍洞径时，其影响可忽略不计。

（二）水平定向钻穿越过程对堤防安全系数的影响

总结水平定向钻在穿越堤防时，不同钻进位置及扩孔次数对堤防安全系数的影响均不相同，绘制其影响相对关系曲线详见图3，具体安全系数值详见表1。当水平定向钻从堤身往河中央方向穿越时，管道穿越对堤防地基挤压作用会导致堤防边坡产生一个向下滑动的附加推力，从而降低堤防边坡的安全稳定性。从计算表中可以看出，当水平定向钻穿越至坡顶位置时，对堤防安全稳定性的影响较小;继续穿越时，对堤防安全稳定性的影响逐渐显示出来，每次扩孔至完成穿越后堤防边坡安全稳定性系数均有所降低，直至完成6 次扩孔后，堤防安全系数由原始1.148 下降到0.930;由于水平定向钻边穿越边喷浆固壁的施工过程，堤防安全系数在施工过程中呈现忽高忽低的变化规律，但总体变化趋势是下降的。可知水平定向钻对堤防安全稳定的影响存在一个最不利的位置及一个最不利扩孔过程。在每次扩孔过程中，最不利的位置大约为坡中央至坡脚之间，堤防安全系数下降幅度最大;并且在第四次、第五次、第六次扩孔过程中，堤防安全系数下降幅度较大，其中第六次扩孔过程为最不利扩孔过程。因此，水平定向钻穿越施工至该区域需要加强监测，进行信息化施工以便及时调整水平定向钻施工控制参数。

表2 水平定向钻穿越过程对堤防边坡安全稳定性的影响

（三）管线直径的影响分析

为较清晰体现水平定向钻穿越管线直径对堤防安全稳定的影响，本次计算选取管线埋深为3m，假定左岸边坡为管线穿入侧，即模型计算入土角为8°，堤防为原设计状态。相应计算穿越管线直径分别为500，800，1000，1200，1500mm 时的堤防安全稳定性，计算结果如图4 所示。由图4 可知，当仅改变水平定向钻穿越管线直径时，随着管线直径的增加，堤防的安全系数随之降低，说明水平定向钻穿越管线直径越大，对堤防的安全稳定的影响越大，且其近似呈线性变化。

结语

采用FLAC3D 进行水平定向钻穿越软土堤防的影响分析时，模型尺寸对计算结果精度具有一定影响，且在存在软土层堤防安全稳定计算中，其影响将更为突出。经分析得，模型边界为坡高至少3 倍时，计算精度可达到设计要求。通过对穿越堤防的管道埋深、管径、坡比等影响因素的敏感性分析，可以得出，随着管径的增大，管壁表面积随着增大，进而管壁与土体的摩擦力也随着增大，导致传导至堤防边坡的滑弧上的附加推力将显著增大，从较大幅度地降低了堤防边坡的安全稳定性;当水平定向钻埋深达到6.0m 或者达到管径的4 倍左右时，其施工对堤防的影响基本上可以忽略不计;当穿越管道埋深较浅时，对堤防的安全稳定性会造成一定的影响，当坡比较陡时水平定向钻的施工对堤防稳定的影响将更为显著。鉴于水平定向钻施工对于边坡稳定性的影响因素种类非常多，且各因素之间的作用关系也是极为复杂，本文的研究工作还有许多不完善的地方，许多问题还需要进一步的研究和探索。尤其在完善边坡计算模型概化标准方面，目前许多边坡的影响因素分析不够全面，概化的计算模型也没一个统一的标准，完全处于经验分析状态。如何准确地确定及区分其主要及次要因素，建立一套统一的判别标准及模型概化标准，还需做进一步的研究。通过模拟水平定向钻穿越、扩孔等特有施工工艺的计算分析，可以得出该施工过程对堤防安全稳定性最为不利的施工位置位于堤防边坡的中央至坡脚，为了减少对堤防的影响，如需要对堤防进行加固时，可考虑在此区域的合适位置进行加固。并且每次扩孔至完成穿越后堤防边坡安全稳定性系数均有所降低，直至完成6 次扩孔后，由于水平定向钻边穿越边喷浆固壁的施工过程，堤防安全系数在施工过程中呈现忽高忽低的变化规律，但总体变化趋势呈下降规律。