水平定向钻扩孔施工工艺对堤防安全稳定的有限元分析

张 胤，程大鹏，张朝利，李 军

(1.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210006；2.南京市浦口水务局，江苏 南京 211800)

水平定向钻(horizontal directional drilling，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。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[1-3]。随着我国社会和经济的发展，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[4-6]。据统计，2016年江苏省定向钻穿越河道达200余处。目前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、管径尺寸、穿越长度、埋管深度等方面已取得了长足的进展[7-8]。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，可资借鉴的相关研究成果并不多见[9]。在我国，已见报道的[10-11]和未见报道的因水平定向钻埋管穿越堤防施工引起的工程事故已经引起了水利管理部门的高度重视。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冒浆、堤防沉降、混凝土护坡开裂损坏等现象。由于水平定向钻施工时会对穿越土层产生较大扰动，进而产生相关附加应力，对堤防的安全稳定性有着较大影响。因此研究安全系数在其施工工况时的动态变化是十分必要的。

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；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。为水利行业防洪减灾与工程管理、以及水利行业与其它行业涉及管线工程的交叉规划与建设的重要技术基础和依据。

1 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。

1.1 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：

(1)

(2)

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。

1.2 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

图1 安全系数搜索程序流程图

2 模型分析背景

2.1 建立计算模型及边界设计

选取边坡计算典型断面进行数值计算，基本模型网格共20 125单元，22 818节点，边坡迎水坡坡比为1∶1，不考虑背水坡影响，假定背水坡为空旷平地，与堤顶齐高。堤防高度为10 m。水平定向钻埋深距河底为4 m，管径取1.0 m，实际扩孔孔径为1.3 m。边坡分析中，建模的边界选取需要把握：既能保证精度，又能充分消除边界效应影响的原则。通常按照郑颖人理论建立的常规边坡计算模型，当坡脚到右端边界距离为坡高H的1.5倍，坡顶到左端边界的距离为坡高H的2.5倍，且上下边界总高不低于2倍坡高时，计算精度最为理想，详见图2。若边坡地勘中含有较厚软弱土层，其形成深层的大滑弧破坏可能性较大，故边坡计算模型需做适当调整，详见图3。

图2 一般边坡计算模型边界范围示意图

图3 软土边坡计算模型边界范围示意图

具体边坡典型断面所建计算模型网格划分示意图见图4。采用FLAC3D自带FISH语言，编程建立三维计算模型，其中对材料接触区域、大变形部位以及潜在的应力梯度较大区域进行网格加密，保证在这些关键区域的模拟精度。同时可将模型重要几何条件设置为变量，以便在进行敏感性计算分析中快速建模，并自动划分网格计算，节约大量建模时间及工作量。堤防计算模型如图4所示，模型共分为29组单元。模型的底面约束x、y、z3个方向的位移，模型的四周均有相应法向位移约束。

图4 计算模型及单元剖分

2.2 计算参数

本次计算重点研究水平定向钻在穿越软土层时，管道推进及扩孔阶段对堤防的安全稳定影响，堤防堤身填土采用南京地区常见老堤填土参数，堤基选用南京地区特色软土参数——南京鼓楼滨江淤泥质粉质黏土层。具体参数如表1所示。

表1 土层计算参数

2.3 原堤防应力应变分析

采用FLAC3D有限差分软件进行数值模拟计算，先进行堤防边坡自重应力计算分析，并检查计算成果的可靠性。模型计算得到的初始自重应力及强度折减后位移云图如图5、图6所示，经校核计算结果正确。

图5 堤防边坡竖向自重应力

图6 原堤安全稳定性计算时堤防边坡安全稳定性的位移云图

3 水平定向钻穿越过程对堤防应力应变的影响

水平定向钻推进对堤防产生的影响，通过在开挖面施加支护压力和在管道四周施加管壁与土体的摩擦力来体现，开挖面支护压力为初始地层计算得到的水平向应力加上50 kPa附加推力，管壁与土体的摩擦力为管壁中心线位置的竖向土压力乘以摩擦系数，本模型计算采用0.25摩擦系数。另外，考虑到施工推进至堤防边坡不同位置时，对边坡安全稳定性的影响应该不一样，因此，单次穿越采用了以下5个推进位置：堤顶前5.0 m、堤顶、堤防边坡中央、堤脚、贯穿堤身，设计扩孔6次。并模拟计算孔径为Ø400、Ø550、Ø700、Ø850、Ø1000、Ø1150、Ø1300的7次扩孔施工顺序，得到了施工工况下水平定向钻扩孔穿越到不同位置时堤防边坡的应力云图及安全系数。

3.1 应力分析

从各扩孔阶段的应力计算结果可知(图7)，当水平定向钻穿越堤防后，很明显其施工对钻孔以上堤防应力造成一定的影响，对钻孔以下堤防应力几乎没有影响。从而使得堤防安全系数由初始1.148降低为0.930。

3.2 应变分析

由图8可知，在水平定向钻穿越堤防扩孔的过程中，堤防潜在滑弧内滑体的位移在逐渐增大，且潜在滑弧有向下发展趋势，直至堤防薄弱带处，形成沿穿越孔洞的底滑面。因此，堤防当水平定向钻穿越堤防后，其施工会对钻孔以上堤防应变造成较大的影响，

图7 水平定向钻穿越过程对堤防竖向应力影响云图

3.3 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9，具体安全系数值详见表2。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。

4 结 语

(1)采用FLAC3D进行水平定向钻穿越软土堤防的影响分析时，应考虑沿堤身纵向选取模型宽度的问题。模型的宽度尺寸应考虑穿越对堤防的影响区域，若边坡地勘中含有较厚软弱土层，其形成深层的大滑弧破坏可能性较大，模型边界可设置为坡脚到右端边界距离为坡高的3.0倍，坡顶到左端边界的距离为坡高的2.5倍，且上下边界总高不低于3倍坡高时，计算精度最为理想。

图8 水平定向钻穿越过程对堤防竖向位移影响云图

表2 水平定向钻穿越过程对堤防边坡安全稳定性的影响

图9 水平定向钻穿越过程对堤防边坡安全系数影响关系曲线

(2)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。