输水管道穿越沁河定向钻回拖力计算及应力分析

袁清超1徐学红2尹言1蔡利民1李彬1

1.河南省水利勘测设计研究有限公司河南郑州450016；2.河南牧业经济学院河南郑州450044

摘要：通过对焦作引黄入焦引水干渠穿越沁河定向钻工程回拖力计算模型及计算方法进行分析，提出了本工程水平定向钻穿越回拖力的确定采用《油气输送管道穿越工程设计规范》公式法和有限元仿真模拟法分别进行分析；通过计算分析，得出了两种不同的回拖力数值和管道应力成果，两种成果相互补充、相互验证，为类似穿越工程的回拖力确定及管道应力验算提供借鉴。

关键词：水平定向钻；穿越沁河；回拖力计算；管道应力

中图分类号：TU28；TV672文献标志码：A

1工程概况

焦作市引黄入焦引水干渠穿越沁河工程场区地层为第四系冲积物，自上而下分别为层粉砂、层砂壤土、重粉质壤土。穿越处河道堤距在835~980m之间，根据河道管理部门的相关要求，穿越建筑物埋深须在堤脚地面以下30m以上，工程设计通过方案比选，确定引水干渠穿越沁河采用水平定向钻穿越方案。定向钻管身采用两条Φ1016mm直缝钢管（L485），入土、出土点间水平距离1750m，其中管道水平段长1090m，埋深33m；管道进出口曲线段转弯半径均为1600m。定向钻入土点位于沁河左堤外，距大堤外坡脚370m，入土点高程97.0m，入土角8°；出土点位于沁河右堤外，距大堤外坡脚290m，出土点高程98.0m，出土角7°。

2计算方法选择

水平定向钻施工过程一般可以分为钻导向孔、扩孔和管道回拖3个阶段[1]。引黄入焦定向钻穿越工程穿越距离长，管径大，建设过程存在导向控制、钻孔稳定、冒浆控制以及长距离回拖等技术难题，定向钻穿越时回拖力的确定，是选择回拖设备、制定施工方案的一项重要依据。

穿越管道在回拖过程中所受的力除回拖力外，还包括自重、泥浆浮力、土压力、孔壁摩擦力和泥浆粘滞力等，受力条件非常复杂。回拖力的计算涉及弹性力学、流体力学和土力学等方面的知识，计算方法的选择与地质条件、穿越曲线、扩孔直径等因素都有关系。[2]

2.1常用计算模型

定向钻回拖力计算的常用的计算模型及其原理如下：

（1）净浮力计算法

净浮力计算方法的基础是阿基米德浮力定律，认为穿越管道在孔道内仅受到重力和浮力的作用，泥浆对管道的净浮力构成对孔道的正压力。净浮力计算法要求钻孔和扩孔效果都比较理想，孔壁稳定，穿越管道在孔内处于自由状态；按在净浮力作用下计算管道与管壁之间的摩阻力。该方法对泥浆粘滞阻力考虑不足，因此计算结果可能偏小。

（2)卸荷拱土压力计算法

卸荷拱土压力计算法的基本思路是认为穿越管段在回拖过程中同时受到孔道上方塌落土体的压力和孔底支撑力作用，管段本身的重量全部由孔底承担，而不考虑浮拖力作用；孔道上方塌落土的压力根据穿越地层天然卸荷拱的高度计算。该方法比较适合孔道出现塌方后的回拖力计算，由于忽略或较少考虑浮力的影响，计算结果偏大。

（3)绞盘计算法

绞盘计算法的基本思路是将穿越管道近似的视为一条部分缠绕在巨型卷筒上的柔性索，分段进行回拖力计算。此方法是在净浮力法的基础上，考虑了管道弯曲段阻力的影响，计算结果相对比较准确。

2.2常用计算方法

以上计算模型原理简单、直观明确，便于计算，但其考虑因素相对较少，不能全面反映管道在回拖过程中的受力情况，因此在工程实践中对上述计算模型进行综合或修正后运用。常用计算方法有GB50423《油气输送管道穿越工程设计规范》计算公式法、GB50424《油气输送管道穿越工程施工规范》计算公式法、GB50268《给水排水管道工程施工验收规范》、美国材料试验学会ASTM法、美国燃气管道研究会的AGA法、有限元程序仿真模拟分析法等。[3]

上述计算方法中，国内规范中所列的计算公式，虽然在管道弯曲变形对回拖力影响方面考虑较少，但其综合考虑了管道外部荷载情况，并通过系数对计算结果进行修正，在实践中得以广泛应用，考虑因素相对于单一的计算模型比较全面，计算值相对偏于安全；而ASTM法、AGA法及有限元仿真模拟分析法，考虑因素全面，计算过程中考虑了弯曲变形对回拖力的影响，但参数众多，计算复杂；有限元仿真模拟分析法虽然参数多，计算复杂，考虑因素全面，但其复杂计算过程可借助计算软件完成，并且能够模拟出管道不同部位的应力状况，因此在回拖力研究及管道应力复核中运用较多，实践中常用于对规范公式计算成果的验证复核。

2.3计算方法的确定

本工程穿越距离长，弯道曲率半径较大，水平段穿越深度大于30m，穿越地层为壤土，孔道内有泥浆护壁，不易产生塌孔，因此在计算模型可选用净浮力法模型，GB50423《油气输送管道穿越工程设计规范》中的计算公式在净浮力法基础上，既考虑了管道与管壁间的摩擦力，又考虑了管道外侧泥浆的粘滞阻力，计算结果更接近实际，因此选用GB50423《油气输送管道穿越工程设计规范》中的计算公式计算回拖力。

由于采用GB50423《油气输送管道穿越工程设计规范》计算公式能够计算出回拖力数值，并为选取回拖设备提供依据，但计算过程不能反映出管道不同管段应力详细分布状况，为了复核规范公式回拖力的计算结果，并了解管道的应力分布状态，本项目中采用有限元仿真模拟分析法对回拖力进行复核，模拟出不同管段的应力分布状况。

3管道回拖力计算及应力分析

3.1规范公式法

采用GB50423-2007《油气输送管道穿越工程设计规范》中管段不充水时的回拖力计算公式，穿越管段回拖力为：

（1）

式中：F—计算回拖力；L—穿越长度，m；D—管道外径；Ds—钢管外径，1.016m；ds—钢管内径，0.9748m；δ—钢管壁厚，0.0206m；γs—钢管容重，78kN/m?；γ1—泥浆重度，取11.0kN/m?；f—摩擦系数，一般在0.1～0.3之间，取0.3；K—粘滞系数，取0.03。

按上述公式及取值，计算回拖力为2212kN。根据规范规定，最大回拖力按计算回拖力的1.5～3倍选取，因此，本穿越工程选择吨位500t的回拖设备可满足管道回拖要求。

3.2有限元仿真模拟法

3.2.1基本假定

有限元数值模拟采用ANSYS计算软件，由于管道在实际回拖过程中受力及环境状况非常复杂，模拟分析时在满足精度要求的前提下作以下简化假定：

（1）所有材料为均质、连续、各向同性；

（2）地层土体结构模型选用弹塑性DP模型，管道按线弹性材料考虑。

3.2.2模型参数及回拖力试算

数值模拟计算时分别建立管道入土段、水平段、出土段有限元计算模型。入土段包括入土斜坡段、圆弧段以及50m长的水平管段；出土段包括出土斜坡段、圆弧段以及50m长的水平管段；水平段为出、入土段之间的水平管。模型中x轴为管道断面内水平向，y轴为竖直向，z轴为水平管段轴向。

（1）单元选择

模拟计算中，围土采用solid实体单元，管道采用shell壳单元，管土接触为面面接触，以管土交界的管线外表面作为刚性目标面，选取targe单元，以土与管线接触的表面作为柔性接触面，选取contact单元，管线与土体间综合摩擦系数取0.5。根据工程地质勘察报告，模拟材料参数见表1。

表1水平定向钻穿越模拟材料参数表

（2）计算条件

管线围土实体模型，围土外边界采用全约束，管线回拖端为自由边界，另一端采用全约束；管线环向承受泥浆压力（取1.5倍静液泥浆压强），回拖端承受回拖力作用。

（3）回拖力试算

在管道回拖出土时，将前述公式法计算出的回拖力2212kN作为初始值输入进行试算，当输入回拖力为1463kN时管道回拖力与摩擦阻力平衡，因此模拟分析出的计算回拖力为1463kN，小于规范法计算得出的回拖力。

3.2.3应力成果分析

管线各段、各方向的应力分布、数值及极值可从模拟计算出的整体、细部应力云图中查知；各段最大主应力可从第一、第三主应力云图查知。从以上应力云图可知：入土段管线z向最大应力为23.7MPa，位于入土段圆弧管部分与水平管部分相接位置；管线最大主应力为23.7MPa，位置与z向最大应力一致。根据仿真计算成果，各管段的最大应力值汇总见表2。

表2回拖过程中各管段最大应力汇总表单位：MPa

式中：[σ]—钢管的许用应力（MPa）；

φ—钢管的焊缝系数，取1.0；

σs—钢管的规定屈服强度（MPa）；

F—设计系数，取0.6。

穿沁工程定向钻管道采用L485直缝钢管，经计算钢管许用应力为291MPa。

（2）应力验算

由于规范法管道应力计算非常麻烦，因此采用规范法时仅计算在计算回拖力和最大回拖力（按5000kN计）下的管道断面最大拉应力值，分别为34.18MPa和77.26MPa，远小于钢管的许用应力；而有限元模拟计算出的管道最大压应力为29.7MPa，最大拉应力为23.7MPa，均小于规范法计算回拖力作用下的断面应力绝对值。因此，应力验算满足要求。

4结语

根据以上计算结果可知，规范法得出的回拖力和管道应力数值均大于有限元法计算出数值，其中回拖力数值高于有限元法51.2%，应力值则大于有限元法25.3%，两种计算结果的偏差是由于计算模型、考虑因素不同而产生的，也是合理的。有限元法的计算结果可能更接近管道实际的受力及应力分布状态，但在实际工程中由于环境因素、受力状况等各种因素的复杂性，采用规范法的计算结果选择回拖设备、验算管道应力更能够保证工程的顺利实施。通过不同方法的计算和分析，本工程选用吨位500t的拖拉设备是合理的，同时管道材料、规格的选择也是合理和安全的。

参考文献

[1]马保松.非开挖工程学[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2]曹苏军，艾志久，孔娜娜，等.多管组合穿越回拖力计算方法分析[J].给水排水.2009（01）：105-107.

[3]呼石磊，鄢泰宁，王斌，等.定向钻铺管回拖力计算模型[J].煤田地质与勘探，2012（03）：66-69,73.

作者简介

袁清超（1975--），男，汉族，现任高级工程师，主要从事水利工程的设计与研究工作。