山丹县饮水工程管道坡体相互作用效应分析_张晓峰.pdf

2023年3月收稿日期：20221025作者简介：张晓峰（1971），女，高级工程师，主要从事水利工程规划设计工作。摘要：管道与坡土相互作用问题是饮水工程中常见的工程问题，会直接影响管道安全施工和运行，研究坡土管道相互作用机制具有重要意义。以山丹县饮水管道工程为例，通过ABAQUS有限元分析了不同坡度以及荷载方向对土壤管道相互作用荷载的影响，得到了抗力位移关系曲线变化规律。研究结果表明，管道离地面越远土壤约束就越高，倾斜的坡面大大增加了土壤对管道移动的阻力，因为管道上部有更多土壤来抵抗管道朝该方向移动。若管道埋得足够深，土壤破坏机制不会延伸到地面，则地面坡度的影响可以忽略。此外，向左（上坡）倾斜管道的峰值力远高于向右（下坡）倾斜管道的峰值力。关键词：饮水工程；管土作用；数值模拟；抗力位移曲线中图分类号：TV698.1+1；TV67文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）03-0070-04DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.03.020山丹县饮水工程管道坡体相互作用效应分析张晓峰（兰州市水电勘测设计院有限责任公司，甘肃兰州730030）Analysis on Pipeline-Slope Interaction Effect of Drinking Water Projectin Shandan CountyZHANG Xiao-feng（Lanzhou Hydropower Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Lanzhou 730030，China）Abstract：The interaction between pipeline and slope soil is a common engineering problem in drinking water project，which will directly affect the safe construction and operation of pipe.Therefore，the study of the interaction mechanismbetween slope soil and pipeline is of great significance.Taking the drinking water pipeline project in Shandan County as anexample，the effects of different slopes and load directions on the soil pipeline interaction load are analyzed by ABAQUSfinite element method，and the variation law of force displacement curve is obtained.The results show that the further thepipeline is from the ground，the higher the soil constraint is.The inclined slope greatly increases the soil resistance to thepipeline movement，because there is more soil above the pipeline to resist the movement of the pipeline in that direction.Ifthe pipeline is buried deep enough that the soil failure mechanism does not extend to the surface，the effect of ground slopecan be ignored.In addition，the peak force of the pipeline inclined to the left（uphill）is much higher than that of thepipeline inclined to the right（downhill）.Key words：drinking water project；pipeline-soil interaction；numerical simulation；force displacement curve1概述管道与坡土相互作用问题是饮水工程中常见的工程问题，尤其是管道处于不良地质条件下，会直接影响管道安全施工和运行，因此研究坡土管道相互作用机制具有重要意义1-3。李文江等4从软黏土固结沉降机理出发，通过有限元数值分析和模型试验相结合的手段，对软黏土地区顶管电缆隧道工程中工后长期沉降问题与影响沉降因素进行了分析；廖道成等5基于ABAQUS建立了沟槽直埋管道有限元分析模型，对管道受力状态进行了分析，通过改变土体黏聚力、弹性模量等参数，探讨了内外土柱的相对位移情况；代玉华6以龙王庙卧虎水库工程穿越坝体涵管为例，利用数值模拟的方法研究了高填方穿坝涵管顶土压力变化规律；陈剑等7通过有限差分软件FLAC3D对互层土采海河水利702023.No.3用真空管井降水的过程进行数值模拟，探讨真空管井降水条件下土体内渗流场的变化规律；孙肖菲等8基于Lagrangian、ALE、CEL法开展了管土相互作用的数值模拟对比分析，得到管道下沉位移与抗力荷载关系曲线。通过对以上文献进行分析发现，当前少有研究考虑坡度对土壤管道相互作用荷载的影响。本文以山丹县饮水管道工程为例，利用ABAQUS有限元分析了不同坡度以及荷载方向对土壤管道相互作用荷载的影响，得到了抗力位移关系曲线变化规律，研究成果对管道穿越山谷和斜坡时的工程具有参考意义。2工程概况山丹县地处河西走廊中部，东邻永昌县，西接张掖、民乐2县市，北过龙首山与内蒙古自治区阿拉善右旗接壤，南依祁连山的冷龙岭与肃南自治县和青海省为界，海拔1 5504 441 m，位于东经1004110142、北纬 37503903，东西跨经度 101，宽 89 km，南北跨纬度 113，长 136 km，总面积5 402.43 km2。本工程为长线状引水工程，工程区自南而北由南部马营盆地向北经马营河河谷、山丹盆地至张掖盆地东南部，即上段为马营盆地、马营河河谷，中段为山丹盆地东南部，下段为缓倾斜的张掖盆地东部。工程区地处祁吕贺兰山字型构造前弧西翼褶皱带和走廊拗陷带内，地质构造相对稳定。拟建引、配水管道及闸阀井基础持力层均为冲洪积砂卵砾石或砂砾（碎）石层，结构中密密实，地层承载性能较好，是理想的基础持力层，不存在地基稳定及沉降变形问题。管道沿线地下水位埋深较大，对管基开挖无影响。建议管道临时开挖边坡比为1 0.751 1.0。管道埋深应大于最大冻土层深度。3数值模型用于数值分析的几何尺寸如图1所示，其中H/D为埋深比；H为管道埋深，单位为m；D为管道直径，单位为 m；是坡角；是施加在管道上力的方向。建立的数值模型，如图 2 所示。计算模块采用ABAQUS/Standard，管道被认为是刚性的，采用平面应变模型。土体采用八节点二次平面应变四边形单元，单元采用积分法，网格由四边形单元形状生成，大小约为5 cm，网格生成采用前沿推进算法。模型接触采用面到面接触对土壤管道界面进行建模，外管表面定义为主表面，土壤表面定义为从属表面。界面采用有限滑动公式，允许表面任意自由滑动，界面行为采用切向和法向相互作用建模。对于法向接触，采用经典的拉格朗日乘子约束力法实现硬接触的压力过闭。ABAQUS中的摩擦模型包括经典各向异性库仑摩擦模型，该模型可以根据滑动速率和接触压力定义摩擦。为了简单起见，本研究中的接触行为设定为只取决于滑移率和接触压力。土壤和管道之间的界面摩擦系数为0.5，土壤摩擦角为44，土壤管道界面摩擦角为26.4，为了避免收敛问题并提高数值稳定性，所有模拟的内聚力均为0.3 kPa。数值模型计算参数，详见表1。4数值结果分析4.1侧向土壤管道相互作用埋置管道直径为H=1.5D的刚性管的抗力位移关系曲线如图3所示。计算结果包括了=0、=20时水平横向荷载作用下的结果。由图3可知，当管道向上倾斜（=-90）时，将坡度从0增加到20会显著增加管道上的水平横向峰值力；当管道向下倾斜（=90）时，在相同参数下，将坡度从0增加到20时水平横向峰值力显著降低。不同倾角下坡体位移变化，如图4所示。由图4可知，B中管道前方的扰动土壤区域比A中更显著，这是由于此时的管道约束来自管道前方更大体积的土体，因此观察到更高的峰值力。此外，尽管荷载方向完全水平，但管道已在图1数值分析的几何尺寸设置图2数值模型尺寸表1数值模型计算参数项目钢管土弹性模量/MPa310727.6泊松比0.210.34内摩擦角/（）-44黏聚力/kPa-0.3重度/（kNm-3）18.7剪胀角/（）-0.1力的施加方向HD1.6 m2 m0.5 m管道张晓峰：山丹县饮水工程管道坡体相互作用效应分析712023年3月倾斜方向上发生位移，倾斜移动的原因是管道底部土壤的倾斜反作用力。换言之，管道倾向于向坡面方向移动，这是因为在地面上不会对管道施加反作用力。这一机制清楚地表明了地表对土壤管道相互作用的影响。土壤管道相互作用是一个半空间问题；管道离地面越远土壤约束就越高，倾斜的坡面大大增加了土壤对管道移动的阻力，这是因为管道上部有更多土壤来抵抗管道朝该方向的移动。若管道埋得足够深，土壤破坏机制不会延伸到地面，则地面坡度的影响可以忽略。因此，p-y 曲线（抗力位移关系曲线）上坡度的影响随着管道埋深的增加而减小。4.2斜向土管道相互作用荷载斜荷载（=45）下的抗力位移关系曲线，如图5所示。由图5可知，坡度为10时的斜力峰值与坡度为0时的斜力峰值显著不同，管道向左移动时的斜力明显高于向右（相对于坡面）移动时的斜力。此外，向右倾斜（下坡）会导致峰值力降低，对于向左倾斜的管道运动（上坡），即使在实线所示的无量纲位移为0.6后，阻力也未达到峰值。增大坡度角将增加向左拉动管道时的峰值荷载，并减小向右拉动管道时的峰值荷载。当 p-y 曲线低估了埋在斜坡中的管道的峰值土管相互作用荷载时，即在滑坡中由于土壤移动是向下的，管道会发生向上坡的倾斜移动。不同方向受拉管道下的抗力位移关系曲线如图6所示。由图6可知，当坡度为零、向下拔出管道时，土壤对管道位移的约束更高，但将坡度增加到20减小。当管道位移向右（下坡）时，增加坡度会降低峰值力，如图7所示。管道位移向左（上坡）时坡度对斜向力的影响，如图8所示。增加坡度会导致峰值力增加，当坡度从0增加到10时抗力的峰值增加最为显著。总体上，向左（上坡）倾斜管道的峰值力远高于向右（下坡）倾斜管道的峰值力。此外，管图3H=1.5D刚性管的抗力位移关系曲线图4不同倾角下坡体位移变化图5斜荷载（=45）下的抗力位移关系曲线图6不同方向受拉管道下的抗力位移关系曲线14121086420无量纲力0.00 0.050.10 0.15 0.200.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50无量纲位移（Z/D）H/D=1.5=-90，=20=-90，=0=90，=20=90，=0=-90，=0，H/D=1.5=-90，=20，H/D=1.5=90，=20，H/D=1.5ABC543210无量纲力0.000.100.200.300.400.50无量纲位移（Z/D）=45，=10=-45，=10=45，=00.60H/D=1.50.000.100.200.300.400.500.600.70无量纲位移（Z/D）=45，=20=45，=0=0，=20=-45，=20H/D=4109876543210无量纲力海河水利722023.No.3道向上运动引起的土体变形等高线是不对称的，这是由于土壤相对于管道不是对称的，但当坡度为零时土壤变形的