陳利瓊 劉 洋 吳世娟 來(lái)進(jìn)和 張興龍

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 2.中國(guó)石化西南油氣分公司采氣三廠3.中國(guó)石油玉門(mén)油田分公司 4.中國(guó)石油西南管道分公司

0 引言

在我國(guó)，因落石撞擊造成的管道損毀事故時(shí)有發(fā)生[1-3]。如汶川地震發(fā)生后，蘭成渝管道由于落石撞擊造成原油泄漏，瀾滄江跨越管道同樣遭到落石威脅。

針對(duì)落石災(zāi)害，人們開(kāi)展了廣泛研究。加拿大多倫多大學(xué)的Stevens[4]指出，邊坡坡面法向還原系數(shù)（en）和切向還原系數(shù)（et）是影響邊坡落石運(yùn)動(dòng)軌跡的兩個(gè)最重要的參數(shù)，它們不僅決定著落石的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)也改變著落石運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的能量；黃潤(rùn)秋和劉衛(wèi)華[5]通過(guò)正交試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)斜度對(duì)落石加速度的影響尤為顯著；通過(guò)在RocFall軟件中模擬研究某一邊坡上的落石運(yùn)動(dòng)，韋啟珍和雷秀麗[6]驗(yàn)證了數(shù)值模擬在研究落石下落過(guò)程方面的準(zhǔn)確性以及有效性；在仔細(xì)研究了日本道路公團(tuán)公式以及楊其新和關(guān)寶樹(shù)[7]提出的落石沖擊力計(jì)算公式后，結(jié)合沖量定理，陳洪凱[8]和Kawahara和Muro[9]推導(dǎo)了理論沖擊力計(jì)算公式。為了保障瀾滄江跨越管道的安全運(yùn)行，探尋該跨越管道落石防治方案，以瀾滄江跨越管道左岸落石為研究對(duì)象，運(yùn)用RocFallⅡ軟件對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，分析落石質(zhì)量、下落高度對(duì)落石撞擊管道位置以及撞擊管道時(shí)最大動(dòng)能的影響；然后在CAESARⅡ軟件管道模型上施加作用力，計(jì)算使管道發(fā)生失效的落石質(zhì)量；最后結(jié)合該跨越管道左岸地形以及落石分布情況提出了落石防治措施。

1 瀾滄江跨越區(qū)落石影響因素

根據(jù)中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所的《中緬油氣管道瀾滄江跨越兩岸邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)》報(bào)告，確定跨越工程左岸為易遭受落石危害的最不利地形剖面之一，筆者定義其為崩塌落石區(qū)。

1.1 計(jì)算模型

根據(jù)跨越工程左岸剖面示例圖，結(jié)合CAD軟件與RocFall軟件，建立計(jì)算剖面模型如圖1所示，稱其為PM。

圖1中內(nèi)摩擦角φ＝37°為測(cè)定值，坡面回彈系數(shù)et和en是根據(jù)國(guó)內(nèi)外已有各種坡面地質(zhì)條件的建議值結(jié)合實(shí)際情況得出的結(jié)果[10]。

1.2 落石撞擊管道位置

為了確定應(yīng)力加載點(diǎn)的位置，需要確定不同質(zhì)量以及下落高度落石在管道上撞擊點(diǎn)的位置。研究表明，模擬200次時(shí)，可以得到穩(wěn)定的軌跡和參數(shù)[11]。通過(guò)將不同質(zhì)量落石從落石崩塌區(qū)邊緣O21點(diǎn)拋下，分析落石質(zhì)量對(duì)最大動(dòng)能落石撞擊管道水平段位置的影響；同時(shí)以質(zhì)量為1 000 kg的落石為研究對(duì)象，分析下落高度的影響，以跨越管道起點(diǎn)為原點(diǎn)，結(jié) 果如表1和表2所示。

圖1 跨越管道左岸計(jì)算模型圖

表1 不同落石質(zhì)量對(duì)撞擊點(diǎn)位置的影響表

表2 不同落石下落高度對(duì)撞擊點(diǎn)位置的影響表

從表1可以看出，不同質(zhì)量的落石撞擊管道的位置位于起點(diǎn)附近，且變化很小，說(shuō)明了落石質(zhì)量對(duì)落石運(yùn)動(dòng)距離的影響不大，且隨著落石質(zhì)量增加，落石運(yùn)動(dòng)最大距離趨于穩(wěn)定；從表2可以看出，相同質(zhì)量下不同下落高度對(duì)落石撞擊管道位置的影響較小，說(shuō)明下落高度也不是影響落石運(yùn)動(dòng)距離的主要因素，且落石在管道上的撞擊點(diǎn)相對(duì)集中，受落石威脅管段W以跨越天然氣管道起點(diǎn)為起點(diǎn)，長(zhǎng)約13 m。

1.3 落石撞擊管道動(dòng)能與高度及質(zhì)量關(guān)系

落石撞擊管道時(shí)攜帶的動(dòng)能決定了其與管道沖擊力的大小，為了定量分析落石撞擊管道動(dòng)能與高度及質(zhì)量的關(guān)系，通過(guò)改變落石質(zhì)量與下落高度進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖2所示。

圖2 落石質(zhì)量及高度對(duì)落石最大動(dòng)能的影響圖

從圖2可以看出，落石質(zhì)量相同時(shí)，下落高度對(duì)其撞擊管道最大動(dòng)能影響很小，可能是因?yàn)闉憸娼缭焦艿雷蟀侗浪涫瘏^(qū)坡度較小，落石在坡面的運(yùn)動(dòng)以滾動(dòng)為主，其與斜面植被產(chǎn)生的摩擦力部分甚至完全抵消掉了重力的作用[12]；同一下落高度的情況下，落石撞擊管道最大動(dòng)能與落石質(zhì)量幾乎呈線性關(guān)系，其表達(dá)式為：

式中EPM表示落石可產(chǎn)生的撞擊管道動(dòng)能，kJ；m表示落石質(zhì)量，kg。

2 落石沖擊力作用下管道應(yīng)力數(shù)值模擬

2.1 管道強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)

瀾滄江跨越段落石災(zāi)害頻發(fā)，管道同一部位可能反復(fù)受到落石沖擊，管道可能產(chǎn)生永久塑性變形，即落石對(duì)管道的沖擊效果會(huì)產(chǎn)生累積，難以確定跨越管道的失效載荷，因此將落石單次撞擊管道時(shí)產(chǎn)生的沖擊力作為管道是否失效的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，基于應(yīng)力的第四強(qiáng)度理論可以準(zhǔn)確反映材料發(fā)生屈服破壞的條件，即當(dāng)管道最小屈服強(qiáng)度小于因沖擊力產(chǎn)生的應(yīng)力時(shí)，可判斷管道在該沖擊力下產(chǎn)生了屈服破壞，處于危險(xiǎn)狀態(tài)[13-14]，因此選擇第四強(qiáng)度理論作為瀾滄江跨越管道落石沖擊失效的判斷依據(jù)。

2.2 管道參數(shù)

瀾滄江跨越天然氣管道兩側(cè)均被固定，其約束形式為全約束；跨越管道中間每隔5 m安裝一個(gè)支架，限制其在YZ方向運(yùn)動(dòng)，其參數(shù)如表3所示。

表3 瀾滄江跨越天然氣管道參數(shù)表

2.3 建立模型

根據(jù)管道參數(shù)以及安裝結(jié)構(gòu)圖，在CAESAR II軟件中建立包含兩側(cè)地下管道與跨越管道的計(jì)算模型。

為了得到使應(yīng)力最大化的沖擊荷載位置，通過(guò)在W的不同位置加載同一荷載，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)位置為W左端，即管道模型中的節(jié)點(diǎn)599，由于節(jié)點(diǎn)599處存在約束，故施加荷載時(shí)將作用點(diǎn)右移1 m，如圖3所示。

圖3 沖擊力施加位置示意圖

2.4 落石沖擊下管道應(yīng)力分布

為了研究管道應(yīng)力與落石撞擊的關(guān)系，模擬不同質(zhì)量落石從不同高度落下撞擊管道產(chǎn)生的應(yīng)力情況，列舉出部分撞擊點(diǎn)應(yīng)力模擬結(jié)果，如表4所示。需要說(shuō)明的是，CAESAR II軟件的計(jì)算結(jié)果僅能保證其在管材屈服極限內(nèi)的準(zhǔn)確性，當(dāng)管道產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)其屈服極限后，僅能判斷管道失效。

由表4可以看出，超過(guò)1 500 kg的落石撞擊管道會(huì)使管道失效，而質(zhì)量為1 000 kg的落石則不會(huì)使管道發(fā)生失效，為保證管道安全，將質(zhì)量為1 000 kg的落石視為危險(xiǎn)落石。

3 落石防治措施

根據(jù)瀾滄江跨越管道左側(cè)坡面地形以及落石運(yùn)動(dòng)軌跡，發(fā)現(xiàn)很適合安裝SNS柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)，因此選擇被動(dòng)型SNS柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)跨越管道進(jìn)行安全防護(hù)[15-17]。

3.1 落石防治措施及基本思路

為了保證管道的安全，首先建議將跨越區(qū)兩岸高陡邊坡上體積大于0.37 m3的可見(jiàn)落石予以清除，對(duì)于潛在危巖，采用SNS柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)。

為了減少落石沖擊作用對(duì)SNS防護(hù)網(wǎng)的影響，保證防護(hù)工作的有效性，同時(shí)盡量減少防護(hù)網(wǎng)的高度[18]，選擇將防護(hù)網(wǎng)安裝在落石能量及高度均較小的平緩坡面上。

3.2 落石防護(hù)網(wǎng)的布設(shè)

由于落石運(yùn)動(dòng)參數(shù)不僅決定著防護(hù)網(wǎng)的布設(shè)高度，同時(shí)也嚴(yán)重影響著防護(hù)網(wǎng)的工作效果，為了保證防護(hù)工作的有效性，需要對(duì)落石運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的參數(shù)進(jìn)行模擬研究。

3.2.1 防護(hù)網(wǎng)長(zhǎng)度

為了保證防護(hù)效果，防護(hù)網(wǎng)長(zhǎng)度應(yīng)等于落石威脅區(qū)域范圍與跨越管橋?qū)挾龋╠）之和。落石威脅區(qū)域范圍大小由偏移比指標(biāo)（η）以及落石坡面運(yùn)動(dòng)距離（S）確定。由于瀾滄江跨越管道區(qū)域落石災(zāi)害頻發(fā)，將其視為一級(jí)危險(xiǎn)性區(qū)域，取偏移比指標(biāo)η=0.3[19]。經(jīng)過(guò)模擬，落石在坡面上最大運(yùn)動(dòng)距離為S=250 m，故防護(hù)網(wǎng)長(zhǎng)度L=2ηS+d=2×0.3×250+10=160 m，如圖4所示。

3.2.2 防護(hù)網(wǎng)高度

為了得到落石動(dòng)能與彈跳高度間的關(guān)系，選擇L點(diǎn)作為初始點(diǎn)，對(duì)不同質(zhì)量落石的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)以下兩個(gè)位置E點(diǎn)（250 m，1 225 m）和H點(diǎn)（208 m，1 274 m）落石彈跳高度和攜帶總動(dòng)能同時(shí)最小的位置，為了保證攔截工作的有效性，根據(jù)落石運(yùn)動(dòng)情況以及現(xiàn)有防護(hù)網(wǎng)尺寸，在H點(diǎn)設(shè)置高度（h）為2 m的防護(hù)網(wǎng)，在E點(diǎn)設(shè)置高度（h）為4 m的防護(hù)網(wǎng)，利用RocFall軟件，添加防護(hù)網(wǎng)模型，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，防護(hù)網(wǎng)1上部有大量落石運(yùn)動(dòng)軌跡，但防護(hù)網(wǎng)1以下附近落石運(yùn)動(dòng)軌跡較少，說(shuō)明防護(hù)網(wǎng)1對(duì)部分落石進(jìn)行了有效攔截，同時(shí)防護(hù)網(wǎng)2以下無(wú)落石運(yùn)動(dòng)軌跡，說(shuō)明防護(hù)網(wǎng)2可以有效攔截防護(hù)網(wǎng)1無(wú)法攔截的落石，驗(yàn)證了防護(hù)網(wǎng)布設(shè)高度和布設(shè)位置的有效及合理性。

表4 不同落石高度下的管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

圖4 防護(hù)網(wǎng)安全布設(shè)長(zhǎng)度示意圖

圖5 防護(hù)網(wǎng)效果驗(yàn)證圖

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1）瀾滄江跨越管道左岸落石質(zhì)量以及下落高度對(duì)落石撞擊管道位置影響很小，撞擊點(diǎn)分布在以跨越管道起點(diǎn)為起點(diǎn)，長(zhǎng)度為13 m的范圍內(nèi)。

2）落石質(zhì)量對(duì)撞擊管道時(shí)落石攜帶的最大動(dòng)能影響極其顯著，呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，落石下落高度的影響則微乎其微。

3）質(zhì)量超過(guò)1 000 kg的落石均可能對(duì)管道造成致命損壞，應(yīng)予以去除。

4）在對(duì)管道進(jìn)行落石防護(hù)措施時(shí)，應(yīng)根據(jù)落石運(yùn)動(dòng)軌跡、動(dòng)能以及彈跳高度合理布設(shè)防護(hù)網(wǎng)，必要時(shí)，可進(jìn)行多層防護(hù)。

4.2 建議

1）未考慮落石形狀對(duì)沖擊作用的影響，不同形狀的落石可能在管道上產(chǎn)生不同的應(yīng)力分布情況，因此需要研究落石形狀對(duì)沖擊作用的影響。

2）只考慮了一次沖擊作用下管道失效的情形，但對(duì)于山區(qū)管道，可能遭受多次較小石塊的沖擊作用，在這種情況下，管道可能發(fā)生疲勞失效；同時(shí)，落石與管壁發(fā)生擦碰時(shí)，可能產(chǎn)生刮痕，使管道更容易發(fā)生腐蝕，從而導(dǎo)致管道失效，因此也需要防范較小落石的影響。