彭云超,李 昕,齊 峰,董志博

(1.國家管網(wǎng)集團東部原油儲運有限公司,江蘇徐州 221008;2.中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所(山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室),四川成都 610041)

0 引言

油氣管道是目前最重要的能源輸送方式之一,我國陸上油氣管道總里程長、分布廣闊、沿線地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變。由于各方面的考慮,管道可能敷設(shè)在滑坡地帶,也有可能在管道敷設(shè)后由于工程活動或者地址變動等種種原因?qū)е卵鼐€發(fā)生滑坡。而滑坡災(zāi)害對管道危害巨大,能夠擠壓管道導(dǎo)致管道變形甚至破壞,進而導(dǎo)致管道輸送的油氣泄露,影響管網(wǎng)的正常運營。因此,研究各種因素對滑坡導(dǎo)致管道的破壞行為的影響,并基于此給出其影響函數(shù)和滑坡各階段的判據(jù),進而提出分階段的滑坡預(yù)警模型,能夠為管道在滑坡地帶的監(jiān)測預(yù)警提供支撐,具有重要的工程意義。

許多科研人員對滑坡引起的管道災(zāi)害和防治方法進行了研究。張坤勇等[1]分析了滑坡與管道的相互作用機理;帥健等[2]研究了滑坡作用下管道的破壞特征和防治策略;鄧道明等[3]用非線性方法計算了滑坡過程中管道的應(yīng)力和變形;王磊等[4]研究了管道與滑坡相對位置關(guān)系及其作用機制,建立了力學(xué)計算模型并討論了相關(guān)因素多管道的影響;林冬等[5]建立了管道全埋設(shè)情況下的土質(zhì)滑坡模型,并進行了滑坡作用下管道應(yīng)力狀態(tài)試驗研究;Rajani等[6]采用簡化方法分析管道在滑坡影響下的力學(xué)行為;Chan[7]考慮了管土相互作用的關(guān)系,得出3種典型滑坡下管線應(yīng)變數(shù)學(xué)模型,并進行了管線可靠度分析;Challamel等[8]提出了一種管土相互作用模型;Karimian[9]通過數(shù)值模擬分析了管道在軸向和橫向拉力作用下的應(yīng)力應(yīng)變;張東臣等[10]闡述了埋地管線在地滑力作用下的變形情況,確定了管道最大應(yīng)力位置;王滬毅[11]建立了管道在滑坡作用下的力學(xué)模型;劉慧[12]通過數(shù)值模擬研究了管道在滑坡作用下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài);許小路[13]采用數(shù)值模擬方法計算并繪制了管道的變形破壞曲線。Bruschi等[14-15]人在現(xiàn)場和室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上通過對管道的有限元離散化和非線性彈簧模型的分析,對蠕滑變形滑坡中管-土響應(yīng)的實際情況開展了研究。郝建斌等[16]研究了滑坡對管道推力的計算方法。席沙[17]系統(tǒng)地開展了滑坡區(qū)埋地管道變形破壞的臨界判據(jù)與敏感區(qū)段的研究。Zhang等[18]研究了海底滑坡對管道的沖擊力。Zheng等[19]研究了滑坡變形過程中埋地管道的失效分析與安全評價。

總的說來,國內(nèi)外對滑坡導(dǎo)致的管道變形開展了一系列的研究,也取得了一些研究進展。但在管道滑坡影響因素的量化分析研究上依舊還有不足。對此,本研究將以現(xiàn)場調(diào)研為基礎(chǔ),結(jié)合數(shù)值模擬手段,分析管道位于滑坡體不同位置、管道穿越滑坡的不同方式、滑坡體不同長度、不同寬度、不同厚度下管道的損傷及破壞情況,量化這些因素的影響,并進一步以此為基礎(chǔ)開展管道滑坡預(yù)警模型研究。

1 現(xiàn)場踏勘

為掌握管道沿線滑坡災(zāi)害的一手資料,了解滑坡對管道的影響,首先展開了現(xiàn)場踏勘工作。本次共對我國東南區(qū)域4條管道的沿線進行了踏勘,共計踏勘滑坡災(zāi)害點17處(圖1)。踏勘結(jié)果表明:

圖1 東南沿海地區(qū)某管道沿線土體滑坡現(xiàn)場

(1)管道沿線滑坡災(zāi)害主要是由于人類活動導(dǎo)致的(17處滑坡中12處產(chǎn)生的主要原因為人類工程活動),包括:人工切坡、采空、碾壓坡頂?shù)取?/p>

(2)管道沿線滑坡主要以土質(zhì)小型滑坡為主(17處滑坡中11為純土質(zhì)滑坡,5次為礫石土滑坡,1次為細碎巖質(zhì)滑坡),并未發(fā)現(xiàn)大型巖質(zhì)滑坡災(zāi)害。

(3)管道的敷設(shè)位置與滑坡的相對關(guān)系以及滑坡體本身的規(guī)模共同決定了管道的變形程度。

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬工況

基于踏勘結(jié)果,設(shè)置的模擬工況如表1所示。主要變量為滑坡規(guī)模參數(shù)包括:滑坡體的寬度、厚度、坡度以及長度;管道與滑坡的相對位置包括:管道橫向穿越滑坡體以及管道縱向穿越滑坡體2種情況,其中橫向穿越滑坡體還考慮了管道在滑坡體的前緣、中部和后緣3種情況。管道滑坡地質(zhì)災(zāi)害模擬示意見圖2。

表1 模擬工況列表

圖2 滑坡模擬模型示意

2.2 模擬參數(shù)

管道滑坡數(shù)值模擬涉及4種不同的巖土體材料,這些材料的參數(shù)通過通過現(xiàn)場勘察取樣并進行室內(nèi)實驗得到,見表2。根據(jù)研究區(qū)的實際管道參數(shù),以及參照輸油鋼管管材技術(shù)要求執(zhí)行標準GB/T9711-2011《石油天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)用鋼管》,本次研究的區(qū)域的管道為L320螺旋縫埋弧焊鋼管,具體材料參數(shù)見表3。

表2 巖土體參數(shù)

表3 管線材料參數(shù)

2.3 模擬結(jié)果

對于管道失效判據(jù)一般包括應(yīng)力判據(jù)和應(yīng)變判據(jù)兩種,對于在滑坡災(zāi)害下,管道應(yīng)力超過比例極限后的繼續(xù)變形, 應(yīng)力失效判據(jù)已不再適用, 應(yīng)以應(yīng)變失效判據(jù)為基礎(chǔ)。橢圓度也是常用的管道失效判據(jù)(其本質(zhì)也是應(yīng)變判據(jù)),因此,本次研究也主要提取了各影響因素對管道最大應(yīng)變以及橢圓度的影響。

2.3.1 管道橫向穿越滑坡模擬結(jié)果

管道橫向穿越滑坡時,提取了管道位于滑坡不同位置以及滑坡體厚度、寬度、長度、坡度不同時管道最大應(yīng)變以及橢圓度變化,結(jié)果如圖3～圖7所示。

圖3 管道位于滑坡體不同位置時管道的最大應(yīng)變及橢圓度變化

圖4 滑坡體厚度對管道最大應(yīng)變及橢圓度變化的影響(橫向)

圖6 滑坡體長度對管道最大應(yīng)變及橢圓度變化的影響(橫向)

圖7 滑坡體坡度對管道最大應(yīng)變及橢圓度變化的影響(橫向)

2.3.2 管道縱向穿越滑坡模擬結(jié)果

管道縱向穿越滑坡時,主要提取了滑坡體厚度、長度、坡度不同時管道最大應(yīng)變以及橢圓度變化。模擬工況設(shè)置為管道處于滑坡體中間,因此,并未考慮管道與滑坡體相對位置及滑坡體寬度的影響,結(jié)果如圖8～圖10所示。

圖8 滑坡體厚度對管道最大應(yīng)變及橢圓度變化的影響(縱向)

圖10 滑坡體坡度對管道最大應(yīng)變及橢圓度變化的影響(縱向)

2.4 模擬結(jié)果討論

對比模擬結(jié)果可以得出結(jié)論:

(1)無論管道縱向穿過滑坡體還是橫向穿過滑坡體時,滑坡角度、滑坡厚度和滑坡長度對管道變形的影響一致,即隨著這些量的增加管道變形量也在增加。這是由于隨著這些量的變大管道上方不穩(wěn)定土體質(zhì)量變大、不平衡力變大,因此,管道的變形量有所變大。

(2)在管道橫向穿過滑坡時,隨著滑坡體寬度的增加,管道變形反而減小?；聦挾仍叫?應(yīng)變越集中。因此,管道變形越大。

(3)在管道橫向穿過滑坡時,管道處于滑坡體的前緣相對安全,其次是滑坡體的后緣,在滑坡體中部最為危險?；麦w前緣土體受下方的穩(wěn)定土體支撐,不平衡力最小,因此,管道位于滑坡體前緣變形量最小;滑坡體中部承載的不穩(wěn)定土體質(zhì)量大于滑坡體后緣,因此,管道位于滑坡體中部變形量最大。

3 影響因素的量化影響及預(yù)警模型

如式(1)所示,借鑒動態(tài)本構(gòu)模型Johnson-Cook 模型[20]的分析方式,將各影響因素對管道變形的影響單獨分析,形成單個影響因素的影響函數(shù),將各影響函數(shù)相乘給出整體的影響函數(shù)。

d=f(x1)×f(x2).....×f(xn)×K

(1)

式中:d是管道的變形,xn是第n個影響因素,f(xn)是第n個影響因素的影響函數(shù),K為基準數(shù)據(jù)。

基于數(shù)值模擬結(jié)果,本次主要考慮的影響因素為,滑坡體的坡度、滑坡體的寬度、滑坡體的厚度以及滑坡體的長度。

為了保障本次分析中量綱的準確性,首先進行無量綱化,其中滑坡體的坡度本身并無單位,因此,將滑坡體的寬度、厚度、長度以及管道的變形分別除以滑坡體的坡度,來進行無量綱化。即無量綱化后的影響公式為式(2)。

(2)

式中:A是滑坡體的坡度,w是滑坡體的寬度,D是滑坡體的厚度,L是滑坡以的長度m,K為基準數(shù)據(jù),f(x)是第x影響因素的影響函數(shù)。

以坡度90°、滑坡體寬度30 m、厚度30 m、長度30 m的管道變形數(shù)據(jù)為基準數(shù)據(jù),即為式(3)。

(3)

分析各數(shù)據(jù)與基準數(shù)據(jù)之間的差值,采用回歸算法擬合得到,即可得到各數(shù)據(jù)的體影響系數(shù)值,再通過固定系數(shù)分析法即可擬合出各影響因素的影響函數(shù)(表4、表5)。

表5 管道縱向穿越滑坡工況

如圖11所示,基于影響函數(shù),計算無量綱下管道最大應(yīng)變、橢圓度以及穩(wěn)定系數(shù)與坡體狀態(tài)(坡體變形乘以影響力函數(shù)),給出分階段的管道滑坡災(zāi)害預(yù)警模型。

圖11 預(yù)警模型示意

3.1 管道橫向穿越滑坡的預(yù)警模型

由圖11(a)可知:

(1)當歸一化土體位移達到0.016時,滑坡土體的穩(wěn)定性系數(shù)驟減,管道最大應(yīng)變和橢圓度隨滑坡歸一化土體位移線性變化,但管道最大應(yīng)變和橢圓度變化都小于閾值,且滑坡穩(wěn)定性系數(shù)大于1.05,滑坡土體的抗剪強度明顯大于下滑強度,土體穩(wěn)定,管道有一定的變形特征,但滑坡區(qū)域內(nèi)管道破壞泄漏的可能性很小,此時預(yù)警等級為注意級。

(2)當歸一化土體位移達到0.03,管道最大應(yīng)變和橢圓度隨歸一化土體位移變化速率增大,且土體穩(wěn)定性系數(shù)繼續(xù)減小并接近欠穩(wěn)定狀態(tài)(<1.05),此時管道隨土體變形有明顯的變形特征,滑坡區(qū)域內(nèi)管道破壞泄漏的可能性較小,此時預(yù)警等級為警示級。

(3)當歸一化土體位移達到0.05時,此時滑坡土體的穩(wěn)定系數(shù)小于1.05,滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài),且管道橢圓度達到閾值,但此時管道的最大應(yīng)變并未達到失穩(wěn)閾值,此時預(yù)警等級為警報級。

(4)當歸一化土體位移達到0.077時,滑坡土體處于欠穩(wěn)定階段(<1.05),管道橢圓度達到規(guī)定閾值,且管道最大應(yīng)變達到閾值3%,并呈現(xiàn)加速增長的趨勢,根據(jù)GB 50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,此時管道處于失穩(wěn)破壞狀態(tài),滑坡區(qū)域內(nèi)管道破壞泄漏的可能性很大,各種短臨前兆特征顯著,此時預(yù)警等級為災(zāi)變級。

3.2 管道縱向穿越滑坡的預(yù)警模型

由圖11(b)可知:

(1)當歸一化土體位移達到0.25時,滑坡土體的穩(wěn)定性系數(shù)驟減,管道最大應(yīng)變和橢圓度隨滑坡歸一化土體位移線性變化,但管道最大應(yīng)變和橢圓度變化都小于閾值,且滑坡穩(wěn)定性系數(shù)大于1.05,滑坡土體的抗剪強度明顯大于下滑強度,土體穩(wěn)定,管道有一定的變形特征,但滑坡區(qū)域內(nèi)管道破壞泄漏的可能性很小,此時預(yù)警等級為注意級。

(2)當歸一化土體位移達到0.5,管道最大應(yīng)變和橢圓度隨歸一化土體位移變化速率增大,且土體穩(wěn)定性系數(shù)繼續(xù)減小并接近欠穩(wěn)定狀態(tài)(<1.05),此時管道隨土體變形有明顯的變形特征,滑坡區(qū)域內(nèi)管道破壞泄漏的可能性較小,此時預(yù)警等級為警示級。

(3)當歸一化土體位移達到0.65時,此時滑坡土體的穩(wěn)定系數(shù)小于1.05,滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài),且管道橢圓度達到閾值,但此時管道的最大應(yīng)變并未達到失穩(wěn)閾值,此時預(yù)警等級為警報級。

(4)當歸一化土體位移達到1.3時,滑坡土體處于欠穩(wěn)定階段(<1.05),管道橢圓度達到規(guī)定閾值,且管道最大應(yīng)變達到閾值3%,并呈現(xiàn)加速增長的趨勢,根據(jù)GB 50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,此時管道處于失穩(wěn)破壞狀態(tài),滑坡區(qū)域內(nèi)管道破壞泄漏的可能性很大,各種短臨前兆特征顯著,此時預(yù)警等級為災(zāi)變級。

現(xiàn)有預(yù)警模型中基于管道狀態(tài)的管道滑坡預(yù)警模型,過于遲鈍,可能在滑坡災(zāi)害發(fā)生后管道迅速變形破壞,致使無法提前采取處置措施;而基于滑坡體的預(yù)警模型則過于保守,滑坡體的運動并不一定導(dǎo)致管道發(fā)生變形。本模型結(jié)合了,上述兩類模型的優(yōu)點,綜合考慮了滑坡體狀態(tài)、穩(wěn)定性以及管道自身狀態(tài),能夠大大提高預(yù)警的準確性,降低誤報、漏報的概率,為管道的安全運營提供保障。

4 結(jié)論

(1)通過現(xiàn)場調(diào)查分析,得出滑坡的規(guī)模(受滑坡長度、滑坡寬度、滑坡坡度、滑坡厚度的影響)以及管道與滑坡體的位置關(guān)系是決定滑坡對管道變形影響的主要因素。

(2)基于數(shù)值模擬得出:無論管道縱向穿過滑坡體還是橫向穿過滑坡體時,滑坡角度、滑坡厚度和滑坡長度對管道變形的影響一致,即隨著這些量的增加管道變形量也在增加;在管道橫向穿過滑坡時,隨著滑坡體寬度的增加,管道變形反而減小;在管道橫向穿過滑坡時,管道處于滑坡體的前緣相對安全,其次是滑坡體的后緣,在滑坡體中部最為危險。

(3)以各影響因素的影響函數(shù)結(jié)合坡體穩(wěn)定性指標,給出的分階段管道滑坡災(zāi)害預(yù)警模型,將管道本身的狀態(tài)與滑坡的狀態(tài)進行綜合考慮,能夠大大提高監(jiān)測預(yù)警的準確性,降低誤報和漏報的概率。