多影響因素下管道滑坡地質災害預警模型研究

彭云超,李 昕,齊 峰,董志博

(1.國家管網集團東部原油儲運有限公司,江蘇徐州 221008;2.中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所(山地災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、沿線地質環境復雜多變。由于各方面的考慮,管道可能敷設在滑坡地帶,也有可能在管道敷設后由于工程活動或者地址變動等種種原因導致沿線發生滑坡。而滑坡災害對管道危害巨大,能夠擠壓管道導致管道變形甚至破壞,進而導致管道輸送的油氣泄露,影響管網的正常運營。因此,研究各種因素對滑坡導致管道的破壞行為的影響,并基于此給出其影響函數和滑坡各階段的判據,進而提出分階段的滑坡預警模型,能夠為管道在滑坡地帶的監測預警提供支撐,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力和變形;王磊等[4]研究了管道與滑坡相對位置關系及其作用機制,建立了力學計算模型并討論了相關因素多管道的影響;林冬等[5]建立了管道全埋設情況下的土質滑坡模型,并進行了滑坡作用下管道應力狀態試驗研究;Rajani等[6]采用簡化方法分析管道在滑坡影響下的力學行為;Chan[7]考慮了管土相互作用的關系,得出3種典型滑坡下管線應變數學模型,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]通過數值模擬分析了管道在軸向和橫向拉力作用下的應力應變;張東臣等[10]闡述了埋地管線在地滑力作用下的變形情況,確定了管道最大應力位置;王滬毅[11]建立了管道在滑坡作用下的力學模型;劉慧[12]通過數值模擬研究了管道在滑坡作用下的應力應變狀態;許小路[13]采用數值模擬方法計算并繪制了管道的變形破壞曲線。Bruschi等[14-15]人在現場和室內試驗的基礎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]系統地開展了滑坡區埋地管道變形破壞的臨界判據與敏感區段的研究。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,國內外對滑坡導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,本研究將以現場調研為基礎,結合數值模擬手段,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開展管道滑坡預警模型研究。

1 現場踏勘

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

圖1 東南沿海地區某管道沿線土體滑坡現場

(1)管道沿線滑坡災害主要是由于人類活動導致的(17處滑坡中12處產生的主要原因為人類工程活動),包括:人工切坡、采空、碾壓坡頂等。

(2)管道沿線滑坡主要以土質小型滑坡為主(17處滑坡中11為純土質滑坡,5次為礫石土滑坡,1次為細碎巖質滑坡),并未發現大型巖質滑坡災害。

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

2 數值模擬

2.1 模擬工況

基于踏勘結果,設置的模擬工況如表1所示。主要變量為滑坡規模參數包括: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。管道滑坡地質災害模擬示意見圖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

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

表2 巖土體參數

表3 管線材料參數

2.3 模擬結果

對于管道失效判據一般包括應力判據和應變判據兩種,對于在滑坡災害下,管道應力超過比例極限后的繼續變形, 應力失效判據已不再適用, 應以應變失效判據為基礎。橢圓度也是常用的管道失效判據(其本質也是應變判據),因此,本次研究也主要提取了各影響因素對管道最大應變以及橢圓度的影響。

2.3.1 管道橫向穿越滑坡模擬結果

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變以及橢圓度變化,結果如圖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變及橢圓度變化

圖4 滑坡體厚度對管道最大應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變以及橢圓度變化。模擬工況設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,結果如圖8～圖10所示。

圖8 滑坡體厚度對管道最大應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變及橢圓度變化的影響(縱向)

2.4 模擬結果討論

對比模擬結果可以得出結論:

(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定土體質量變大、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定土體質量大于滑坡體后緣,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警模型

如式(1)所示,借鑒動態本構模型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,將各影響函數相乘給出整體的影響函數。

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,K為基準數據。

基于數值模擬結果,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為基準數據,f(x)是第x影響因素的影響函數。

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

(3)

分析各數據與基準數據之間的差值,采用回歸算法擬合得到,即可得到各數據的體影響系數值,再通過固定系數分析法即可擬合出各影響因素的影響函數(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,計算無量綱下管道最大應變、橢圓度以及穩定系數與坡體狀態(坡體變形乘以影響力函數),給出分階段的管道滑坡災害預警模型。

圖11 預警模型示意

3.1 管道橫向穿越滑坡的預警模型

由圖11(a)可知:

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

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

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

(4)當歸一化土體位移達到0.077時,滑坡土體處于欠穩定階段(<1.05),管道橢圓度達到規定閾值,且管道最大應變達到閾值3%,并呈現加速增長的趨勢,根據GB 50251-2015《輸氣管道工程設計規范》規定,此時管道處于失穩破壞狀態,滑坡區域內管道破壞泄漏的可能性很大,各種短臨前兆特征顯著,此時預警等級為災變級。

3.2 管道縱向穿越滑坡的預警模型

由圖11(b)可知:

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

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

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

(4)當歸一化土體位移達到1.3時,滑坡土體處于欠穩定階段(<1.05),管道橢圓度達到規定閾值,且管道最大應變達到閾值3%,并呈現加速增長的趨勢,根據GB 50251-2015《輸氣管道工程設計規范》規定,此時管道處于失穩破壞狀態,滑坡區域內管道破壞泄漏的可能性很大,各種短臨前兆特征顯著,此時預警等級為災變級。

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

4 結論

(1)通過現場調查分析,得出滑坡的規模(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系是決定滑坡對管道變形影響的主要因素。

(2)基于數值模擬得出: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結合坡體穩定性指標,給出的分階段管道滑坡災害預警模型,將管道本身的狀態與滑坡的狀態進行綜合考慮,能夠大大提高監測預警的準確性,降低誤報和漏報的概率。