穿越走滑斷層的輸氣管道力學(xué)性能研究

王云翔，陳艷華,2

(1.華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山063210；2.河北省地震工程研究中心，河北 唐山063210)

引言

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，天然氣作為一種清潔能源，是現(xiàn)階段我國(guó)建設(shè)清潔低碳，安全高效能源體系的重要一環(huán)，其需求與日俱增。隨著城鎮(zhèn)天然氣輸配系統(tǒng)的不斷升級(jí)，燃?xì)馄占奥试趥€(gè)別一線城市可以達(dá)到99%，中小城市可以達(dá)到60%，自2019年各地出臺(tái)天然氣進(jìn)村惠農(nóng)政策，天然氣的使用以及普及率再創(chuàng)新高。

對(duì)于天然氣而言，管道是其主要的運(yùn)輸方式。當(dāng)天然氣管道敷設(shè)在地下時(shí)，受人為因素影響小、運(yùn)輸安全可靠、耗能少、成本低且不占用地面空間，但是受土壤液化、地基斷層等場(chǎng)地變形的影響較大，管道敷設(shè)路段一旦發(fā)生較大場(chǎng)地變形，管道破損將會(huì)造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)于場(chǎng)地變形下城鎮(zhèn)地下敷設(shè)的天然氣管道的力學(xué)性能研究尤為重要。

近年來，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)地下敷設(shè)管道做了一系列的研究，從理論研究、數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究這3個(gè)方面分析了場(chǎng)地變形下埋地管道的力學(xué)性能。在地下管道模型試驗(yàn)研究方面，日本學(xué)者高田至郎[1]率先設(shè)計(jì)了基于沙箱的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?duì)土壤液化下的聚氯乙烯管道進(jìn)行了分析，討論了管道應(yīng)力分布和位移反應(yīng)等，推動(dòng)了場(chǎng)地變形下埋地管道的研究。馮啟民等[2]通過靜力和動(dòng)力加載試驗(yàn)，測(cè)量了加載過程中管道的應(yīng)變和位移，以及管道相對(duì)變形最大值出現(xiàn)的位置，取得了理想的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及結(jié)論。Hayakawa S[3]采用兩段箱體模擬斷層運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)模擬了滑動(dòng)斷層和逆斷層作用下的地下管道試驗(yàn)，研究了管道埋深、管徑、跨越角和剪切波速等因素對(duì)管道的影響，得出管道最大彎曲應(yīng)力隨埋深、管徑和跨越角的增大而增大，并且淺埋有助于減小管道橫向彎曲破壞的概率。部分研究者[4-6]設(shè)計(jì)了離心機(jī)加載試驗(yàn)，對(duì)兩箱體試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行加載，模擬了正斷層和走滑斷層，得到了斷層作用下管土相互作用下力和變形之間的p-y關(guān)系曲線。張志超等[7]針對(duì)跨斷層地下管線進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究，對(duì)地下管線承受斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)應(yīng)變的分布規(guī)律及管周動(dòng)土壓力進(jìn)行了分析，試驗(yàn)得出在跨斷層地下管道中，管土系統(tǒng)本身動(dòng)力效應(yīng)影響較小，可忽略不計(jì)。文獻(xiàn)[8]采用全尺寸試驗(yàn)對(duì)逆斷層作用下管道力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了分析，分析了水平和垂直偏移、埋深、徑厚比以及交叉角等因素對(duì)管道抗震行為的影響。文獻(xiàn)[9]研究了埋地充液管道不同接口在走滑斷層下的力學(xué)性能，結(jié)果表明在走滑斷層作用下埋地管道接口應(yīng)該使用焊接連接，不適合法蘭連接；并且埋地管道接口不應(yīng)設(shè)置在斷層附近。Rofooei FR[10]通過管道-砂土橫向相互作用試驗(yàn)，研究了砂土密實(shí)度、深徑比等因素對(duì)土體抗力的影響，探討了不同埋深下管道與土體相互作用的規(guī)律。這些試驗(yàn)大多針對(duì)空管或者輸液管道進(jìn)行研究，對(duì)于穿越走滑斷層的輸氣管道研究較少。因此，該試驗(yàn)著重研究城鎮(zhèn)埋地天然氣管道在走滑穿層作用下的力學(xué)性能，選取管內(nèi)介質(zhì)壓力、輸氣管道與斷層面夾角為變量對(duì)管道的力學(xué)性能進(jìn)行分析。為減少城鎮(zhèn)輸氣管道的破壞，確定走滑斷層變形下天然氣管道最薄弱位置以及發(fā)生斷層時(shí)管道的動(dòng)態(tài)破壞過程，為埋地天然氣管網(wǎng)的設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并為埋地天然氣管網(wǎng)數(shù)值模擬提供參考。

1試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)裝置

考慮走滑斷層附近土體與管道的相互作用，改進(jìn)前期自主研發(fā)的用于模擬走滑斷層和不均勻沉降試驗(yàn)的三箱體試驗(yàn)裝置，使其更加符合試驗(yàn)研究情況。裝置如圖1所示，左側(cè)兩箱體為固定區(qū)，右側(cè)帶滑輪箱體為錯(cuò)動(dòng)區(qū)；箱體高為1 m，其中箱內(nèi)土體總高為0.8 m，箱體寬為0.8 m，總長(zhǎng)為4 m(其中)固定區(qū)為2.7 m、錯(cuò)動(dòng)區(qū)為1.3 m，斷層位于固定區(qū)與錯(cuò)動(dòng)區(qū)銜接處。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

根據(jù)張志超[7]提出的相似比，試驗(yàn)采用42*3.5 mm的無縫鋼管，屈服強(qiáng)度為282.5 MPa、抗拉強(qiáng)度為365.4 MPa，彈性模量為201 GPa，管長(zhǎng)為4.6 m，其中箱體內(nèi)管長(zhǎng)4 m，箱體兩側(cè)各為0.3 m。由于試驗(yàn)條件限制以及出于安全考慮，試驗(yàn)中采用壓縮空氣來代替天然氣，利用空氣壓縮機(jī)將空氣加壓到所需壓力后充入管內(nèi)以模擬管道內(nèi)部不同壓強(qiáng)。管道一側(cè)連接壓力表，用來觀測(cè)管內(nèi)實(shí)時(shí)壓力。管道埋深設(shè)計(jì)為0.5 m，土體選用唐山市附近一施工基坑中挖掘出的土體，經(jīng)過觀測(cè)土體為砂質(zhì)粘土，用環(huán)刀法測(cè)得土體濕密度為2 030 kg/m3，干密度為1 760 kg/m3。再通過三軸壓縮試驗(yàn)及相關(guān)試驗(yàn)測(cè)得土體內(nèi)摩擦角為φ=7.8°、泊松比為μ=0.38、彈性模量為0.008 GPa、內(nèi)聚力c=35.5 kPa。為使試驗(yàn)所用土樣具有足夠的密實(shí)度，覆土10 cm夯實(shí)一次并且在夯實(shí)后采用環(huán)刀法觀測(cè)土體密實(shí)度，達(dá)到預(yù)定密實(shí)度后繼續(xù)下一層的填壓。

1.2 試驗(yàn)方案

共設(shè)計(jì)5組工況來研究埋地天然氣管道在穿越走滑斷層時(shí)的力學(xué)性能。具體如表1所示：

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

工況1、2、3管內(nèi)壓力分別為0.1 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案完成這3組試驗(yàn)，研究走滑斷層作用下管內(nèi)不同壓力對(duì)天然氣管道力學(xué)性能的影響。

工況3、4、5管道與斷層面交角分別為90°、86°、81°，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案完成這3組試驗(yàn)，研究走滑斷層作用下斷層面交角對(duì)天然氣管道力學(xué)性能的影響。

1.3 試驗(yàn)加載及數(shù)據(jù)測(cè)量

根據(jù)張志超[7]試驗(yàn)得出，地震加速度對(duì)于埋地管道的力學(xué)性能影響并不大，故采用靜力加載，即用機(jī)械千斤頂對(duì)錯(cuò)動(dòng)區(qū)箱體施加勻速位移荷載，所用機(jī)械千斤頂位移極限為150 mm，為使試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，以防特殊原因?qū)е虑Ы镯斘茨苓_(dá)到極限位移，故設(shè)計(jì)錯(cuò)動(dòng)區(qū)最大位移為130 mm。根據(jù)試驗(yàn)室實(shí)際情況，加載速率確定為1 mm/s。為使得試驗(yàn)加載過程中錯(cuò)動(dòng)區(qū)箱體能夠平緩地向前移動(dòng)，在錯(cuò)動(dòng)區(qū)箱體后側(cè)加裝一根承力梁，機(jī)械千斤頂將作用于承力梁的中部并將位移荷載傳遞到錯(cuò)動(dòng)區(qū)箱體。

以往研究表明在管線的正常運(yùn)行中，地下管線的軸向變形往往占據(jù)主導(dǎo)地位，因此試驗(yàn)中主要測(cè)量沿管軸方向的軸向拉壓應(yīng)變。應(yīng)變片采用箔式電阻應(yīng)變片，粘貼于管道兩側(cè)各主要測(cè)點(diǎn)處。每組試驗(yàn)選取10個(gè)測(cè)點(diǎn)，從右往左依次為測(cè)點(diǎn)1～10，測(cè)點(diǎn)沿?cái)鄬用鎸?duì)稱分布且同一側(cè)點(diǎn)前后側(cè)各布設(shè)1個(gè)應(yīng)變片，共布設(shè)20個(gè)應(yīng)變片，具體應(yīng)變片布置方式見圖2(圖中標(biāo)注單位為mm)。

圖2 應(yīng)變片布置圖

試驗(yàn)開始后，當(dāng)箱體錯(cuò)動(dòng)位移達(dá)到10 mm時(shí)停止加載并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，并對(duì)各個(gè)測(cè)定處應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行校對(duì)。若數(shù)據(jù)存在問題，則及時(shí)找到問題的根源并解決；若數(shù)據(jù)無較大出入，則對(duì)錯(cuò)動(dòng)區(qū)箱體繼續(xù)加載，當(dāng)加載至預(yù)定最大位移量后停止加載并再次保存數(shù)據(jù)。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

千斤頂在開始加載后，錯(cuò)動(dòng)區(qū)箱體勻速向前移動(dòng)。箱體錯(cuò)動(dòng)位移達(dá)到5 mm之前土體沒有明顯的變化，當(dāng)錯(cuò)動(dòng)位移超過5 mm之后，斷層面附近土體開始產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，土體被剪切成為兩部分，且隨著錯(cuò)距的增大土體被剪切的越明顯。斷層面上方土體被擠壓拱起，遠(yuǎn)離斷層面的土體沒有明顯變化。土體中管道跟隨土體一起運(yùn)動(dòng)并發(fā)生變形，且管道變形沿?cái)鄬用娉手行膶?duì)稱。管道從試驗(yàn)前的一字型變形為最終的Z字型，觀察發(fā)現(xiàn)管道最大變形發(fā)生在距離斷層面400 mm處，大約為10倍管徑處。圖3為管道前側(cè)應(yīng)變沿管軸變化情況，最大應(yīng)變出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)8處，這與管道最大變形出現(xiàn)在10倍管徑相對(duì)應(yīng)。5組試驗(yàn)中，錯(cuò)動(dòng)位移量都沒有達(dá)到管道受力極限，因此管道沒有發(fā)生破壞。試驗(yàn)后斷層面附近土體變化如圖4所示。

圖3 管道前側(cè)應(yīng)變沿管軸變化 圖4 斷層面附近土體變化

2.2 管內(nèi)氣壓對(duì)埋地天然氣管道的影響

圖5為工況1時(shí)，不同斷層錯(cuò)距下管道前后側(cè)各測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)變變化幅值。從圖5中可以看出，管道在穿越走滑斷層時(shí)，錯(cuò)動(dòng)區(qū)管道前側(cè)為拉應(yīng)變、后側(cè)為壓應(yīng)變，說明此時(shí)錯(cuò)動(dòng)區(qū)管道前側(cè)受拉、后側(cè)受壓；而固定區(qū)管道前后側(cè)應(yīng)變幅值與錯(cuò)動(dòng)區(qū)管道應(yīng)變符號(hào)相反，大小相近。并且當(dāng)斷層錯(cuò)距小于60 mm時(shí)，管道前后側(cè)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化緩慢，分析可知這是由于斷層錯(cuò)距較小時(shí)管周土體和管道作為一個(gè)整體發(fā)揮作用，管道在土體中既承受管周土體的重力荷載而發(fā)生變形同時(shí)管周土體的彈性抗力又約束管道發(fā)生變形，從而增強(qiáng)管道強(qiáng)度和剛度。當(dāng)斷層錯(cuò)距超過60 mm后，測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)8處應(yīng)變迅速增大，其他測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率較之前沒有較大變化。分析可知，當(dāng)斷層錯(cuò)距達(dá)到一定距離后，管道周圍覆土已經(jīng)達(dá)到最大荷載而屈服，管道失去管周覆土的彈性抗力作用，因而應(yīng)變值顯著增大。當(dāng)斷層錯(cuò)距達(dá)到120 mm時(shí)錯(cuò)動(dòng)區(qū)管道前后側(cè)最大微應(yīng)變均為5 295.9，已經(jīng)達(dá)到箔式電阻應(yīng)變片最大應(yīng)變限值；而固定區(qū)管道前側(cè)最大微應(yīng)變?yōu)? 140.36，后側(cè)最大微應(yīng)變?yōu)? 087.41，也已接近應(yīng)變片最大應(yīng)變限值。

圖5 工況1時(shí)沿管軸應(yīng)變幅值

圖6為斷層錯(cuò)距達(dá)到最大值120 mm時(shí),不同內(nèi)壓工況下管道前后側(cè)軸向應(yīng)變沿管軸的分布。從圖6中可以看出斷層錯(cuò)距達(dá)到最大值時(shí)，管內(nèi)壓強(qiáng)為0.4 MPa和0.6 MPa的管道應(yīng)變沿管軸分布趨勢(shì)與管內(nèi)壓強(qiáng)為0.1 MPa時(shí)相比較，沒有大的差異。都是錯(cuò)動(dòng)區(qū)前側(cè)受拉后側(cè)受壓，固定區(qū)前側(cè)受壓后側(cè)受拉。但是從圖6中可以看出，隨著管內(nèi)壓強(qiáng)的增大，管道各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值都普遍減小，其中測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)8處最為明顯；管內(nèi)壓強(qiáng)為0.1 MPa時(shí)，測(cè)點(diǎn)3處前側(cè)微應(yīng)變?yōu)? 832.47；管內(nèi)壓強(qiáng)為0.4 MPa時(shí)，測(cè)點(diǎn)3處前側(cè)微應(yīng)變值為3 858.28，相對(duì)于0.1 MPa時(shí)應(yīng)變減小了20.2%；管內(nèi)壓強(qiáng)為0.6 MPa時(shí)，測(cè)點(diǎn)3處前側(cè)微應(yīng)變?yōu)? 289.36，相對(duì)于0.1 MPa時(shí)應(yīng)變減小了31.9%，相對(duì)于0.4 MPa時(shí)應(yīng)變減小了14.7%。說明了對(duì)于埋地天然氣不銹鋼管道而言，管內(nèi)氣體壓力能夠在一定程度上增強(qiáng)管道的力學(xué)性能，并且在一定程度上可以減緩管道出現(xiàn)應(yīng)變集中。并且觀察測(cè)點(diǎn)2處可以看出，0.4 MPa和0.6 MPa內(nèi)壓時(shí)應(yīng)變大于0.1 MPa時(shí)的應(yīng)變，通過分析可知，這是由于測(cè)點(diǎn)3處于錯(cuò)動(dòng)區(qū)中，管內(nèi)氣體壓力、管道以及管周土體共同作用使得測(cè)點(diǎn)3處管道性能增強(qiáng)，而測(cè)點(diǎn)2處受測(cè)點(diǎn)3處的影響，應(yīng)變?cè)龃蟆?/p>

圖6 最大錯(cuò)距應(yīng)變沿管軸變化幅值 圖7 測(cè)點(diǎn)3處應(yīng)變沿錯(cuò)距變化幅值

圖7為不測(cè)點(diǎn)3在不同內(nèi)壓工況下前后側(cè)隨斷層錯(cuò)距的應(yīng)變變化趨勢(shì)，從圖7中可以看到，隨著斷層錯(cuò)距的增加，管道前后側(cè)應(yīng)變都緩慢增大，并且在錯(cuò)距達(dá)到70 mm之前應(yīng)變大小及增長(zhǎng)速率都相差不大。但是在錯(cuò)距達(dá)到70 mm過后，壓強(qiáng)為0.1 MPa的內(nèi)壓管道應(yīng)變迅速增大，而0.4 MPa和0.6 MPa內(nèi)壓管道增長(zhǎng)趨勢(shì)依舊平緩，且0.6 MPa內(nèi)壓管道比0.4 MPa內(nèi)壓管道的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率更緩慢。

綜上所述，對(duì)于埋地天然氣管道而言，管內(nèi)氣體壓力能夠在一定程度上增強(qiáng)管道的力學(xué)性能，并且在一定程度上可以減緩管道出現(xiàn)應(yīng)變集中。

2.3 管道與斷層面交角大小的影響

圖8～圖10為埋地天然氣管道與斷層面不同夾角時(shí)，管道沿管軸各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變幅值。觀察圖8、圖9和圖10管道前后側(cè)應(yīng)變變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管道與斷層面夾角為90°時(shí)，管道各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值沿管軸以斷層面為對(duì)稱軸近似對(duì)稱；隨著管道與斷層面夾角的減小，管道前后側(cè)沿管軸應(yīng)變值以斷層面為對(duì)稱軸近似對(duì)稱不明顯，管道各測(cè)點(diǎn)平均應(yīng)變較90°交角時(shí)變小，并且管道前側(cè)應(yīng)變小于管道后側(cè)應(yīng)變，分析可知，埋地管道以小于90°交角穿越走滑斷層時(shí)，隨著錯(cuò)距的增加，管道后側(cè)的土體會(huì)逐漸與管道分離，而管道前側(cè)土體受管道的擠壓會(huì)變得更加的密實(shí)并和管道緊緊貼合，而角度越小土體與管道作用力就會(huì)越強(qiáng)，這就使得管道前后側(cè)受力不同，管道前側(cè)剛度大于管道后側(cè)，導(dǎo)致前側(cè)應(yīng)變較小后側(cè)應(yīng)變較大。如圖9所示，當(dāng)管道與斷層面夾角為86°時(shí)，管道前后側(cè)應(yīng)變隨斷層錯(cuò)距的變化增長(zhǎng)相對(duì)平緩。如圖10所示為管道與斷層面交角為81°時(shí)，應(yīng)變沿管軸的分布，從圖中可以看出81°交角相較于90°、86°交角而言，最大拉伸和壓應(yīng)變都有變小，分析可知，管道以小于90°交角穿越走滑斷層時(shí)，土體對(duì)管道的軸向拉伸分量大，這使得管道主要受拉應(yīng)力作用，而90°交角時(shí)土體會(huì)受到更大的壓力。同時(shí)還可以看出交角為81°時(shí)，錯(cuò)動(dòng)區(qū)后側(cè)最大壓應(yīng)變轉(zhuǎn)移到測(cè)點(diǎn)4處，應(yīng)變數(shù)值略大于測(cè)點(diǎn)3處應(yīng)變，說明當(dāng)管道與斷層面交角減小時(shí)，錯(cuò)動(dòng)區(qū)應(yīng)變峰值有向斷層面靠近的趨勢(shì)。

圖8 交角為90°時(shí)沿管軸應(yīng)變幅值

圖9 交角為86°時(shí)沿管軸應(yīng)變幅值

圖10 交角為81°時(shí)沿管軸應(yīng)變幅值

圖11為管道與斷層面不同交角時(shí)，錯(cuò)動(dòng)區(qū)管道應(yīng)變最大測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變隨著斷層錯(cuò)距的變化情況，從圖11中可以直觀地看出，當(dāng)斷層錯(cuò)距小于50 mm時(shí)，不同交角管道最大應(yīng)變趨于一致，而當(dāng)斷層錯(cuò)距超過50 mm后，90°交角工況的管道最大應(yīng)變變化明顯，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度急劇增大，另外2個(gè)工況會(huì)產(chǎn)生更小的壓縮應(yīng)變。由圖11可知，90°、86°、81°交角工況下最大壓應(yīng)變測(cè)點(diǎn)處平均應(yīng)變分別為2 284.3、2 039.6、1 857.5，其中81°交角工況管道平均應(yīng)變明顯小于其他工況。綜上所述，埋地天然氣管道以較小角度穿越走滑斷層更安全。

圖11 不同工況測(cè)點(diǎn)3壓應(yīng)變變化幅值

3結(jié)論

(1)埋地天然氣管道管內(nèi)氣壓在一定程度上強(qiáng)化了管道的力學(xué)性能，減緩管道產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)一步增強(qiáng)管道抵抗斷層錯(cuò)動(dòng)的影響，且隨著管內(nèi)氣壓的增大抵抗走滑斷層作用效果更好。

(2)埋地管道與斷層面交角為90°時(shí)，應(yīng)變幅值以斷層面為中心大致呈反對(duì)稱分布，且同一測(cè)點(diǎn)前后側(cè)應(yīng)變大小基本相等、方向相反；而交角小于90°時(shí)，應(yīng)變幅值以斷層面為中心反對(duì)稱分布不明顯，且管道后側(cè)應(yīng)變大于前側(cè)應(yīng)變。

(3)管道與斷層面不同交角會(huì)導(dǎo)致管道受力的不同，交角在80°～90°之間時(shí)，交角越小管道所承受的拉壓應(yīng)力均會(huì)變小，且角度越小管道最大應(yīng)變處變化越明顯，因此管道以較小的夾角穿越走滑斷層有利于管道安全。