橫穿滑坡天然氣管道失效機(jī)制研究

韓俊杰 黃迪文 汪海超 王正鴻 鄧清祿

摘要：中緬天然氣管道在貴州省晴隆縣境內(nèi)橫穿蔣壩營滑坡。該管道兩端邊界巖土性質(zhì)具有不對稱性，一端為土-土邊界，另一端為土-巖邊界?？紤]到管道兩端邊界巖土性質(zhì)存在差異，建立了靜力學(xué)模型，對管道的內(nèi)力和變形進(jìn)行分析，以揭示滑坡推力作用下該管道的力學(xué)響應(yīng)特征。結(jié)果表明：① 管道橫穿的滑坡段處于不安全或破壞狀態(tài)，不安全或破壞位置位于土-巖邊界端;② 管道的撓度分布曲線呈近似正態(tài)分布曲線形態(tài)，最大撓度位于中心偏土-土邊界端一側(cè);③ 管道的彎矩分布曲線呈拋物線形態(tài)，管道中部外側(cè)受拉，兩端內(nèi)側(cè)受拉，土-巖邊界端彎矩絕對值最大，管道最易發(fā)生破壞。研究成果可為類似存在敷設(shè)邊界差異的管道橫穿滑坡的安全評價(jià)及防治方案的論證提供參考。

關(guān) 鍵 詞：天然氣管道; 邊界差異; 靜力學(xué)模型; 強(qiáng)度校核; 蔣壩營滑坡

中圖法分類號： X43 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.032

0 引 言

長距離輸送石油或天然氣管道（長輸油氣管道）是典型的線性工程，是國家不可或缺的能源輸送渠道。管道在敷設(shè)過程中會穿越不同的地形地貌單元，穿越區(qū)域的地質(zhì)條件具有復(fù)雜性，其獨(dú)特的敷設(shè)方式將導(dǎo)致這些區(qū)域發(fā)育的各類地質(zhì)災(zāi)害不可避免地威脅長輸油氣管道的建設(shè)及安全運(yùn)營。其中，滑坡災(zāi)害引起的管道安全事故在管道地質(zhì)災(zāi)害中所占比例較高且危害性突出，管道敷設(shè)地段遇滑坡，會使管道發(fā)生變形乃至斷裂燃爆，也會對國家造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失以及環(huán)境影響[1]。

針對滑坡災(zāi)害對油氣管道的危害，國內(nèi)外學(xué)者均有一定的研究。林冬等[2]和吳銳等[3]根據(jù)管道走向與滑坡的滑向關(guān)系，將管道敷設(shè)方式分為橫穿滑坡、縱穿滑坡和斜穿滑坡3類，其中，橫穿滑坡即橫向滑坡對管道的危害最大。對橫向滑坡作用下管道內(nèi)力和變形的研究，勃洛達(dá)夫金[4]和貝卡夫等[5]對橫向和縱向滑坡作用下管道的不同受力狀態(tài)進(jìn)行了研究;Rajani等[6]在未考慮管-土相互作用的情況下，利用簡化法研究了無限寬橫向滑坡作用下管道的力學(xué)響應(yīng)行為;Chan等[7]在考慮管-土相對位移的情況下，得出了3種典型滑坡作用下管線的應(yīng)變模型;Challamel等[8]利用一種復(fù)合的模型探討了管-土相互作用;王滬毅[9]結(jié)合朗肯土壓力理論與地基學(xué)原理，建立了橫穿滑坡作用下管道的受力模型;梁政[10-11]、鄧道明等[12]、吳銳等[12]和王磊等[13]將滑坡體外的管道假設(shè)為半無限長梁，將滑坡體內(nèi)的管道假設(shè)為大撓度梁，求導(dǎo)出了管道在橫向滑坡作用下內(nèi)力和撓度的計(jì)算表達(dá)式;黃坤等[14]、唐正浩等[15]、Yatabe等[16]和Evans[17]采用數(shù)值模擬的方法對埋地管道的受力及變形特性開展了研究。

前人研究所取得的關(guān)于橫向滑坡作用下管道受力及變形狀態(tài)的認(rèn)識，可為滑坡區(qū)域管道保護(hù)提供科學(xué)的指導(dǎo)。但已有的研究均將管道橫穿滑坡的模型簡化為對稱模型考慮，而對可能存在的不對稱條件，即管道橫穿滑坡兩側(cè)邊界處的巖土性質(zhì)差異，未予以考慮。

本文以中緬天然氣管道橫穿蔣壩營滑坡為研究實(shí)例展開研究，其管道穿越滑坡體敷設(shè)的兩端邊界處巖土性質(zhì)具有不對稱性，一端為土-土邊界，另一端為土-巖邊界。2018年6月10日，該滑坡滑動變形，導(dǎo)致管道土-巖邊界端發(fā)生斷裂爆燃。通過建立管道橫穿滑坡且兩端敷設(shè)條件存在差異情況下的力學(xué)模型，來分析管道的內(nèi)力和變形特征，并認(rèn)識了蔣壩營滑坡作用導(dǎo)致管道變形破壞的機(jī)理。本文研究成果可為具有不對稱巖土邊界條件的類似管道滑坡開展安全評價(jià)及防治方案的論證提供指導(dǎo)與參考。

1 滑坡作用下管道的靜力學(xué)模型

在橫向滑坡中，將滑坡體外的管道假設(shè)為半無限長梁，將滑坡體內(nèi)的管道假設(shè)為受當(dāng)量軸力S0作用的大撓度梁。引入縱橫彎曲和管梁幾何方程的非線性問題，對管道的內(nèi)力和變形特征進(jìn)行研究[3，10-13]。本研究中，假設(shè)滑坡體作用在管道上的推力q沿滑坡寬度L均布[4]。管道穿越滑坡體兩側(cè)的敷設(shè)條件存在差異，一側(cè)為土-土邊界，另外一側(cè)為土-巖邊界。本文在考慮管溝回填土參數(shù)相似的前提下，假設(shè)滑坡體兩側(cè)的管道縱向拉伸保持對稱性[12]，土-巖邊界端一側(cè)限制管道橫向變形及轉(zhuǎn)動。為此，建立了兩端邊界巖土性質(zhì)存在差異的管道橫穿滑坡情況下的力學(xué)模型，如圖1所示。

圖1中各符號所代表示含義如表1所列，其中，x=L處截面的轉(zhuǎn)角和撓度均為0。

由于受溫差和內(nèi)壓以及滑坡體作用在管道上的推力q等因素的綜合作用，S0有時(shí)為拉力，有時(shí)為壓力[12]，需分別考慮S0為拉力和壓力時(shí)進(jìn)行求解。

求出N0后即可求出S0，進(jìn)而求出M0，Q0，ML和QL及撓度最大點(diǎn)f處截面的彎矩Mf。上述力學(xué)模型下管梁的最大撓度f不易求得，本文采用MATLAB軟件建立了管道撓度y與S0的函數(shù)關(guān)系式和縱向位移連續(xù)性中f與S0的函數(shù)關(guān)系式，通過列出一系列N0代入y與S0的函數(shù)關(guān)系式，利用求極值函數(shù)可求得ymax=f與S0的關(guān)系曲線，與代入縱向位移連續(xù)性中f與S0的另一關(guān)系曲線的交點(diǎn)即為所求結(jié)果。

2 蔣壩營滑坡管道受力分析

2.1 滑坡基本特征

蔣壩營滑坡位于貴州省晴隆縣沙子鎮(zhèn)三合村蔣壩營北?；聻橐蝗浠屯埔剖酵临|(zhì)滑坡，縱長約200 m，橫寬約130 m，滑向約300°，平均坡度約8°?；聟^(qū)地勢北西低南東、東高，北西側(cè)溝谷區(qū)高程約1 238～1 247 m，南東、東側(cè)為建筑棄土堆積形成的2處平臺，平臺后緣處高程約1 290 m，高差約40～50 m，屬于低中山地貌區(qū)?；麦w物質(zhì)主要由第四系全新統(tǒng)殘坡積（Qel+dl4）粉質(zhì)黏土組成，滑坡體北東側(cè)管道穿越處為第四系全新統(tǒng)殘坡積（Qel+dl4）碎石土和二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（Pl2）碳質(zhì)頁巖、灰?guī)r交界處。蔣壩營滑坡概貌如圖2所示。E5411BA3-6736-4231-8262-B0A17A3C61C0

中緬天然氣管道從滑坡前緣橫坡穿越，由于滑坡后部建筑棄土堆載和持續(xù)降雨引發(fā)滑坡持續(xù)蠕動變形，導(dǎo)致前緣中緬天然氣管道擠斷燃爆，管道最大垂向偏移距離達(dá)1.8 m。管道破壞位置位于滑坡北東側(cè)基巖體與松散堆積碎石土的交界位置，管道受到橫向約束難于發(fā)生橫向位移和轉(zhuǎn)動?；麦w主要由粉質(zhì)黏土組成，具有較好的塑性和變形條件?；伦饔孟碌墓艿垃F(xiàn)狀如圖3所示。

2.2 管道受力計(jì)算分析

中緬天然氣管道晴隆縣境內(nèi)鋼材為X80型鋼，鋼材對應(yīng)的最小屈服強(qiáng)度σs=555 MPa，管道規(guī)格為1 016.0 mm×12.8 mm（外徑×壁厚），管道輸送壓力根據(jù)兩閥室出站和進(jìn)站壓力取為p=7.34 MPa?；露喂艿赖拇┰介L度L=130 m，管道的平均埋深h=2.0 m。公式中其他計(jì)算參數(shù)選取如表2所列，其中，滑坡體作用在管道上的推力q根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]下塌泥土作用在管線上的壓力公式求取。

根據(jù)第1節(jié)所建立的力學(xué)公式，利用MATLAB軟件聯(lián)立方程，即可求得f和S0，并帶入相應(yīng)的彎矩及剪力方程中，可求得在滑坡體推力的作用下該管道的內(nèi)力和變形，詳見表3，圖4～5。

根據(jù)表3和圖4可知：管道的變形y（撓度）分布曲線呈近似正態(tài)分布曲線形態(tài)，由于管道穿越滑坡體敷設(shè)的兩端邊界處巖土性質(zhì)具有不對稱性，滑坡體中管道的最大撓度f位于x=59.616 2 m處，即位于中心偏土-土邊界端一側(cè)，向兩端撓度逐漸變小，左側(cè)（土-土邊界端一側(cè)）減小至v0，右側(cè)（土-巖邊界端一側(cè)）減小至0，且最大撓度f=1.715 m與管道實(shí)際最大垂向偏移距離較為接近。

根據(jù)表3和圖5可知：管道彎矩分布曲線呈拋物線形態(tài)，彎矩由左側(cè)（土-土邊界端一側(cè)）的正值變?yōu)橹胁康呢?fù)值然后變?yōu)橛覀?cè)（土-巖邊界端一側(cè)）的正值。根據(jù)第1節(jié)靜力學(xué)模型彎矩方向的假設(shè)，彎矩為正代表管道內(nèi)側(cè)即靠近滑坡體一側(cè)受拉，彎矩為負(fù)代表管道外側(cè)即遠(yuǎn)離滑坡體一側(cè)受拉，由此可判斷管道中部外側(cè)受拉，兩端內(nèi)側(cè)受拉。但右側(cè)邊界（土-巖邊界端）彎矩ML=3 424.4 kN·m大于左側(cè)邊界（土-土邊界端）彎矩M0=1 553.7 kN·m，且均大于最大撓度f點(diǎn)彎矩Mf=1 333.7 kN·m，因此管道位于土-巖邊界端位置最易發(fā)生破壞。

3 蔣壩營滑坡管道強(qiáng)度校核

3.1 強(qiáng)度校核理論

管道在滑坡體推力作用下會產(chǎn)生軸向應(yīng)力，在輸送天然氣壓力作用下會產(chǎn)生徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力。需將產(chǎn)生的應(yīng)力根據(jù)第三強(qiáng)度理論[19]或第四強(qiáng)度理論進(jìn)行疊加，然后與管道的許用應(yīng)力進(jìn)行比較，對管道的安全狀態(tài)進(jìn)行判斷。對小于許用應(yīng)力，判斷管道處于安全狀態(tài);相反，考慮到焊縫可能存在缺陷以及鋼材缺陷，管道處于不安全或破壞狀態(tài)。

根據(jù)第三強(qiáng)度理論和第四強(qiáng)度理論驗(yàn)算結(jié)果，在滑坡推力作用下，管道土-土邊界端環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的組合應(yīng)力小于許用應(yīng)力，由此可判斷土-土邊界端管道處于安全狀態(tài)。土-巖邊界端環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的組合應(yīng)力大于許用應(yīng)力，由此可判斷土-巖邊界端處于不安全或破壞狀態(tài)。蔣壩營滑坡管道實(shí)際破壞發(fā)生斷裂燃爆位置位于土-巖邊界端，土-土邊界端未發(fā)生破壞，強(qiáng)度校核結(jié)果較好地符合了管道實(shí)際破壞情況。

4 結(jié) 論

（1） 蔣壩營滑坡管道的變形（撓度）分布曲線呈近似正態(tài)分布曲線形態(tài)，由于管道穿越滑坡體敷設(shè)的兩端邊界處巖土性質(zhì)具有不對稱性，滑坡體中管道的最大撓度位于中心偏土-土邊界端一側(cè)，向兩端撓度逐漸減小，左側(cè)（土-土邊界端一側(cè)）減小至v0，右側(cè)（土-巖邊界端一側(cè)）減小至0，且最大撓度f=1.715 m，與實(shí)際管道最大垂向偏移距離較為接近。

（2） 蔣壩營滑坡管道的彎矩分布曲線呈拋物線形態(tài)，彎矩由左側(cè)（土-土邊界端一側(cè)）的正值變?yōu)樽畲髶隙萬點(diǎn)的負(fù)值然后變?yōu)橛覀?cè)（土-巖邊界端一側(cè)）的正值。管道中部外側(cè)受拉，兩端內(nèi)側(cè)受拉。右側(cè)邊界（土-巖邊界端）彎矩ML大于左側(cè)邊界（土-土邊界端）彎矩M0且均大于最大撓度f點(diǎn)彎矩Mf，管道位于土-巖邊界端位置最易發(fā)生破壞。

（3） 強(qiáng)度校核計(jì)算表明，在滑坡體的推力作用下，管道土-土邊界端的組合應(yīng)力小于許用應(yīng)力，由此可判斷土-土邊界端管道處于安全狀態(tài)。土-巖邊界端的組合應(yīng)力大于許用應(yīng)力，由此可判斷土-巖邊界端處于不安全或破壞狀態(tài)，這與蔣壩營滑坡實(shí)際管道破壞位置相符合。

（4） 區(qū)別于對稱模型下管道內(nèi)力和變形具有對稱性，對于兩端邊界處巖土性質(zhì)具有不對稱性的管道，關(guān)注重點(diǎn)位于強(qiáng)約束端，即土-巖邊界一端，也是管道建設(shè)和運(yùn)營期間進(jìn)行監(jiān)測和防護(hù)的重點(diǎn)位置。

（5） 在滑坡體的推力作用下，兩端邊界處巖土性質(zhì)具有不對稱性的管道在位于強(qiáng)約束端，即土-巖邊界一端更易破壞，在建設(shè)期過程中，可以采用擴(kuò)大管溝開挖范圍、增加回填土體積等措施弱化土-巖邊界影響，以降低管道破壞失效風(fēng)險(xiǎn)。

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（編輯：趙秋云）E5411BA3-6736-4231-8262-B0A17A3C61C0