滑坡對(duì)縱向埋地管道的變形特征與減災(zāi)對(duì)策

唐俊杰， 樊曉一， 姜元俊

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 綿陽(yáng) 621010； 2.西南石油大學(xué)土木工程與測(cè)繪學(xué)院， 成都 610500； 3.中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所， 成都 610041)

隨著國(guó)民需求以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，管道以其高效性越來(lái)越廣泛應(yīng)用于石油和天然氣的運(yùn)輸，受區(qū)域地形地貌以及地質(zhì)條件的限制，管道的埋設(shè)不可避免地穿越地勢(shì)復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)地段，而滑坡作為主要的地質(zhì)災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著管道的安全運(yùn)營(yíng)。通常情況下，小規(guī)?；聲?huì)導(dǎo)致管道發(fā)生彎曲、拉伸等變形，影響管道的正常運(yùn)行，災(zāi)難性滑坡則會(huì)導(dǎo)致管道發(fā)生泄露、爆炸等重大事故，對(duì)管道安全運(yùn)營(yíng)及沿線人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。

埋地管道遭受滑坡變形破壞也一直是中外眾多學(xué)者關(guān)注和研究的重點(diǎn)。蔣宏業(yè)等[1]采用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)與有限元耦合算法研究了成品油管道遭受滑坡作用的力學(xué)響應(yīng)；文獻(xiàn)[2-4]建立了橫向滑坡作用下埋地管道受力變形的簡(jiǎn)化力學(xué)模型， Vasseghi等[5]采用有限元分析(finite element analysis,FEA)方法計(jì)算了管道對(duì)地面位移的響應(yīng)；Zhang等[6]研究了滑坡與管道的相互作用。文獻(xiàn)[7-8]進(jìn)行了橫向滑坡作用下管道受力計(jì)算；林冬等[9]建立了大尺度的土質(zhì)滑坡與管道相互作用模型，并分析了滑坡作用下管道的應(yīng)力變化規(guī)律；Han等[10]采用有限元法模擬了不穩(wěn)定邊坡運(yùn)動(dòng)下管道的應(yīng)力和變形的變化規(guī)律；Katebi等[11]采用有限元軟件對(duì)三個(gè)典型管道滑坡案例進(jìn)行了模擬，并將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比；鄧道明等[12]推導(dǎo)了橫穿管道受到滑坡作用的內(nèi)力和位移計(jì)算表達(dá)式；陳利瓊等[13]對(duì)比分析了CAESAR II軟件和ANSYS軟件計(jì)算的管道遭受滑坡作用的應(yīng)力變化結(jié)果；李華等[14]利用ANSYS軟件探討了管道在發(fā)生滑坡作用時(shí)的受力特征。

綜上表明，近年來(lái)對(duì)埋地管道遭受滑坡作用響的研究主要集中于滑坡作用橫向布置管道(即滑坡主滑方向與管道走向垂直)的研究，而當(dāng)管道翻越地形起伏的山地區(qū)域時(shí)，管道的走向會(huì)沿斜坡的坡向布置。當(dāng)斜坡失穩(wěn)發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，滑坡位移導(dǎo)致縱向布置管道受到土體推擠，在坡頂及坡腳段產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而使管道發(fā)生變形甚至彎曲破裂，如西氣東輸、忠武管道等典型管道滑坡案例[15-16]。滑坡對(duì)縱向布置的埋地管道作用也是滑坡的主要災(zāi)害模式之一，其與滑坡對(duì)橫向布置埋地管道的變形破壞機(jī)制與應(yīng)力變化規(guī)律存在顯著差異，而目前對(duì)這類災(zāi)害模式的研究相對(duì)缺乏。

采用ABAQUS軟件開展滑坡作用于縱向埋地管道變形破壞規(guī)律研究，分析滑坡幾何形態(tài)對(duì)管道變形破壞規(guī)律的影響，以及改變管道徑厚比、埋深、內(nèi)壓值對(duì)減小滑坡作用下管道變形破壞的效果，以期為石油天然氣管道防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 有限元模型

采用ABAQUS有限元軟件模擬埋地管道遭受縱向滑坡作用變形破壞過(guò)程，采用強(qiáng)度折減法開展靜態(tài)力學(xué)性能模擬的研究。模型尺寸參考岙冊(cè)線、儀長(zhǎng)線、甬寧線三條輸油管線近兩年的管道滑坡實(shí)例，根據(jù)滑坡實(shí)例的工程地質(zhì)條件，采用飽和狀態(tài)下的粉質(zhì)黏土、天然下的粉質(zhì)黏土以及花崗閃長(zhǎng)巖作為模型滑坡區(qū)、滑坡兩側(cè)的支撐區(qū)和基巖的材料，L320鋼管作為管道材料，土體和管道具體材料參數(shù)見(jiàn)表1。基于理想彈塑性模型，土體材料遵循莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，埋地管道采用Ramberg-Osgood 本構(gòu)，管道與管周土體選用表面與表面的接觸；同時(shí)采用四結(jié)點(diǎn)曲面殼單元對(duì)管道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，管道環(huán)向?yàn)?4個(gè)單元，近似尺寸為0.086，共42 840個(gè)殼單元；八結(jié)點(diǎn)正六面體單元對(duì)滑坡體和滑床進(jìn)行網(wǎng)格劃分，滑坡區(qū)長(zhǎng)寬單元尺寸分別為1.5和1.0，厚為12個(gè)單元，支撐區(qū)長(zhǎng)度和厚度劃分與滑坡區(qū)相同，寬度單元尺寸為3.0，基巖全局尺寸為10，土體模型共97 800個(gè)單元。計(jì)算時(shí)固定基巖底部X、Y、Z三個(gè)方向、模型前后面X方向以及左右面Z方向位移，并限制管道兩端X方向(模型見(jiàn)圖1)。

表1 材料參數(shù)取值表

圖1 滑坡模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of landslide model

2 縱向滑坡對(duì)管道變形的影響

2.1 管道形變規(guī)律

為說(shuō)明縱向滑坡作用下管道形變規(guī)律，以滑坡長(zhǎng)度90 m、厚度6 m、坡度40°，管道縱向穿越滑坡模型計(jì)算結(jié)果為例，分別分析滑坡作用下管道軸向應(yīng)變、軸向位移變化規(guī)律以及滑坡土體位移與管道應(yīng)變、管道位移關(guān)系，模型得到的滑坡和管道位移云圖如圖2和圖3所示。設(shè)定模型管道位于坡腳平臺(tái)末端為起點(diǎn)，位于坡頂平臺(tái)末端為終點(diǎn)，滑坡體內(nèi)管道主要集中在管道軸向距離30～120 m段。

圖2 滑坡位移變形云圖Fig.2 Landslide displacement deformation nephogram

圖3 管道位移變形云圖Fig.3 Cloud map of pipeline displacement and deformation

由圖4可知，埋地管道遭受縱向滑坡作用下，管道應(yīng)變主要發(fā)生在滑坡坡腳和滑坡后緣部位，其中坡腳處管道應(yīng)變最大，同時(shí)滑坡坡腳以及滑坡后緣管道均發(fā)生較大位移，而縱向滑坡作用下管道的最大位移發(fā)生在滑坡體內(nèi)距離坡腳10 m左右的范圍。雖然滑坡坡腳處管道位移不是最大，但是由于坡腳上方滑坡土體強(qiáng)度不斷減小，坡腳平臺(tái)受到的上方土體壓力不斷加大，從而導(dǎo)致坡腳處管道受到的土壓力變大，管道應(yīng)變最大，所以坡腳處管道主要是受到坡腳上方土體壓力加劇導(dǎo)致的變形?；潞缶壒艿乐饕捎诨麦w內(nèi)管道受到管周土體摩擦力，從而隨滑坡土體變形發(fā)生較大位移，致使滑坡后緣管道受到拉伸變形，發(fā)生較大的應(yīng)變。滑坡體形變過(guò)程中受到地形影響，土體會(huì)在滑坡體內(nèi)距離坡腳10 m左右范圍堆積，從而土體向外推擠管道，致使管道發(fā)生變形。

圖4 滑坡位移1.2 m時(shí)管道位移和應(yīng)變圖Fig.4 Displacement and strain diagram of pipeline when landslide displacement is 1.2 meters

由圖5可知，在縱向滑坡作用下，埋地管道的應(yīng)變和位移都隨滑坡土體形變位移加大而增大，同時(shí)管道應(yīng)變和位移與滑坡土體位移的關(guān)系都在滑坡土體位移為0.7 m時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折，在滑坡土體位移達(dá)到0.7 m后，管道的應(yīng)變變化受土體位移影響程度減小，而管道的位移受滑坡土體位移變形程度加大。

圖5 管道應(yīng)變和位移與滑坡位移關(guān)系Fig.5 Relationship between pipeline strain and displacement and landslide displacement

2.2 滑坡幾何形態(tài)參數(shù)對(duì)管道變形的影響

滑坡體的幾何形態(tài)是影響埋地管道遭受縱向滑坡作用變形及破壞程度的重要原因，本文中采用單一影響因素對(duì)滑坡體形態(tài)的滑坡坡度、滑坡長(zhǎng)度、滑坡厚度三個(gè)方面分別研究，討論其值改變對(duì)縱向滑坡作用下管道應(yīng)變變化的影響。表2為單一影響因素的滑坡形態(tài)取值表。

表2 滑坡幾何形態(tài)取值

由圖6～圖8可知，滑坡體位移相同的距離，滑坡體的坡度、長(zhǎng)度、厚度變大都會(huì)加大管道遭受縱向滑坡作用發(fā)生的應(yīng)變。滑坡體形態(tài)不同因素的改變對(duì)管道變形破壞規(guī)律不同，滑坡體位移相同的距離，滑坡體的坡度越大，管道受縱向滑坡作用下變形程度越明顯；滑坡體長(zhǎng)度的改變并不影響管道初期應(yīng)變變形速率，當(dāng)土體位移超過(guò)1.0 m時(shí)，滑坡體越長(zhǎng)管道應(yīng)變的變形速率會(huì)越大；滑坡體的厚度不同，管道應(yīng)變變形差異較大。

圖6 滑坡坡度對(duì)管道應(yīng)變影響Fig.6 Influence of landslide slope on pipeline strain

圖8 滑坡厚度對(duì)管道應(yīng)變影響Fig.8 Influence of landslide thickness on pipeline strain

圖7 滑坡長(zhǎng)度對(duì)管道應(yīng)變影響Fig.7 Influence of landslide length on pipeline strain

為比較滑坡體幾何形態(tài)的滑坡坡度、滑坡厚度、滑坡長(zhǎng)度三個(gè)因素值改變對(duì)埋地管道遭受縱向滑坡作用應(yīng)變變形的重要性影響，采用正交實(shí)驗(yàn)三個(gè)因子(A:坡度，B：厚度，C:長(zhǎng)度)三個(gè)水平，共9組實(shí)驗(yàn)，選取各工況滑坡土體位移1.6 m時(shí)管道的應(yīng)變?yōu)閷?duì)比指標(biāo)。由表3可知，埋地管道遭受縱向滑坡作用下，滑坡體厚度改變對(duì)管道應(yīng)變變化最大，其次是滑坡體長(zhǎng)度的改變，最后是滑坡體坡度的改變。

表3 滑坡幾何形態(tài)正交實(shí)驗(yàn)

3 管道要素對(duì)管道變形特征的影響

受中國(guó)山地地形及地質(zhì)條件影響，管道不可避免會(huì)穿越滑坡災(zāi)害易發(fā)區(qū)，為增加管道遭受縱向滑坡的抗災(zāi)能力，從管道埋設(shè)深度、管道徑厚比、以及管壓三方面展開研究，討論單一影響因素下各種值的改變對(duì)管道抗災(zāi)能力的影響，為管道穿越滑坡災(zāi)害區(qū)設(shè)計(jì)提供參考。

現(xiàn)有研究表明依據(jù)管道的應(yīng)力作為評(píng)判管道狀態(tài)過(guò)于保守，導(dǎo)致資源浪費(fèi)，本研究采用管道應(yīng)變分析，并選取管道應(yīng)變達(dá)到2%即判斷管道破壞。

3.1 徑厚比

由圖9可知，管道的徑厚比越大，縱向滑坡作用下管道的應(yīng)變變形越大，且滑坡體位移相同的距離，不同徑厚比管道遭受縱向滑坡作用應(yīng)變、差異明顯。設(shè)定管道應(yīng)變達(dá)到2%即為破壞失效，管徑比分別為77.2、64.2、55.5的三種管道達(dá)到管道破壞閾值需要的滑坡土體位移距離分別為1.575、1.764、1.945 m，相較徑厚比為77.2的管道，后兩種徑厚比管道抵抗縱向滑坡作用應(yīng)變變形破壞分別增強(qiáng)12%和23%。因此，減小管道的徑厚比有利于增強(qiáng)埋地管道遭受縱向滑坡作用的抗災(zāi)能力。

圖9 管道徑厚比對(duì)管道應(yīng)變影響Fig.9 Influence of diameter-thickness ratio on pipeline strain

3.2 管道埋深影響

由圖10可知，管道的埋深越小，縱向滑坡作用下管道的應(yīng)變?cè)叫?，相同滑坡位移下，不同埋深的管道遭受縱向滑坡作用應(yīng)變變形差異不大。選取管道應(yīng)變達(dá)到2%即為破壞失效，管道埋深0.9、1.2、1.5 m三種情況下遭受縱向滑坡作用達(dá)到破壞閾值需要的土體位移分別為1.678、1.575、1.494 m，相較管道埋深1.5 m，前兩種埋深的管道抵抗縱向滑坡作用破壞增強(qiáng)12%和5%。因此，減小管道的埋深有助于提高埋地管道遭受縱向滑坡作用的抗災(zāi)能力。

圖10 管道埋深對(duì)管道應(yīng)變影響Fig.10 Influence of buried depth on pipeline strain

3.3 管道內(nèi)壓影響

由圖11可知，管道的內(nèi)壓值越大，縱向滑坡作用下埋地管道的應(yīng)變?cè)酱?，相同滑坡位移下，管道?nèi)壓對(duì)埋地管道遭受縱向滑坡作用的應(yīng)變變形影響明顯。設(shè)定管道應(yīng)變達(dá)到2%即認(rèn)為管道失效，管道2.4、4.8、7.2、9.6 MPa四種不同內(nèi)壓情況下遭受縱向滑坡作用達(dá)到破壞閾值需要的土體位移分別為1.575、1.459、1.333、1.248 m，相較管道內(nèi)壓9.6 MPa,前三種管道內(nèi)壓強(qiáng)、抵抗縱向滑坡作用變形破壞提高26%、17%和6%。因此，減小管道內(nèi)壓有助于提高管道抵抗縱向滑坡作用的抗災(zāi)能力。

圖11 管道內(nèi)壓對(duì)管道應(yīng)變影響Fig.11 Influence of pipeline internal pressure on pipeline strain

3.4 減災(zāi)方案分析

為管道穿越縱向滑坡選取最佳的設(shè)計(jì)方案，本文中采用優(yōu)劣解距離法對(duì)減小管道埋設(shè)深度、徑厚比、以及管壓三種方案從管道施工難易程度、成本、減災(zāi)效果以及運(yùn)營(yíng)管理4個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，選取管道穿越縱向滑坡的最佳設(shè)計(jì)方案。

優(yōu)劣解距離法是一種常用的綜合評(píng)價(jià)方法，其結(jié)果能精確地反映各評(píng)價(jià)方案之間的差距。本文中采用數(shù)字1～10對(duì)各個(gè)方案的指標(biāo)評(píng)分，并將施工難易程度、成本和運(yùn)營(yíng)管理與結(jié)果負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)化為正相關(guān)，采用優(yōu)劣解距離法處理數(shù)據(jù)，最后對(duì)三個(gè)方案的結(jié)果按大小進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，結(jié)果越高代表方案越佳，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 方案對(duì)比

由表4可知，從施工難易程度、成本、運(yùn)營(yíng)管理以及減災(zāi)效果四個(gè)尺度對(duì)埋地管道遭受縱向滑坡作用的減小管道埋深、徑厚比以及管道三種減災(zāi)方案對(duì)比，發(fā)現(xiàn)為增強(qiáng)埋地管道遭受縱向滑坡作用的抗災(zāi)能力最佳方案是減小管道徑厚比，其次是減小管壓，最后是減小管道的埋深。

4 結(jié)論

采用ABAQUS軟件展開埋地管道遭受縱向滑坡作用下，管道變形規(guī)律、滑坡幾何形態(tài)對(duì)管道變化規(guī)律影響研究以及討論和對(duì)比了減小管道埋深、徑厚比以及管道三種減災(zāi)方案得出以下結(jié)論。

(1)縱向滑坡作用下埋地管道在坡腳和滑坡后緣管道應(yīng)變變形較為突出，其中坡腳處管道應(yīng)變變形最大；管道在滑坡體內(nèi)距離坡腳10 m左右管段發(fā)生最大位移；管道應(yīng)變和位移都隨滑坡體位移加大而變大。

(2)滑坡體的坡度、長(zhǎng)度、厚度越大，埋地管道遭受縱向滑坡作用應(yīng)變變形越大，且滑坡體的厚度對(duì)管道遭受縱向滑坡作用變形影響最大，其次是長(zhǎng)度，最后是坡度。

(3)減小管道的徑厚比、埋深、管壓都能有效提高埋地管道遭受縱向滑坡作用的抗災(zāi)能力，從施工難易程度、費(fèi)用、運(yùn)營(yíng)成本、減災(zāi)效果四個(gè)方面考慮，減小管道徑厚比方案最佳，其次是管壓，最后是改變管道埋深。