燃?xì)獗ê奢d下隧道砌體損傷規(guī)律與事故影響范圍研究

廖柯熹，黃元潔，何國(guó)璽，陳 迪

(西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引言

中緬油氣管道地處橫斷山脈和云貴高原，地形復(fù)雜，有74條山體隧道穿越，總長(zhǎng)81 km，隧道總長(zhǎng)占山區(qū)線路長(zhǎng)度的5%[1]。隧道通過(guò)區(qū)域地質(zhì)條件異常復(fù)雜、施工風(fēng)險(xiǎn)大，是國(guó)內(nèi)最復(fù)雜的管道隧道工程。為保護(hù)隧道內(nèi)管道設(shè)施，防止無(wú)關(guān)人員進(jìn)入隧道，隧道兩端由磚砌體組成隧道門(mén)，僅留人孔便于管道企業(yè)人員進(jìn)行巡檢、維修、維護(hù)作業(yè)。中緬油氣管道隧道是1種典型的狹長(zhǎng)受限空間，如巖鷹山隧道的長(zhǎng)徑比超過(guò)450，當(dāng)發(fā)生天然氣管道泄漏爆炸事故時(shí)，極有可能發(fā)生爆燃向爆轟的轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生強(qiáng)烈的爆炸超壓。目前關(guān)于油氣爆炸后果的研究，主要集中在爆炸超壓對(duì)人員和結(jié)構(gòu)的損傷[2-4]。但是，Zhu等[5]對(duì)山東省青島市“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故的梳理發(fā)現(xiàn)，除爆炸超壓外，爆炸產(chǎn)生的拋射物也是造成人員傷亡的主要原因。Yang等[6]對(duì)浮法玻璃在甲烷爆炸荷載下的損傷特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)玻璃產(chǎn)生了高速拋射物，會(huì)對(duì)人員和建筑結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重威脅。Zheng等[7]建立了4種室內(nèi)障礙物條件下磚房的數(shù)值模型，模擬燃?xì)獗〞r(shí)磚墻的動(dòng)力響應(yīng)和形成過(guò)程，建立破片的運(yùn)動(dòng)方程并求解破片的彈射距離，研究了室內(nèi)燃?xì)獗ǖ钠破：?。王文紅等[8]采用ANSYS Autodyn模擬軟件，重點(diǎn)對(duì)涵道覆蓋物爆炸碎片進(jìn)行模擬，定量分析了爆炸碎片的影響范圍及在影響區(qū)域內(nèi)對(duì)設(shè)備、人員造成的傷害程度。

中緬油氣管道隧道的磚砌體是隧道結(jié)構(gòu)中強(qiáng)度最低的一部分，在燃?xì)獗ǔ瑝旱淖饔孟?，將產(chǎn)生大量的拋射物，對(duì)隧道口附近人民群眾的人身安全造成嚴(yán)重威脅，因此，有必要對(duì)燃?xì)獗ê奢d下隧道口磚砌體的損傷規(guī)律和拋射物分布規(guī)律進(jìn)行分析，對(duì)拋射物潛在影響范圍進(jìn)行研究，從而為管道企業(yè)劃分警戒區(qū)域提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料本構(gòu)模型

鑒于中緬油氣管道隧道的大長(zhǎng)徑比特征，假設(shè)內(nèi)部天然氣管道發(fā)生泄漏爆炸時(shí)，發(fā)生了爆轟現(xiàn)象。根據(jù)美國(guó)消防協(xié)會(huì)出版的標(biāo)準(zhǔn)《Standard On Explosion Protection By Deflagration Venting》[9]，甲烷/空氣混合物燃爆產(chǎn)生的最大超壓約為0.8 MPa，因此，本文對(duì)磚砌體表面施加的最大超壓為0.8 MPa。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)論，本文將燃?xì)獗ê奢d簡(jiǎn)化為三角形荷載[10-11]，基于LS-DYNA軟件對(duì)磚砌體的損傷規(guī)律及拋射物潛在影響范圍進(jìn)行研究。

本文模擬磚砌體采用LS-DYNA 96#本構(gòu)模型[12]，該模型是1種復(fù)合材料模型，能夠很好地描述高應(yīng)變率條件下磚砌體的響應(yīng)問(wèn)題，該材料模型認(rèn)為：在拉應(yīng)力所引起的彌散裂縫的作用下，切應(yīng)力和拉應(yīng)力強(qiáng)度可以隨著裂縫的發(fā)展延伸而逐漸退化，因此該模型能較好地描述磚砌體的裂紋發(fā)展規(guī)律。材料模型參數(shù)取值如表1[13]所示。

表1 均勻化磚砌體材料參數(shù)取值

2 模型建立

2.1 隧道磚砌體概況

中緬油氣管道隧道口的磚砌體共有3種：人孔在頂部且管道穿過(guò)磚砌體、人孔在頂部管道不經(jīng)過(guò)磚砌體、人孔在底部且管道不經(jīng)過(guò)磚砌體3種形式，如圖1所示，下文分別簡(jiǎn)稱(chēng)第1、第2、第3類(lèi)磚砌體。3類(lèi)磚砌體的人孔尺寸均為0.3 m×0.4 m。磚砌體由2層“1丁1順”砌法的磚塊和砂漿砌成。

圖1 3類(lèi)隧道口的現(xiàn)場(chǎng)圖片

2.2 建立磚砌體模型

本文按照均勻化砌體模型建立磚砌體模型[12,14]，根據(jù)3類(lèi)磚砌體的實(shí)際形狀及尺寸，建立幾何模型。在第1類(lèi)磚砌體中，有管道穿過(guò)磚砌體，磚塊與管道發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，兩者接觸面上的摩擦力將對(duì)磚塊的運(yùn)動(dòng)特征產(chǎn)生影響，因此，建立第1類(lèi)磚砌體的模型時(shí)，將管道包含其中，并將二者的接觸設(shè)置為AUTOMATIC SURFACE TO SURFACE。管道表面具有的3層PE防腐層與磚塊間的摩擦力較大，設(shè)置二者間的靜摩擦系數(shù)為0.6，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.55。磚砌體網(wǎng)格選用收斂性較好的六面體單元，驗(yàn)證網(wǎng)格獨(dú)立性時(shí)，磚砌體網(wǎng)格尺寸小于100 mm后，最大拋射速度不再明顯變化，由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到的磚塊尺寸為240 mm×115 mm×50 mm，磚砌體最可能的破碎方向是沿灰縫的方向，預(yù)期的拋射物破碎尺寸不會(huì)小于磚塊的厚度，為盡可能逼真地模擬出拋射物尺寸，磚砌體網(wǎng)格尺寸選擇50 mm。建立的幾何模型及網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖2 3類(lèi)磚砌體幾何模型及網(wǎng)格劃分情況

根據(jù)文獻(xiàn)[13]的研究結(jié)論，選取升壓時(shí)長(zhǎng)為50 ms。預(yù)先試算時(shí)，第2類(lèi)、3類(lèi)磚砌體在0.1 MPa以上的峰值超壓下才發(fā)生明顯損傷，第1類(lèi)磚砌體在0.05 MPa峰值超壓時(shí)仍有明顯損傷但主體結(jié)構(gòu)保持完整，因此，計(jì)算時(shí)第1類(lèi)、第2類(lèi)、第3類(lèi)磚砌體的最小超壓峰值分別取0.05，0.1，0.1 MPa。模擬時(shí)，3類(lèi)磚砌體所取的超壓峰值如表2所示。在本文的坐標(biāo)體系下，重力荷載的方向?yàn)檠豗軸負(fù)方向，超壓作用方向沿Z軸正向。如圖3所示。設(shè)置磚砌體與隧道內(nèi)壁接觸面的約束條件為固支約束。

表2 3類(lèi)磚砌體施加的峰值超壓

圖3 加載至磚砌體的荷載大小及方向

3 磚砌體損傷規(guī)律研究

3.1 第1類(lèi)磚砌體損傷規(guī)律

1)整體變形特征

不同大小的超壓峰值作用下第1類(lèi)磚砌體的變形情況如圖4所示。峰值壓力為0.05 MPa時(shí)，砌體整體并未垮塌，但是管道嵌入?yún)^(qū)域出現(xiàn)了局部破壞。峰值壓力為0.1 MPa時(shí)，砌體頂部被完全破壞，僅剩天然氣管道附近區(qū)域保持完好。隨著峰值壓力的繼續(xù)增大，磚砌體損傷程度愈加嚴(yán)重，產(chǎn)生的拋射物尺寸更小，數(shù)量更多。峰值壓力達(dá)到0.8 MPa時(shí)，整個(gè)砌體均被破壞。

圖4 不同超壓峰值下第1類(lèi)磚砌體位移云圖

嵌入的管道導(dǎo)致了不規(guī)則的磚砌體幾何形狀，磚砌體在爆炸超壓的作用下在管道嵌入?yún)^(qū)域附近產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，在不同大小超壓的作用下，磚砌體均從管道區(qū)域附近開(kāi)始發(fā)生破壞，并從該區(qū)域逐漸向整個(gè)砌體擴(kuò)展。

2)拋射物拋射速度分析

由于超壓作用的方向沿水平方向，且拋射物初始速度較小，受到的空氣阻力較小，因此拋射物射出后可認(rèn)為近似做平拋運(yùn)動(dòng)，即水平方向勻速直線運(yùn)動(dòng)，豎直方向自由落體運(yùn)動(dòng)。平拋運(yùn)動(dòng)的拋射距離與水平速度和初始豎直高度有關(guān)，現(xiàn)對(duì)水平速度進(jìn)行分析。

200 ms時(shí)水平方向的速度云圖見(jiàn)圖5，結(jié)果表明，峰值超壓與水平拋射速度呈正相關(guān)。超壓峰值為0.05 MPa時(shí)，最大水平速度為10.68 m/s；超壓峰值為0.8 MPa時(shí)，最大水平速度為107.8 m/s。

圖5 不同超壓峰值下第1類(lèi)磚砌體拋射物的水平速度云圖 (T=200 ms)

3.2 第2類(lèi)磚砌體損傷規(guī)律

1)整體變形特征

不同大小的超壓峰值作用下第2類(lèi)磚砌體的變形情況見(jiàn)圖6。峰值壓力為0.1 MPa時(shí)，砌體整體結(jié)構(gòu)完好，僅人孔附近有部分磚塊脫落，受壓結(jié)束后形狀近乎恢復(fù)原狀，從整體來(lái)看，磚砌體只發(fā)生了彈性變形。峰值壓力為0.2 MPa時(shí)，磚砌體被整體推出隧道，幾乎未產(chǎn)生拋射物。隨著峰值壓力的繼續(xù)增大，磚砌體損傷程度愈加嚴(yán)重，產(chǎn)生的拋射物尺寸更小，數(shù)量更多。

圖6 不同超壓峰值下第2類(lèi)磚砌體位移云圖

與第1類(lèi)磚砌體的相比，第2類(lèi)磚砌體為對(duì)稱(chēng)形狀，不存在產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，相同大小的超壓作用下，其產(chǎn)生的拋射物尺寸更大，因此，第2類(lèi)磚砌體結(jié)構(gòu)抗爆性能更佳。

2)拋射物拋射速度分析

第2類(lèi)磚砌體在200 ms時(shí)水平方向的速度云圖如圖7所示。超壓峰值為0.1 MPa時(shí)，磚塊未發(fā)生明顯變形，水平速度為振動(dòng)速度。峰值超壓為0.2 MPa時(shí)，最大水平速度為7.14 m/s；超壓峰值為0.8 MPa時(shí)，最大水平速度為68.3 m/s，與第1類(lèi)磚砌體相比，相同峰值超壓作用下第2類(lèi)磚砌體產(chǎn)生的拋射物速度明顯降低。

圖7 不同超壓峰值下第2類(lèi)磚砌體拋射物水平速度云圖(T=200 ms)

3.3 第3類(lèi)磚砌體損傷規(guī)律

1)整體變形特征

不同大小的超壓峰值作用下第3類(lèi)磚砌體的變形情況見(jiàn)圖8。峰值壓力為0.1 MPa時(shí)，砌體整體結(jié)構(gòu)完好，磚塊無(wú)脫落，受壓結(jié)束后形狀幾乎恢復(fù)原狀，處于彈性形變階段。峰值壓力為0.2 MPa時(shí)，磚砌體被整體推出隧道，幾乎未產(chǎn)生拋射物。隨著峰值壓力的繼續(xù)增大，磚砌體損傷程度愈加嚴(yán)重，產(chǎn)生的拋射物尺寸更小，數(shù)量更多。

圖8 不同超壓峰值下第3類(lèi)磚砌體位移云圖

與第2類(lèi)磚砌體的相比，二者的整體變形情況較為接近，主要區(qū)別在于第2類(lèi)磚砌體的裂紋擴(kuò)展方向呈橫向和縱向分布，第3類(lèi)磚砌體的部分裂紋沿拱部徑向分布。

2)拋射物拋射速度分析

第3類(lèi)磚砌體在200 ms時(shí)水平方向的速度云圖如圖9所示。超壓峰值為0.1 MPa時(shí)，磚塊未發(fā)生明顯變形，水平速度為振動(dòng)速度。峰值超壓為0.2 MPa時(shí)，最大水平速度為8.4 m/s；超壓峰值為0.8 MPa時(shí)，最大水平速度為71.3 m/s，與第1類(lèi)磚砌體相比，相同峰值超壓作用下第3類(lèi)磚砌體的拋射速度明顯降低，但與第2類(lèi)磚砌體的拋射速度較為接近。

圖9 不同超壓峰值下第3類(lèi)磚砌體水平速度云圖(T=200 ms)

4 拋射物潛在影響范圍研究

4.1 拋射速度對(duì)比分析

不同超壓峰值下3類(lèi)磚砌體的最大水平拋射速度如圖10所示。相同峰值超壓作用時(shí)，第1類(lèi)磚砌體的最大水平拋射速度遠(yuǎn)大于第2類(lèi)和第3類(lèi)，第2類(lèi)和第3類(lèi)磚砌體的最大水平拋射速度較為接近。

圖10 3類(lèi)磚砌體拋射物速度對(duì)比

將1、2、3類(lèi)磚砌體的最大水平拋射速度Vmax與峰值超壓Pmax進(jìn)行線性擬合，如式(1)～(3)所示：

V1max=127.5Pmax+7.6，R2=0.983

(1)

V2max=100.09Pmax-10.68，R2=0.994

(2)

V3max=124.19Pmax-15.25，R2=0.963

(3)

式中，Vmax為最大水平拋射速度，m/s；Pmax為峰值超壓，MPa；R2為擬合度。

4.2 拋射物潛在影響區(qū)域分析

拋射物可能的落地區(qū)域即為其潛在影響區(qū)域。根據(jù)前文假設(shè)，拋射物射出后做平拋運(yùn)動(dòng)，其拋射距離與初始拋射速度和下落高度有關(guān)。拋射物的實(shí)際拋射距離與拋射物經(jīng)過(guò)路徑投影區(qū)域的傾斜程度、落地后的反彈等有關(guān)，但是拋射物與地面的沖撞反彈問(wèn)題非常復(fù)雜，受地面剛度、平整度等諸多不確定因素影響。本文假設(shè)拋射物經(jīng)過(guò)路徑投影區(qū)域的傾斜程度足夠大，并且忽略拋射物首次著地后的反彈，將拋射物拋射距離定義為磚砌體與拋射物第1著地點(diǎn)之間的水平距離。

忽略空氣阻力時(shí)拋射物的水平拋射距離x、拋射初始速度V0、平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)間t、下落高度H之間的關(guān)系如式(4)～(5)所示：

x=V0t

(4)

(5)

式中：x為拋射物的水平拋射距離，m；V0為拋射初始速度，m/s；t為平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；H為下落高度，m；g為重力加速度，m/s2。

第1、第2、第3類(lèi)磚砌體的最大水平拋射速度分別為V0,1=107.8 m/s、V0,2=68.3 m/s、V0,3=71.3 m/s。由于本文研究的管道地處丘陵地區(qū)，隧道口與鄰近平坦的地區(qū)的高差較小，此處最大高差取200 m，計(jì)算得到3類(lèi)磚砌體在不同下落高度時(shí)的拋射距離如圖11所示。

圖11 磚砌體不同下落高度的最大拋射距離

最大拋射距離即為拋射物在水平投影區(qū)域內(nèi)的最大影響半徑，管道企業(yè)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，劃定合理的警戒區(qū)域，從而降低燃?xì)獗〞r(shí)因拋射物造成人員傷亡的概率。

5 結(jié)論

1)磚砌體在燃?xì)獗ê奢d作用下，可能會(huì)發(fā)生整體破壞，產(chǎn)生較多拋射物。

2)第1類(lèi)磚砌體抗爆性最差，產(chǎn)生的拋射物速度最大，超壓峰值為0.05 MPa時(shí)，最大水平速度為10.68 m/s，超壓峰值為0.8 MPa時(shí)，最大水平速度為107.8 m/s。第2、3類(lèi)磚砌體的抗爆性與拋射速度相近，且與第1類(lèi)磚砌體相比，相同峰值超壓作用下磚砌體產(chǎn)生的拋射物速度明顯降低。

3)隨著峰值壓力的增大，磚砌體產(chǎn)生的拋射物尺寸更小，數(shù)量更多，最大拋射速度與超壓峰值近似呈線性關(guān)系。

4)最大拋射距離即為拋射物在水平投影區(qū)域內(nèi)的最大影響半徑，管道企業(yè)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，劃定合理的警戒區(qū)域，從而降低燃?xì)獗〞r(shí)因拋射物造成人員傷亡的概率。