管道受横向滑坡影响的模型试验研究

牛文庆，郑静，吴红刚，魏文斌，王海卫

(1.中国铁道科学研究院研究生部，北京100081;2.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州730000)

管道受横向滑坡影响的模型试验研究

牛文庆1，郑静2，吴红刚2，魏文斌2，王海卫2

(1.中国铁道科学研究院研究生部，北京100081;2.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州730000)

油气管道沿线的滑坡灾害会严重危及管道安全。本文以管道与滑坡滑动方向正交，在滑体后、中、前部不同部位布设管道进行模型试验，采用注水的方式诱导坡体滑动，利用百分表和应变片对坡体的变形及管道的应力与变形进行监测与分析。结果表明:管道中测点的应力随滑坡的滑动呈现逐渐增大并最终趋于稳定的特点;伴随着滑体的滑动，应力呈现阶段性的变化特征，滑体稳定后应力又略微降低。管道在滑坡推力作用下变形方式为弯曲变形，管道的变形与平面内两端固定的超静定梁在竖向荷载作用下的变形相似。滑坡前期，埋设于滑体后部的管道受力最大，中部的次之，前部的最小;而滑坡后期，埋设于滑体前部的管道受力最大，中部的次之，后部的最小。

管道 滑坡 正交 模型试验 应力 变形

随着我国国民经济的不断发展和西部大开发战略的实施，西气东输、川气东送等油气工程项目发挥了应有的作用，管道在油气运输中所起的作用越来越突出。截至2014年6月底，我国在役大型长距离油气输送管道总长已超过2万km，在建和拟建的管道总里程也超过2万km。油气管线工程是大型的线性工程，沿途会穿越各种地貌类型，其中泥石流、山体滑坡对油气管道有很大威胁。如果滑坡体作用于管道的推力超出管道的允许值，管道就会出现较大的应力和变形。在管道内部油气内压作用下，管道的一些部位将产生明显的应力集中，轻者导致管道塑性屈服，重者将引起管道破裂、油气泄漏引爆等重大事故。

目前对于管道和滑坡单方面的研究都比较成熟，而将二者结合起来进行的研究还比较少。在国外，Audibert和Nyman最早研究了土压力对不同孔径管道的影响，后来陆续又有一些学者在土体中埋设管道，研究不同地质条件下管道的力学机理［1-9］。在国内，林冬等［10-11］将油气管道滑坡划分为19个类型，通过大尺度模型试验提出横向滑坡作用下管道的破坏方式主要以梁式弯曲为主。张东臣等［12］对滑坡条件下的埋地管道进行了受力分析，并举例进行了管壁应力计算。郝建斌等［13］推导了横穿状态下滑坡对管道推力的计算方法并运用数值模拟进行了验证。邓道明等［14］研究了横向滑坡过程中管道的内力和变形计算并提供算例进行分析。谢强等［15］研究了牵引式滑坡和推移式滑坡两种形式下管道的纵向受力和变形特性。刘金涛［16］通过对管道横穿滑坡相互作用大尺度模型试验的研究，提出了针对管道横穿滑坡灾害的治理措施和建议。上述研究主要针对滑坡对管道的影响进行，而针对管道在滑坡中位置的研究则较少。本文主要进行了管道与滑坡滑动方向正交布设，并在滑体后、中、前部不同部位布设管道的模型试验，以研究管道与滑坡正交情况下不同部位管道的受力与变形情况，从而为管道穿越滑坡和潜在不稳定体时的铺设提供参考借鉴。

1 试验设计

1.1 试验模型设计与制作

本次模型试验在室内模型箱中进行，模型箱尺寸为:长180 cm，宽120 cm，高180 cm。滑坡周界设计为圈椅状，坡面为35°的单面斜坡。在滑体的后、中、前部各埋设一根直径2 cm的PVC管作为管道，管道壁厚0.15 cm，埋深15 cm，两侧埋设在稳定土体中，如图1和图2所示。

滑坡滑床采用黄土加细砂并夯实模拟，滑体为黄土。滑带采用塑料薄膜表面铺设砂、黏土、滑石粉与水的混合物进行模拟，砂∶黏土∶滑石粉∶水=50%∶13%∶37%∶16%。

注水管贴近滑带顺主滑方向埋设，注水管壁预留小孔，以利于水在土体中的渗透。另外考虑到模型箱侧壁摩阻对滑体变形具有一定的约束作用，在模型箱侧壁铺设塑料薄膜，并涂抹润滑油以减小其影响。

1.2 测试元器件布设

试验采用应变片、数据采集系统和百分表等对试验全过程进行监控。应变片型号为BX120-1AA，数据采集系统为东华DH3816N静态应变测试分析系统。具体在管道两侧(山侧、河侧)布置应变片，通过数据采集系统采集滑坡体滑动过程中管道的应变。

管道应变片的布置方式为:后、中和前部管道在山侧、河侧按照间距相等的原则各布设14个应变片，电阻应变片的平面布置如图3所示。

图1 模型试验平面布置(单位:cm)

图2 模型试验剖面(单位:cm)

图3 管道应变片布置(单位:cm)

1.3 试验方案设计

模型试验采用坡顶注水的方式诱使滑坡滑动。注水采用“先快后慢、先多后少”的原则。试验开始时，每隔30 min注水1次，每个注水管注水量为500 mL。4 h后，考虑到土体已经部分浸湿，但是水在土体中的渗流通道尚未形成，每隔1 h注水1次，每个注水管注水量500 m L。10 h后，考虑到水在土体中渗流速度较慢，每隔2 h注水1次，每个注水管注水量为300 m L。30 h后，注水的速度进一步减慢，每隔4 h注水1次，每个注水管的注水量300 m L。模型试验中，数据采集系统采用定时采样的方式对管道应变进行数据采集，采样频率设定为每3 min采集1次，采样时间共计72 h。

2 试验结果与分析

2.1 管道受力与分析

本次模型试验取得了较好的试验结果。以下从管道单点的应力随时间的变化关系，各管道截面弯矩在试验进行60 h时的分布特点进行阐述。

图4 管道表面2号测点应力随时间变化

图4 和图5分别为管道稳定土体段2号测点和滑体段7号测点应力随时间变化关系曲线。由图知，管道表面的应力随时间变化呈现阶梯形的变化。这是由于滑坡是一个缓慢变化的过程，存在时滑时停的特点，当土体中的应力积聚到极限强度后，应力会突然释放，坡体发生下滑。应力释放完毕，土体中的应力又逐步积聚，达到极限强度后又会突然释放。因此，作用在管道上的滑坡推力也是阶段性增大。滑体稳定后，管道各点的应力又略微降低。其原因主要是滑坡滑动时作用于管道的滑坡推力为动荷载，坡体稳定后管道承受的滑坡推力是静荷载，动荷载明显要比静荷载大得多。对后、中、前部管道的应力进一步分析，试验开始阶段，后部管道表面应力最大，中部管道次之，前部管道最小。这是因为本次模型试验采用坡顶注水方式促使坡体滑动，滑坡类型为推移式滑坡。滑坡前期，后部管道承受的滑坡推力最大，前部管道承受的滑坡推力最小;试验结束时，前部管道表面应力最大，中部管道次之，后部管道最小，与试验开始阶段刚好相反。这是由于在滑坡后期，滑带已经全部贯通，整个滑体下倾，作用于前部管道的滑坡推力最大。

提取模型试验中滑体稳定时(60 h)管道各测点的应变，利用应变ε、截面曲率ρ和截面弯矩M的关系式(1)，换算出管道的弯矩，如图6所示。

图5 管道表面7号测点应力随时间变化

图6 60 h时管道的弯矩

由图6可以看出，管道在滑坡推力作用下，变形为弯曲变形。管道的弯矩呈现出两端附近为负弯矩，中部为正弯矩的分布特点。且管道的弯矩在中部和两端都达到了峰值。管道在滑坡推力作用下的弯矩分布类似于平面内两端固定的超静定梁在竖向荷载作用下的弯矩分布。对后、中、前部管道弯矩的量值进一步分析，前部管道最大正弯矩为15.3 N·mm，中部管道为9.84 N·mm，后部管道为7.47 N·mm。前部管道较中部管道大55.49%，中部管道较后部管道大31.73%。前部管道的弯矩明显大于中、后部管道弯矩，这是因为滑坡后期作用于前部管道的滑坡推力最大。而中部管道与后部管道弯矩相差不大，分析其原因，主要是由于中部管道在试验过程中出现悬空现象，承受的滑坡推力减小，管道回弹所致。

2.2 坡体及管道变形与分析

试验进行24 h内，滑体表面浸湿的面积呈现扩大趋势。试验进行28 h后坡顶出现张裂缝，土体浸湿的面积进一步扩大。试验进行48 h时在坡中和坡底分别出现两条大的张裂缝，同时滑体呈现完全湿润的状态。48 h后发生了大范围的滑坡，滑体表面的裂缝逐渐增多，整个滑体发生下滑。由于滑体下滑导致中部管道逐渐暴露出来，呈现出管道悬空的状态，从管道表面就可以观察到管道弯曲变形的特点。60 h后滑体表面裂缝宽度趋于稳定，滑体滑动进入稳定阶段，能够清晰地观察到滑体中渗出的水。试验进行72 h后，对坡体进行了清理，并量测了管道的变形。其中后部管道的中段偏离管道原始轴线15 mm，中部管道的中段偏离管道原始轴线36 mm，前部管道的中段偏离管道原始轴线68 mm。管道弯曲变形的量值与滑坡后期管道的受力特点刚好吻合。滑体稳定时作用于前部管道的滑坡推力最大，对应的变形也最大，中部管道次之，后部管道最小。

3 结论

1)管道与滑坡方向正交时，管道中一点的应力随滑坡的发生呈现逐渐增大并最终趋于稳定的特点;伴随着不同滑体的滑动，应力变化呈现阶段性的变化特征，滑体稳定后管道应力又略微降低。

2)管道与滑坡方向正交时，管道的变形为弯曲变形，管道的变形特性与平面内两端固定的超静定梁在竖向荷载作用下的变形特性相似。管道的弯矩呈现出在滑体外、滑坡周界附近为负，在滑体中部为正的分布特点;管道的弯矩在管道两端、中部达到了峰值。

3)管道与滑坡方向正交时，埋设于滑体不同部位的管道的受力和变形特征为:滑坡前期，埋设于滑体后部的管道承受的滑坡推力最大，中部管道次之，前部管道最小;而滑坡后期，埋设于滑体前部的管道承受的滑坡推力最大，中部管道次之，后部管道最小。

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［15］谢强，王雄，张建华，等.不同滑坡形式下埋地管的纵向受力分析［J］.地下空间与工程学报，2012，8(3):505-510.

［16］刘金涛.管道横穿滑坡相互作用大尺度模型试验研究［D］.成都:成都理工大学，2012.

Experimental study on effect of orthogonal landslide on pipe by model simulation

NIU Wenqing1，ZHENG Jing2，WU Honggang2，WEI Wenbin2，WANG Haiwei2
(1.Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Northwest Research Institute Limited Company of China Railway Engineering Corporation，Lanzhou Gansu 730000，China)

As landslide occurrence poses a sever safety effect fo r oil and gas pipes，the paper carries out orthogonal sim ulation to study it by setting pipes in the behind，m idd le and fron t of landslide.It adopts w ater injection to generate landslide，and w ith the help of dial gage and stress gage conducts m onitor and analysis over slope deform ation，as w ell as any change of stress and deform ation of the pipe.T he resu lts indicate that as the landslide starts，the selected point(in the m idd le of the pipe)first d isp lays a stress increase，which is followed by its stabilization.A fterwards，the stress changes show a stage f luctuation and as the slope stabilizes，the stress declines slightly.T he pipe under the inf luence o f the landslide starts to bend，the defo rm ation of w hich bears resem b lance to that of hyperstatic beam(w ith both end fixed)under vertical loading.Before the occu rrence of landslide，the pipe em bedded behind the slid ing m ass bears the m ajority of the weight，w hich is fo llow ed by the m idd le section and the fron t section;however after the landslide，the situation reverses，as the fron t section stands as the m ain load ing bearer，followed by the m idd le section and that behind.

Pipe;Landslide;O rthogonality;Sim u lation experim en t;Stress;Deform ation

P642.22;TU458+.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.30

1003-1995(2015)06-0117-04

(责任审编赵其文)

2014-12-23;

2015-03-26

中国中铁股份有限公司科技开发计划项目(2012-引导-126)

牛文庆(1992—)，男，甘肃张掖人，硕士研究生。