断层错动作用下埋地管道反应分析方法综述

刘　武，侯王刚，田　智，罗召钱.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都　60500.中国石油西南油气田公司，四川江油　6709



断层错动作用下埋地管道反应分析方法综述

刘武1，侯王刚1，田智2，罗召钱2
1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都610500
2.中国石油西南油气田公司，四川江油621709

摘要：埋地管道作为石油天然气工业的地下生命线，不可避免地穿越活动断层，研究断层大距离错动作用下埋地管道反应具有重要意义。从理论研究和实验研究两方面论述了断层错动作用下埋地管道反应研究现状，分析了不同方法所采用的力学模型及管-土相互作用模型的发展方向，总结了前人的研究成果以及存在的不足。针对当前技术的不断发展，指出进一步研究方向。

关键词：断层错动；埋地管道；分析方法；综述

世界能源需求的扩大和发展加速了长距离油气管道的建设步伐［1］。我国油气资源主要分布在中西部地区，地质条件复杂，长输管道不可避免地会受到地震灾害的威胁和侵害［2］。坚固而有韧性的钢管道一般能经受住地震的考验，但却不能抵御断层所产生的较大的永久性地面位移［3］。地震引发的地表破裂及错动会使埋地管道承受强烈的拉伸或压缩作用，极易发生拉断、错断或屈曲破坏，造成火灾或爆炸，对人员的生命财产及环境产生严重影响。

1971年美国的圣费尔南多地震，造成25%的地下管道在断层穿越处或其附近的强地震区破裂［4］。1997年委内瑞拉的Cariaco地震，造成断层错动位移达0.4 m，埋地管道严重受损［5］。2001年青海省和新疆维吾尔自治区交界处昆仑山南麓发生8.1级地震，导致格尔木至拉萨的地下输油管道在断层地表破裂带处出现严重的破坏现象［6］。2008年，四川汶川地震，绵竹市供水主管网80%被破坏［7］。

以上案例表明，断层的相互错动会对地下油气管道系统造成严重危害，进行断层大距离错动作用下埋地管道结构的受力与变形分析是必要的。长期以来，国内外众多学者已就管道、土体以及管-土相互作用建立了丰富的力学模型，对地震断裂带作用下埋地管道的反应行为进行了大量分析，归纳起来主要有理论和实验研究两种方法。

1　理论研究

1.1理论解析法

Newmark和Hall于1975年首次提出了跨断层埋地管道反应的一种近似算法［8］。该方法假设管道埋置于带边坡的浅沟内，忽略惯性力的影响，断层作用下管土一起运动，认为断层位移完全由管道轴向变形吸收，不计土的横向作用力和管道的弯曲变形。研究表明，管土间的摩擦力越小，管道适应断层运动的能力越强；钢号越低，延性越大；断层两侧附近区域，管道发生大位移。该方法至今仍被我国输油（气）管道抗震规范所采用，由于其忽略了土体的横向作用力和管道弯曲变形，使得该方法只适用于断层与管道交角较小或断层位错较大的情况。

1977年Kennedy等人在Newmark- Hall方法的基础上进行改进，考虑了作用在管道上的横向土反力和管道弯曲变形，采用曲线段和直线段分别来描述断层附近和远离断层管段的变形，提出了断层运动时地下管道承受弯曲和轴向拉伸最大应变的分析方法［9］。通过分析，该方法较Newmark- Hall结果更合理，但其忽略了管道的弯曲刚度，对侧向土反力估计过高，结果偏于保守。

上述Newmark- Hall和Kennedy方法都没有考虑管道的抗弯刚度，均认为管道与断层的交点处最先发生破坏。

1985年，Wang和Yeh在Newmark- Hall上述两种方法的基础上改进了柔性缆索的假设［10］，考虑了管道的弯曲应变及刚度，提出了地下管道远端的变形应形同弹性地基梁，断层附近变形为单一曲率弯曲的大变形梁。经试验证实，该方法的计算模型较前两种方法更接近实际情况，且避免了Newmark- Hall方法在穿越角度较大时不能考虑弯曲应变的损失。但该模型忽略了轴力对弯曲刚度的影响，得到的弯曲应变值较高，结果偏于保守，且没有考虑单一曲率大变形梁和弹性地基梁之间的剪力连续条件。

1994年，Chiou等［11］为了克服Wang- Yeh方法中单一曲率计算模型的不足，将管道大变形段模拟为弹性梁，管道远端看作半无限长的弹性地基梁。运用有限差分法和Brent法求解非线性方程，并对管道的抗震性能进行了分析。

1998年，Wang L R L等［12］将断层附近的管道大变形段模拟成带有弹簧铰支座的悬臂梁而不是一段圆弧，远离断层的管段视为半无限的弹性地基梁。该方法考虑了大变形的应力-变形关系，使计算结果更接近真实情况。但在计算大变形段的横向位移时，使用的弯矩叠加原理是建立在小变形和梁弯曲刚度不变的前提下，没有考虑靠近断层已进入塑性阶段的管轴力对横向弯曲的影响，计算结果偏于保守；没有考虑悬臂梁和弹性地基梁之间的剪力连续条件。

Karamitros等［13］将断层附近大变形管道模拟为弹性梁，远端小变形为弹性地基梁，考虑了弹性地基梁和弹性梁连接点处的剪力连续条件以及管道横截面的实际应力分布情况。但该方法忽略了大变形段的管土之间摩擦力，而认为管道潜在的破坏位置位于最大弯矩截面处，且没有予以证明；在考虑轴力对弯曲刚度的影响时，采用的基于弹性梁理论的弯曲应变和基于二次项影响的弯曲应变组合形式缺乏物理意义。

王滨［7］在Karamitros模型的基础上，采用了ALA- ASCE推荐的理想弹塑性土弹簧模型，考虑了管土相互作用的非线性。分别基于管道钢的双折线模型和Ramberg- Osgood模型，提出较为精确的场地土均一走滑断层作用下埋地钢质管道反应计算的理论解析法。通过分析，该方法得到了管道潜在的破坏位置、管道轴向总应力和总应变最大值。但忽略了断层作用下管道的几何非线性影响，采用小变形位移叠加方式计算管道几何伸长量，使计算结果不安全。

以上方法主要是针对走滑断层作用下管道的应力、应变分析，管土力学模型不断得到改进，但均是基于一定的假设前提下，得到的结果存在局限性。

1.2数值模拟法

随着计算机技术的迅速发展，在工程领域中，有限元分析（FEA）越来越多地用于仿真模拟，研究者们提出了多种有限元分析方法求解断层错动作用下埋地管道的响应特性。

1991年，侯忠良等［14］在考虑断层相对位移较大情况下，管道和土体发生了非线性变形，提出了用非线性有限元方法对穿越断层的埋地管道进行反应分析。该方法将管道简化为弹性地基梁，土体设置为土弹簧，根据虚功原理建立管道的平衡方程，利用迭代方法进行计算。探讨了断层错动量、管土之间的相对位移对管道反应的影响，表明该方法在管道受拉作用下的计算结果与Kennedy法相近。

Takada等［15］将管道模拟为弹塑性材料壳单元，土体设置为非线性弹簧单元，采用非线性有限元分析逆断层大距离错动下埋地管道的屈曲效应。通过研究，得出逆断层作用下管道的最大应变出现在屈曲位置；在总应变中，塑性应变占97%以上，可见管道跨逆断层时需具有较高的延展性；增加管道壁厚有助于抗震，逆断层穿越角以45°为宜。

2002年，刘爱文［16］首次提出将远离断层管土之间相对变形较小的管道直线段变形等效为非线性弹簧，用壳单元模拟断层附近发生大变形的管段，土体设置为弹簧单元，从而较好地分析了管截面的大变形情况，且节约了将整个管道视为壳模型的计算时间。分析发现，壳单元模型能较好地分析管道的局部屈曲和大变形情况。

刘学杰等［17］考虑管道穿越逆断层或以90°交角穿越走滑断层时，管道发生局部屈曲变形，建议用梁单元模拟直管段，在断层附近（左右各20 m）采用弯管（等效于壳单元）单元，管土之间采用土弹簧或杆、连接单元进行模拟，使计算结果更为准确。并针对已建和新建管道的抗震性能进行了分析。

金浏等［18］建立了穿越逆冲断层作用下埋地管道非线性有限元模型，将埋地管道及周围土体从半无限大地介质中取出，分别以空间薄壳单元和实体单元进行离散，采用非线性接触单元模拟管土之间的滑移、分离及闭合现象。分析得出土体错动量越大，管道变形越严重；土体刚度的增大导致管道反应的增大；浅埋有利于管道变形，提高抗震性能；逆断层作用下，随着跨越角度的增大，管道容易发生屈曲破坏，建议采用90°作为最佳的管道跨越角度。

闫相祯等［19］基于断层中间含有破碎带、薄壳大变形以及管土耦合条件，建立了壳单元有限元分析模型。将管道模型简化为四节点薄壳单元，土体简化为三向弹塑性土弹簧，管壁的厚度即为各个壳单元的厚度，并进行算例分析。结果表明，在大位移作用下，管道破坏主要出现在断层附近两侧；断层破碎带越宽，管道的轴向变形越小，对管道的抗震越有利。

Bolvardi等［20］采用壳单元离散管道，土体选择实体单元，管土间采用接触模型来模拟，建立了三维非线性有限元模型。分析比较了管径、穿越角、壁厚、埋深等因素对管道受力的影响。

丰晓红［21］选用壳单元以及实体单元分别对管道及周围土体进行了离散，将管道模拟成薄壁中空结构，土体模拟为均一实体结构，采用基于状态非线性的管土接触模型，提出了符合实际的有限元计算模型。

杨汗青等［22］基于MIDAS结构分析软件，采用大变形有限元方法分析了大口径油气管道在断层位错作用下的应变响应。管道采用板壳单元，土体、围岩以及断层破碎带设置为实体单元，管土间的相互作用采用实体接触单元进行模拟。结果表明，对于走滑断层、逆断层以及逆冲断层，场地覆盖土层厚度对管道应变影响较大；不同类型断层位错作用下，管道与断层最佳穿越角度差别较大。

薛景宏等［23］提出单压土弹簧埋地管道有限元模型，对传统的拉压弹簧进行改进，实现单压性能，更好模拟管土间相互作用。模拟发现，单压弹簧法得到的管道应变值比拉压弹簧法得到的应变值小，能较好地反映管道的实际变形。

2　实验研究

在以往的研究中，理论解析法和数值模拟法因其自身的易操作性及受外界影响较小等特点，国内外许多学者进行了研究，而对于断层错动作用下的抗震试验则相对较少。

冯启民等［24］首次进行了跨断层埋地管道抗震试验。采用中间有断缝的土箱模拟断层两盘，将管道模型埋入土箱中，使箱体的一半相对另一半存在相对运动，分别进行了静力试验和模拟地震振动台动力试验。试验表明，不论静力还是动力试验，管道与断层土体之间的相对变形最大值均出现在断层面附近；管道轴线变形成反对称，远离断层的管段随土体一起运动；断层带软弱夹层的存在，有使管道最大应变发生位置远离断层面的趋势。

2004年，Susumu Yasuda等［25］分别对埋地管道穿越走滑断层和逆冲断层进行了试验，断层模型采用一个土箱固定、另一个土箱运动的形式，分析了管径、管道埋深、管道与断层的交角等参数对管道最大弯矩的影响。

Yoshizaki等［26］进行了全尺寸试验，分析了管沟内膨胀型树脂类回填物对埋地管道抗震性能的影响。结果表明，使用膨胀型树脂作为回填物有助于减轻管土间相互作用。

Da Ha等［27］采用离心试验模拟逆断层作用下管道（大密度和高延性的聚乙烯材料）的受力状况。并将试验结果与1999年土耳其伊兹米特地震中管道的失效情况进行对比，提出一种新的测量地表破裂变形作用下管土间接触力的模型。

张志超等［28］针对跨断层地下管道的地震破坏特性，设计出断层作用下管道的振动台试验模型。结果表明，管道与土体之间的初始动力效应对整个系统影响较小，可以忽略不计，而管内流体可能存在较大影响；在无法避开断层区域的情况下，地下管道最好与断层垂直；管道的最大应变位于断层附近一定区域内；管-土动力相互作用及其变化规律对管道反应影响较大。

3　结论及展望

经过近四十年的发展，国内外学者对跨断层埋地管道破坏模式建立了多种分析模型，在理论解析法、数值模拟法以及试验方法等领域均取得显著成绩。同时，由于各种方法的适用条件不同，均存在一定的局限性。随着管道向大口径、高压力、高钢级方向发展，研究方法也需作出相应的改进。

（1）管道分析模型主要为断层附近大变形梁模型和远离断层小变形管段弹性地基梁模型，基本模型没有发生改变，只是分析方法不断改进，但均是基于一定的假设前提下，因此得到的结果存在一定的局限性。

（2）在今后研究中，应针对工程实际建立合适的有限元模型，提高计算效率；考虑更多管道运行时的影响因素，如建立土体-管道-流体耦合作用下的埋地管道穿越断层模型将成为研究重点。

（3）针对断层作用下埋地管道的实验模型主要为“管道穿越土箱”模型，它在一定程度上反映了管道的变形规律。由于受到土箱模型尺寸、试验装置性能以及荷载的施加方式等因素限制，难以得到精确结果，只能为理论研究提供参考。

（4）有必要对断层错动作用下含缺陷长输管道的安全性分析作进一步研究。

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Review on Analysis Methods of Buried Pipelines Under Fault Movements

LIU Wu1，HOU Wanggang1，TIAN Zhi2，LUO Zhaoqian2
1. Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China
2. Petro China Southwest Oiland Gas Field Company，Jiangyou 621709，China

Abstract：As the lifeline of petroleum industry，buried pipelines crossing active faults are inevitably，so the research on response behavior of buried pipelines under large fault displacement is essential. In the present paper，the status quo of the response of the buried pipeline under the fault action is discussed from two aspects：theoretical research and experimental research，presenting the mechanical models of different methods and development direction of the model of soil- pipeline interaction. The previous research results and the existing problems are summarized. The future research direction is pointed out based on the current development of pipeline technology.

Keywords：fault movement；buried pipeline；analyticalmethod；review

doi:10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.02.001

基金项目：

四川省应用基础研究项目（2013JY0098）资助。

作者简介：

刘武（1970-），男，四川武胜人，副教授，1992年业于西南石油大学油气储运专业，主要从事天然气管网优化、地质灾害作用下管道的安全研究工作。Email：wwwww65@126.com

收稿日期：2015- 09- 14；修回日期：2015- 12- 09