输气管道滑坡灾害影响因素敏感性分析

胡生宝，毛 建，曾跃辉

(1.中石油管道有限责任公司 西气东输分公司银川管理处，宁夏 银川 750001；2.中石油管道有限责任公司 西气东输分公司，上海 200122；3.彭州华润燃气有限公司，四川 彭州 611930)

输气管道滑坡灾害影响因素敏感性分析

胡生宝1，毛 建2，曾跃辉3

(1.中石油管道有限责任公司 西气东输分公司银川管理处，宁夏 银川 750001；2.中石油管道有限责任公司 西气东输分公司，上海 200122；3.彭州华润燃气有限公司，四川 彭州 611930)

为保证输气管道在滑坡灾害下能够安全运行，需对输气管道滑坡灾害进行影响因素敏感性分析，以识别出管道应力与影响因素之间的敏感状况.利用ABAQUS有限元软件建立输气管道滑坡灾害数值分析模型，计算出管道的最大Mises应力值；应用敏感性系数分析法分析了输气管道滑坡灾害的主要影响因素，得出主要影响因素与管道应力之间的变化规律.计算结果表明，管道在横穿滑坡区域时，除管道壁厚与管道应力呈反向变化关系外，滑坡宽度、内摩擦角度、土体黏聚力、管道埋深和管内压力都与管道应力呈正向变化关系；管道壁厚为影响管道应力的关键因素，其余各因素敏感性从强到弱的排列顺序为，滑坡宽度>土体黏聚力>内摩擦角>管内压力>管道埋深.

输气管道；滑坡；敏感性分析；ABAQUS；数值模拟

0 引 言

随着经济的快速发展，国内长距离输送天然气管道(以下简称管道)已形成横贯东西，纵贯南北的天然气输气管网，但地形地貌的多样性也使建成的管道常受到各种地质灾害的影响，其中滑坡就是影响较严重的灾害之一[1-2].目前，相关专家对滑坡灾害下管道应力与其影响因素进行了研究，且取得了一定的研究成果[3-6].但以上研究均未涉及对管道应力影响因素的敏感性分析.鉴于此，本研究采用ABAQUS有限元软件对滑坡灾害下管道的受力情况进行模拟，综合考虑影响滑坡灾害下管道受力的各主要因素，并分析出各因素的敏感性顺序，识别出关键因素，以期为滑坡灾害下输气管道的风险评估、防灾减灾措施的制定提供相关依据.

1 管道滑坡灾害有限元模型

1.1 土体滑动平面模型的建立

目前，管道穿越滑坡体的方式有3种，即横穿、纵穿与斜穿，而横向穿越是最常见的滑坡体穿越方式，在该种穿越方式下管道受力最大，最容易失效[7].因此，本研究重点分析管道在滑坡体中横向穿越的情况.通常，管道在横穿滑坡体时，因滑动土体摩擦力的作用，管道不仅会因土体下滑弯曲变形而产生弯曲应力，还会导致滑坡体两端的管道受到拉应力甚至剪切破坏.管道横穿滑坡体的示意图如图1所示.

图1管道横穿滑坡体示意图

本研究以实际工程为例，通过建立ABAQUS有限元模型对相关问题进行分析.模型中，管道管材为X80钢，管道直径取1 016 mm，管道壁厚取17.5 mm，管道埋设深度为2 m，管道的设计运行压力为8 MPa.管道穿越滑坡体的主要参数如表1所示.

表1 管道穿越滑坡体的主要参数

研究发现，土体滑动对管道的影响可通过在土体端面施加位移载荷的方式代替，并且当管道后方土体长度大于管径5倍时，其导致管道的极限弯曲影响已不明显[8].根据管道直径大小，本研究所建模型通过在管道后方6 m的土体上施加位移载荷来模拟滑动土体对管道的影响.为更加贴近滑坡实际工况，通常认为非滑动区的宽度应大于滑动区宽度的1/4[8].因此，取整个坡体宽度为40 m，其中滑动土体宽度为20 m，非滑动土体宽10 m，土体厚度为8 m，建立如图2所示的土体滑动平面示意图.

图2土体滑动平面示意图

1.2 管土相互作用模型选择

目前，常用的管道与土体相互作用模型可分为弹性地基梁模型、土弹簧模型和非线性接触模型3种.本研究在对这3种相互作用模型的优缺点[9]和使用条件进行对比的基础上，根据管道滑坡灾害模拟的实际情况选择非线性接触模型.

1.3 边界条件设定及网格划分

1)边界条件.在滑坡灾害下，管道因受到滑动土体的影响，既可能发生竖直方向上的位移，也可能发生水平方向上的位移，但管道两端的非滑动区土体仍保持稳定，限定了管道所有方向的位移和转动.据此，可将管道两端面设定为固定约束.

2)网络划分.网格划分的质量对管道滑坡灾害模拟结果有着重要影响，网格划分越细，模拟结果也与真实情况越接近，但计算成本也就越高.因此，应该从计算精度和计算成本两方面综合考虑网格的划分，本研究管道和土体网格划分的分别如图3所示.

(a)管道网格划分

(b)土体网格划分

图3模型对象网格划分示意图

1.4 管道应力计算

在滑动区宽度为20 m的条件下，通过ABAQUS有限元分析软件计算出管道的Mises应力云图如图4所示.

图4滑坡灾害下管道的Mises应力云图

从图4可知，管道的最大Mises应力值为466.2 MPa，其位于滑动区与非滑动区的过渡段区域.且由计算出的管道最大Mises应力值小于管道的屈服极限499.5 MPa可知，该输气管道目前处于安全运行状态[10].

2 滑坡灾害下管道应力敏感性分析

管道应力敏感性分析，是指通过改变一个或者多个影响因素，分析管道应力的变化情况，以确定出各因素对于滑坡灾害下管道应力之间的影响关系[11].

2.1 敏感性因素选择

滑坡灾害下的管道应力影响因素可以分成3种类型：第一种是滑坡土体性质对管道应力的影响，如滑坡宽度、内摩擦角度、土体黏聚力等；第二种是管道自身因素对管道应力的影响，如管道壁厚、管道埋深等；第三种是管内介质情况对管道应力的影响，如管内压力.

2.2 敏感性分析方法

由于影响滑坡灾害下管道应力的因素较多，为达到简化模拟过程并定量分析影响因素与管道应力间数值关系的目的，本研究选择单因素分析法中的敏感性系数分析法对影响因素进行敏感性分析.敏感性系数分析法每次只改变一个影响因素，其他因素保持恒定即参考值，观察模型响应值f(x)的变化，其中参考值的设定情况如表2所示.敏感性系数分析法的计算公式[11]为，

(1)

(2)

(3)

式中，ηi为因素对模型的敏感性系数；xi为因素各级水平值；xi0为因素设定的参考值；f(xi)为因素为第i级水平时模型的响应值；f(xi0)为因素在参考值时模型的响应值.

|ηi|值的大小表示因素敏感性的强弱.|ηi|值越大，表示影响因素的敏感性越强，则其对目标的影响越大；反之，该影响因素的敏感性越弱，则其对目标的影响越小.

表2 敏感性分析的参考值

2.3 管道应力敏感性

在分析管道应力敏感性时，本研究分别以表1和表2的数据建立管道滑坡灾害有限元模拟模型.计算出管道最大Mises应力值，再分别以参考值的±10%、±20%、±30%、±40%、±50%为变化量改变模型的影响因素，通过ABAQUS有限元软件计算出管道的最大Mises应力值.计算结果如表3所示，根据计算结果绘制的影响因素敏感性分析图如图5所示.

表3 管道最大Mises应力值汇总表

图5滑坡灾害下管道应力影响因素敏感性分析图

根据图5可知，在影响滑坡灾害下管道应力的众多因素中，除管道壁厚与滑坡灾害下管道应力呈反向变化关系外，其余各影响因素都呈正向变化关系.

在得出各影响因素与管道间的应力变化规律后，将表3内的计算结果带入式(1)～式(3)即可求出在相同变化量下各影响因素的敏感性系数.各影响因素的敏感系数如表4所示，其对应的敏感系数关系图如图6所示.

表4 不同影响因素的敏感系数表

2.4 敏感性因素分析与结果

2.4.1 滑坡宽度.

随着滑坡宽度的增加，管道应力对滑坡宽度的敏感度系数减小，其敏感度系数的变化范围为0.62～1.05.表明随着滑坡宽度增大，滑坡宽度对管道应力的影响程度减弱，且减弱效果明显.

图6不同影响因素的敏感系数变化关系图

2.4.2 内摩擦角度.

随着滑动土体内摩擦角度的增加，管道应力对内摩擦角度的敏感度系数减小，其敏感度系数的变化范围为0.40～0.63.表明随着土体内摩擦角度增大，土体内摩擦角度对管道应力的影响程度减弱，但减弱效果不太明显.

2.4.3 土体黏聚力.

随着滑动土体黏聚力的增加，管道应力对土体黏聚力的敏感度系数减小，其敏感度系数的变化范围为0.25～0.73.表明随着土体黏聚力增大，土体黏聚力对管道应力的影响程度减弱，且减弱效果明显.

2.4.4 管道壁厚.

随着管道壁厚的增加，管道应力对管道壁厚的敏感度系数的绝对值在减小，其敏感度系数的变化范围为-0.57～-1.16.表明随着管道壁厚增大，管道壁厚对管道应力的影响程度减弱，且减弱效果明显.

2.4.5 管道埋深.

随着管道埋深的增加，管道应力对管道埋深的敏感度系数几乎保持不变，其敏感度系数的变化范围为0.15～0.22.表明随着管道埋深增大，管道埋深对管道应力的影响程度保持不变.

2.4.6 管内压力.

随着管内压力的增加，管道应力对管内压力的敏感度系数几乎保持不变，其敏感度系数的变化范围为0.26～0.31.表明随着管内压力增大，管内压力对管道应力的影响程度保持不变.

2.4.7 结 论.

根据敏感度系数的计算结果可以得出各个因素敏感性从强到弱的排列顺序为：管道壁厚>滑坡宽度>土体黏聚力>内摩擦角>管内压力>管道埋深.因此，当管道处于设计施工阶段时，如果管道需从滑坡区或潜在不稳定斜坡区穿过，一方面可通过适当增加管道壁厚以提高管道承受滑坡灾害的能力；另一方面可采用轻质回填材料对管道进行回填.当管道处于生产运营阶段时，可以在满足输气量的前提下适当降低管道的运行压力.

3 结 语

本研究显示，除管道壁厚与滑坡灾害下输气管道应力呈反向变化关系外，滑坡宽度、内摩擦角度、土体黏聚力、管道埋深和管内压力都与滑坡灾害下输气管道应力呈正向变化关系.输气管道壁厚对滑坡灾害下管道应力的影响最大，各因素敏感性从强到弱的排列顺序为：管道壁厚>滑坡宽度>土体黏聚力>内摩擦角>管内压力>管道埋深.本研究认为，将敏感性分析引入到了滑坡灾害下管道的应力分析中，在一定程度上可定量分析各因素与输气管道应力之间的规律，此为制定滑坡灾害管道的防治措施提供了一定的借鉴依据.

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SensitivityAnalysisofInfluencingFactorsofLandslideinGasPipeline

HUShengbao1,MAOJian2,ZENGYuehui3

(1.Yinchuan Management Office, West-East Gas Pipeline Company，Ningxia 750001, China; 2.West-East Gas Pipeline Company, China Petroleum Pipeline Co., Ltd., Shanghai 200122, China; 3.Pengzhou China Resources Gas Co., Ltd., Pengzhou 610500, China)

In order to ensure the safe operation of the gas pipeline in the landslide disaster,it is necessary to analyze the sensitivity of the influencing factors of the landslide hazard of the gas pipeline to identify the sensitive relationship between the pipeline stress and the influencing factors.The numerical analysis model of landslide hazard is established by using ABAQUS finite element software to calculate the maximum Mises stress value of the pipeline.The main factors influencing the landslide hazard of gas pipeline are analyzed by sensitivity coefficient analysis,and the analysis identifies the main influencing factors and the law of change between pipeline stresses.The results show that the landslide width,internal friction angle, soil cohesion,pipeline depth and pipe pressure are all positive with the pipeline stress when the pipe crosses the landslide,while the pipe wall thickness is inversely related to the pipe stress.The relationship between the thickness of the pipe and the wall is the key factor affecting the stress of the pipeline.The sensitivity of the other factors rank as the following:landslide width,the soil cohesion,the internal friction angle,the pipe pressure and the pipeline depth.

gas pipeline;landslide;sensitivity analysis;ABAQUS;numerical simulation

TE973；P642.22

A

1004-5422(2017)04-0427-05

2017-07-06.

胡生宝(1975 — )，男，工程师，从事油气管道完整性相关技术研究.