澜沧江跨越管道的落石冲击影响与防护

陈利琼 刘 洋 吴世娟 来进和 张兴龙

1.西南石油大学石油与天然气工程学院 2.中国石化西南油气分公司采气三厂3.中国石油玉门油田分公司 4.中国石油西南管道分公司

0 引言

在我国，因落石撞击造成的管道损毁事故时有发生[1-3]。如汶川地震发生后，兰成渝管道由于落石撞击造成原油泄漏，澜沧江跨越管道同样遭到落石威胁。

针对落石灾害，人们开展了广泛研究。加拿大多伦多大学的Stevens[4]指出，边坡坡面法向还原系数（en）和切向还原系数（et）是影响边坡落石运动轨迹的两个最重要的参数，它们不仅决定着落石的运动轨迹，同时也改变着落石运动过程中的能量；黄润秋和刘卫华[5]通过正交试验，发现斜度对落石加速度的影响尤为显著；通过在RocFall软件中模拟研究某一边坡上的落石运动，韦启珍和雷秀丽[6]验证了数值模拟在研究落石下落过程方面的准确性以及有效性；在仔细研究了日本道路公团公式以及杨其新和关宝树[7]提出的落石冲击力计算公式后，结合冲量定理，陈洪凯[8]和Kawahara和Muro[9]推导了理论冲击力计算公式。为了保障澜沧江跨越管道的安全运行，探寻该跨越管道落石防治方案，以澜沧江跨越管道左岸落石为研究对象，运用RocFallⅡ软件对其运动进行模拟，分析落石质量、下落高度对落石撞击管道位置以及撞击管道时最大动能的影响；然后在CAESARⅡ软件管道模型上施加作用力，计算使管道发生失效的落石质量；最后结合该跨越管道左岸地形以及落石分布情况提出了落石防治措施。

1 澜沧江跨越区落石影响因素

根据中国科学院武汉岩土力学研究所的《中缅油气管道澜沧江跨越两岸边坡稳定性评价》报告，确定跨越工程左岸为易遭受落石危害的最不利地形剖面之一，笔者定义其为崩塌落石区。

1.1 计算模型

根据跨越工程左岸剖面示例图，结合CAD软件与RocFall软件，建立计算剖面模型如图1所示，称其为PM。

图1中内摩擦角φ＝37°为测定值，坡面回弹系数et和en是根据国内外已有各种坡面地质条件的建议值结合实际情况得出的结果[10]。

1.2 落石撞击管道位置

为了确定应力加载点的位置，需要确定不同质量以及下落高度落石在管道上撞击点的位置。研究表明，模拟200次时，可以得到稳定的轨迹和参数[11]。通过将不同质量落石从落石崩塌区边缘O21点抛下，分析落石质量对最大动能落石撞击管道水平段位置的影响；同时以质量为1 000 kg的落石为研究对象，分析下落高度的影响，以跨越管道起点为原点，结 果如表1和表2所示。

图1 跨越管道左岸计算模型图

表1 不同落石质量对撞击点位置的影响表

表2 不同落石下落高度对撞击点位置的影响表

从表1可以看出，不同质量的落石撞击管道的位置位于起点附近，且变化很小，说明了落石质量对落石运动距离的影响不大，且随着落石质量增加，落石运动最大距离趋于稳定；从表2可以看出，相同质量下不同下落高度对落石撞击管道位置的影响较小，说明下落高度也不是影响落石运动距离的主要因素，且落石在管道上的撞击点相对集中，受落石威胁管段W以跨越天然气管道起点为起点，长约13 m。

1.3 落石撞击管道动能与高度及质量关系

落石撞击管道时携带的动能决定了其与管道冲击力的大小，为了定量分析落石撞击管道动能与高度及质量的关系，通过改变落石质量与下落高度进行模拟，结果如图2所示。

图2 落石质量及高度对落石最大动能的影响图

从图2可以看出，落石质量相同时，下落高度对其撞击管道最大动能影响很小，可能是因为澜沧江跨越管道左岸崩塌落石区坡度较小，落石在坡面的运动以滚动为主，其与斜面植被产生的摩擦力部分甚至完全抵消掉了重力的作用[12]；同一下落高度的情况下，落石撞击管道最大动能与落石质量几乎呈线性关系，其表达式为：

式中EPM表示落石可产生的撞击管道动能，kJ；m表示落石质量，kg。

2 落石冲击力作用下管道应力数值模拟

2.1 管道强度校核标准

澜沧江跨越段落石灾害频发，管道同一部位可能反复受到落石冲击，管道可能产生永久塑性变形，即落石对管道的冲击效果会产生累积，难以确定跨越管道的失效载荷，因此将落石单次撞击管道时产生的冲击力作为管道是否失效的评判标准。通过研究发现，基于应力的第四强度理论可以准确反映材料发生屈服破坏的条件，即当管道最小屈服强度小于因冲击力产生的应力时，可判断管道在该冲击力下产生了屈服破坏，处于危险状态[13-14]，因此选择第四强度理论作为澜沧江跨越管道落石冲击失效的判断依据。

2.2 管道参数

澜沧江跨越天然气管道两侧均被固定，其约束形式为全约束；跨越管道中间每隔5 m安装一个支架，限制其在YZ方向运动，其参数如表3所示。

表3 澜沧江跨越天然气管道参数表

2.3 建立模型

根据管道参数以及安装结构图，在CAESAR II软件中建立包含两侧地下管道与跨越管道的计算模型。

为了得到使应力最大化的冲击荷载位置，通过在W的不同位置加载同一荷载，发现目标位置为W左端，即管道模型中的节点599，由于节点599处存在约束，故施加荷载时将作用点右移1 m，如图3所示。

图3 冲击力施加位置示意图

2.4 落石冲击下管道应力分布

为了研究管道应力与落石撞击的关系，模拟不同质量落石从不同高度落下撞击管道产生的应力情况，列举出部分撞击点应力模拟结果，如表4所示。需要说明的是，CAESAR II软件的计算结果仅能保证其在管材屈服极限内的准确性，当管道产生的应力超过其屈服极限后，仅能判断管道失效。

由表4可以看出，超过1 500 kg的落石撞击管道会使管道失效，而质量为1 000 kg的落石则不会使管道发生失效，为保证管道安全，将质量为1 000 kg的落石视为危险落石。

3 落石防治措施

根据澜沧江跨越管道左侧坡面地形以及落石运动轨迹，发现很适合安装SNS柔性防护网系统，因此选择被动型SNS柔性防护网系统对跨越管道进行安全防护[15-17]。

3.1 落石防治措施及基本思路

为了保证管道的安全，首先建议将跨越区两岸高陡边坡上体积大于0.37 m3的可见落石予以清除，对于潜在危岩，采用SNS柔性防护网系统进行防护。

为了减少落石冲击作用对SNS防护网的影响，保证防护工作的有效性，同时尽量减少防护网的高度[18]，选择将防护网安装在落石能量及高度均较小的平缓坡面上。

3.2 落石防护网的布设

由于落石运动参数不仅决定着防护网的布设高度，同时也严重影响着防护网的工作效果，为了保证防护工作的有效性，需要对落石运动过程中的参数进行模拟研究。

3.2.1 防护网长度

为了保证防护效果，防护网长度应等于落石威胁区域范围与跨越管桥宽度（d）之和。落石威胁区域范围大小由偏移比指标（η）以及落石坡面运动距离（S）确定。由于澜沧江跨越管道区域落石灾害频发，将其视为一级危险性区域，取偏移比指标η=0.3[19]。经过模拟，落石在坡面上最大运动距离为S=250 m，故防护网长度L=2ηS+d=2×0.3×250+10=160 m，如图4所示。

3.2.2 防护网高度

为了得到落石动能与弹跳高度间的关系，选择L点作为初始点，对不同质量落石的运动进行模拟，发现以下两个位置E点（250 m，1 225 m）和H点（208 m，1 274 m）落石弹跳高度和携带总动能同时最小的位置，为了保证拦截工作的有效性，根据落石运动情况以及现有防护网尺寸，在H点设置高度（h）为2 m的防护网，在E点设置高度（h）为4 m的防护网，利用RocFall软件，添加防护网模型，结果如图5所示。

从图5可以看出，防护网1上部有大量落石运动轨迹，但防护网1以下附近落石运动轨迹较少，说明防护网1对部分落石进行了有效拦截，同时防护网2以下无落石运动轨迹，说明防护网2可以有效拦截防护网1无法拦截的落石，验证了防护网布设高度和布设位置的有效及合理性。

表4 不同落石高度下的管道应力计算结果表

图4 防护网安全布设长度示意图

图5 防护网效果验证图

4 结论与建议

4.1 结论

1）澜沧江跨越管道左岸落石质量以及下落高度对落石撞击管道位置影响很小，撞击点分布在以跨越管道起点为起点，长度为13 m的范围内。

2）落石质量对撞击管道时落石携带的最大动能影响极其显著，呈线性增长关系，落石下落高度的影响则微乎其微。

3）质量超过1 000 kg的落石均可能对管道造成致命损坏，应予以去除。

4）在对管道进行落石防护措施时，应根据落石运动轨迹、动能以及弹跳高度合理布设防护网，必要时，可进行多层防护。

4.2 建议

1）未考虑落石形状对冲击作用的影响，不同形状的落石可能在管道上产生不同的应力分布情况，因此需要研究落石形状对冲击作用的影响。

2）只考虑了一次冲击作用下管道失效的情形，但对于山区管道，可能遭受多次较小石块的冲击作用，在这种情况下，管道可能发生疲劳失效；同时，落石与管壁发生擦碰时，可能产生刮痕，使管道更容易发生腐蚀，从而导致管道失效，因此也需要防范较小落石的影响。