EPS块用于缓解滑坡区油气管道应变效果研究

王东源，杨 建，谭秋霞

(中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

滑坡特别是浅层滑坡是输油气管道沿线分布较广且对管道造成危害较多的灾种之一，对管道的安全运营构成很大威胁。虽然目前遵循的设计规范中明确在线路选择时应避开滑坡等地质灾害地段，但是由于地质条件的复杂性和各种不可预知性的影响因素，造成线性工程的管道在我国特别是西南山区敷设时往往无法完全绕避上述地段[1-2]，短期内可能无法改变管道面临滑坡威胁的客观事实。不管是在管道建设期还是运营期，当发生滑坡灾害时，管道在滑坡推力直接作用下会因弯曲变形而产生显著的附加应变，缓慢滑坡能够导致管道大范围弯曲变形，突发滑坡则造成管道瞬间失效[3-10]。管道的泄漏或破坏不仅能立即导致火灾和爆炸，而且对环境也会产生长期的影响，造成巨大的社会反响和经济损失，例如与坡体移动均有关联的中缅天然气管道两次泄漏燃爆较大事故(2017年7月2日和2018年 6月10日)在国内造成了深远影响。虽然滑坡对管道的致灾过程和机理仍然是管道破坏和失效研究的难点所在，但是大量学者的研究[11-16]表明滑坡与管道作用方式中以横向滑坡给管道带来的危害最为严重，在分析管道受滑坡作用下的响应时，关键在于如何考虑土体与管道之间的互相作用。通过分析可以将管道与滑动土体的相互作用分为三个阶段：第一阶段中管道与土体一起运动无相对运动；第二阶段在滑坡边界处部分管道和土体将发生相对位移，管道开始受到土体的推力；第三阶段是最危险的阶段，管道和土体发生全面的相对位移，滑坡对管道的作用力和管道的变形达到最大值。

针对目前面临的实际情况，输油气管道设计规范中规定当受到条件限制必须通过滑坡区域时，应选择危害程度较小的位置通过并采取相应的防护措施。为了响应规范要求并切实保障滑坡区管道的安全，本文提出了一种可以有效缓解滑坡区油气管道应变的防护措施，采用柔性材料聚苯乙烯泡沫塑料块(Expanded Polystyrene，以下简称“EPS块”)作为管沟回填料取代管沟回填土，可以大大降低管道的风险，防护效果较好。

1 缓解应变技术简介

1.1 EPS块减荷技术

EPS块材料是一种热塑性材料，又称发泡聚苯乙烯，具有化学性质稳定、压缩变形大、缓冲隔振等特点，国内外广泛应用于耗能减振工程中[17-22]。顾安全等[23]通过室内试验得出了EPS块压缩应力应变曲线(图1)，变形期表现出弹性、塑形和硬化3个阶段，即使进入塑性变形阶段，其抗压强度还是很大，处于弹性范围的EPS几乎没有永久性的压缩蠕变。

图1 EPS板材的压缩应力——应变曲线Fig.1 Compression stress-strain curve of EPS block

1.2 EPS块设置位置

根据滑坡体滑动方向和输油气管道的空间关系，管道本体变形主要表现为拉伸、压缩和(或)弯曲，管道本体应变极值会明显出现在滑坡周界边缘附近，因此EPS块摆放在滑坡边缘与管道交叉处时，其缓解管道应变的效果最好。考虑到实际工程中滑坡边缘不太容易准确确定，因此通过增加设置范围以确保EPS块设置区域包含滑坡边缘区域。同时EPS块的高度将根据防护管道的管径来确定，以确保EPS块能对管道整体起到保护作用，EPS块放置在管沟替代自然土回填(图2)。

图2 滑坡区域油气管道与EPS块位置示意图Fig.2 Pipeline and EPS block location in landslide area

2 应用效果分析

以西南山区某输气管道途经的斜坡段为例，假设某时期发生滑坡事件，通过有限元方法建立管道与滑坡实体计算模型，可以分析设置EPS块对于缓解滑坡地区油气管道应变效果，同时可以分析不同密度效应下的缓解应变的规律，为实际工程提供最优的EPS块设计方案，分析中采用的EPS块密度为15kg/m3(图3)。

图3 应用分析中采用的EPS板材Fig.3 EPS block used in application analysis

2.1 模型参数

某输气管道从滑坡体横穿通过，管道受影响长度为150 m，管道通过部位滑坡滑面倾角约为30°，滑坡土体为粉质黏土，平均坡度30°，管道和滑坡体主要参数见表1和表2。钢管的应力-应变关系采用Ramberg-Osgood模型表示。

表1 管道基本参数Table 1 Pipeline parameters

表2 滑坡土体基本参数Table 2 Landslide parameters

利用有限元软件建立管道与滑坡实体计算模型(图4)，计算模型中采用Solid45实体单元模拟管道、土体和EPS块，考虑到存在土体材料的非线性问题，采用DP模型表达土体本构关系，EPS块考虑可压碎泡沫材料的动态力学特性，采用接触单元考虑管道与土体、管道与EPS块、EPS块与土体之间的接触[25]。计算过程中对土体单元施加相应的位移模拟滑坡体的滑动距离，土体位移的施加方法主要有两种，一种是通过有限元软件主菜单中的函数编辑器和加载器来实现，另一种是使用APDL语言编程实现位移的施加。为便于后期的计算编辑和调试工作主要采用第二种方式即APDL语言编程实现位移的施加，采用50 mm的均匀位移步长直至达到4 000 mm的全部位移。为了消除边界效应的影响，稳定土体中管道长度至少取滑坡宽度的五倍，并对管道末端视为固定端施加全约束，实际参与计算的有限元模型中建立的管道长度(3 000 m)远远大于5倍滑坡宽度(750 m)，计算模拟时通过逐步施加滑坡体位移来模拟土体的滑动。考虑到网格的划分对计算收敛和结果精度的影响，分析中对有限元模型进行网格敏感性分析以确定合理的网格划分尺寸，土体移动区域以及移动土体和静止土体之间的过渡区使用了更为细密的网格，剩余模型长度上采用了较粗的网格。计算时考虑大变形问题，打开大变形设置进行非线性分析。

图4 设置EPS块埋地管道有限元模型Fig.4 Finite element model of EPS block buried pipeline

2.2 EPS块防护效应

分析过程中，在同一荷载步上施加重量和压力，此后再施加地面位移荷载，采用50 mm的均匀位移步长直至达到4 000 mm的全部位移，求解过程中如果模型达不到平衡，可以减小位移增量并进行自动调整。在相同滑坡位移量(推力)作用下，通过对正常管沟回填的工况和采用EPS块替代自然回填土的工况进行计算对比分析，结果(图5)表明管道最大应变值由1.9%降低到1.3%，减小约32%的管道应变。

图5 不同工况下的管道应变云图Fig.5 Pipe strain diagrams for different conditions

为进一步得到EPS块防护效果的有效性，对管径D914 mm、壁厚15.9 mm和管径D1016 mm、壁厚16.1 mm两种工况下的管道进行同样的对比计算分析，结果表明(图6)两种管径、壁厚工况下在正常管沟回填和采用EPS块替代自然回填土的情况下，管道最大应变值均得到不同程度的缓解降低，分别由2.33%和2.11%降低到1.61%和1.52%，减小约31%和28%的管道应变。因此对于上述分析的不同管径和壁厚的管道， EPS块可以减小管道应变范围为28%-32%。

图6 两种工况下不同管径的管道应变影响趋势图Fig.6 Trend graph of pipeline strain effect under two conditions of different pipe diameters

通过对比分析2种工况下的管道应变规律和管道变形形状的影响(图7)，得出EPS块缓解滑坡区管道应变的防护效果，与正常的管沟回填相比地表位移地段采用EPS块可以减小管道的应变值，由于采用EPS块的刚度不足正常回填土的90%，因此造成管道曲率半径更大，弯曲变形幅度降低，应变值更低，管道所受的附加应力值更低。

图7 两种工况下对管道变形形状的影响对比图Fig.7 Comparison of the influence of the two conditions on the deformation shape of the pipeline

2.3 EPS块不同密度效应

对于EPS块而言初始密度是其重要的力学性能指标之一，工程中采用不同初始密度的EPS块对于缓解滑坡区管道应变的效果和能力也不相同。为了得到滑坡区管道应变对不同初始密度块的响应规律，选取了目前工程中常用的4种密度块(12kg/m3、15kg/m3、21kg/m3、27kg/m3)进行计算分析。分析结果(图8)表明，四种初始密度块缓解管道应变的效果存在较明显的差异，随着EPS块初始密度的增大，其缓解管道应变的能力和效果在降低，初始密度较小的块材对滑坡位移造成的管道应变缓解能力和效果最好，因此在实际工程中对于EPS块的选用原则应该是选用初始密度较低的块材。另外，当土体位移量超过3 m时,EPS块材料的变形期进入硬化阶段，材料的压缩变形较小，缓冲隔振效果降低，此时随着土体位移的持续增加，管道的最大应变快速上升。

图8 管道应变对不同初始密度块的响应规律Fig.8 Response of pipeline strain to different initial density blocks

2.4 EPS块不同厚度效应

不同厚度的EPS块对滑坡位移产生的管道应变缓解效果不同，其厚度是影响缓解管道应变的重要指标。为了得到EPS块不同厚度下的管道应变响应规律，选取8种厚度(分别为0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m、2.0 m)的EPS块，在D914 mm和D1219 mm两种管径下进行计算分析，2种管径下的分析结果(图9)表明，不同密度下的EPS块，其对管道应变的缓解能力均表现出随着EPS块的厚度增加而增强。当EPS块厚度增大到一定厚度时，其缓解管道应变的能力减弱并趋于平直，说明此时再增加EPS块厚度其缓解效果不再明显。对于D914 mm管径而言最优的EPS块厚度约为0.9-1.0 m ，而对于D1219 mm管径而言最优的EPS块厚度约为1.0 m-1.2 m。因此EPS块厚度的选取与管径有关，实际工程中应根据管径选取，总体而言选取与管径相近的厚度其缓解应变的效果最好。

图9 EPS块不同厚度和不同管径下的管道应变响应规律Fig.9 Pipe strain response law of EPS block with different thickness and different diameter

3 结论与建议

为响应输油气管道设计规范的要求并切实保障滑坡区管道的安全，针对管道遭受滑坡位移的受力特征，提出采用EPS块柔性材料作为管沟回填料取代管沟回填土以缓解滑坡区油气管道应变的防护措施。通过建立滑坡区油气管道相互作用模型，对本防护措施效果进行了分析研究，得出以下主要结论和建议：

(1)由于EPS块的刚度不足正常回填土90%，当采用EPS块取代管沟回填时，可使管道的曲率半径更大、应变值更小，因此管道所承受的附加应力值更低。EPS块应用在滑坡地段的管道防护中，与正常回填方式相比，在同等滑坡位移条件下可以减小约28%-32%的管道应变，防护效果较明显，可提高滑坡区管道抵抗滑坡位移的变形能力，从而有效保障输油气管道的安全性。

(2)对于同种EPS块而言，随着初始密度的增大，其缓解管道应变的能力和效果在降低，采用初始密度较小的块材可以有效缓解滑坡位移造成的管道应变，实际工程中建议选用初始密度较低的块材。EPS块厚度的选取与管径有关，实际工程中应根据管径选取，选取与管径相近的厚度其缓解应变的效果最好。

(3)虽然本文分析了使用EPS材料缓解滑坡区管道应变的有效性，但是由于实际工程中滑坡区段的参数较为复杂，并且很难准确确定滑坡边缘与滑坡段载荷条件，因此后期需要开展更多的影响因素分析工作，考虑滑坡段长度、滑坡段载荷以及土壤性质等参数对于EPS材料缓解作用的影响规律，从而给出工程可参考的EPS块设置方案。