断层作用下埋地管道力学响应及变形特征

韩淑琳

（国能诚信招标有限公司 北京 100161）

近年来，随着我国基础建设的加快，管道设施也逐步完善。地下管道是铺设在地下用于输送气体、液体或者松散固体的管道，随着城市规模的不断扩大，城市中的供水、供气、通讯、热力、电力和排污等管网系统是城市的基础设施，发挥着重要的输送作用，也被称为城市地下生命线工程。

实际工程中，管道不可避免的会出现缺陷或裂纹，使得管道发生断裂，从而造成恶性事故[1-5]。杨光和谷凯[6]以城市高压输气管道的安全性现状为背景，建立了数学模型，对泄漏量及冲击波损害半径进行了分析。周敏等[7]以埋地HDPE管道为研究对象，通过大尺寸模型试验，研究了地层沉陷对埋地管道变形及受力的影响。陈利琼[8]以输气管道穿越滑坡地段为研究背景，采用了数值方法分析了管道的应力分布规律并给出了建议措施。冯启民和赵林[9]考虑了埋地管道与土体的相互作用，研究了大位移断层作用下埋地管道的反应特征。金浏和李鸿晶[10]研究了逆断层作用下埋地管道的屈曲行为并分析了其相应的屈曲模态。

本文以位于断层处的埋地管道为研究对象，通过数值分析方法，分析了断层对埋地管道的应力影响及破坏情况。

1 工程背景

潜江—韶关段输气管道工程，北起湖北省潜江市，南至广东省韶关市。埋地管道穿越溶洞、溶腔、突泥、突水、涌水、断层、可溶岩、断裂及破碎带等复杂地层，具有地质复杂、山高路险，坡陡沟深的特点。潜江—韶关地下管网工程，为天然气输气管道，管道几何尺寸为：半径0.4 m，管道壁厚0.02 m，管道长度为10 m，管道埋深1.6 m。

以某一段断层破碎带为例，工程所在地区主要为粉质土及石灰岩，围岩等级以Ⅳ级、Ⅴ级为主。埋地管道处存在断裂破碎，断层线倾角为45°，如图1所示。

图1 管道位置及断层示意图

2 计算模型及参数

2.1 模型建立

针对工程方案，建立三维有限元模型，为消除边界条件影响，模型长10.0 m，宽为7.0 m，高为8.0 m，模型底面设置固定约束，并施加重力荷载，三维有限元模型见图2。

图2 有限元三维模型

采用Adina有限元软件，Adina有两种断裂算法，分别是Rupture和Frature算法。本工程实例通过建立结构地层和管道的三维Rupture模型，来模拟管道的破裂。

Rupture算法利用的技术是材料的应力-应变关系曲线图，即当结构的材料应变值超过规定的材料应变值后，模型会自动删除单元，从而模拟管道的破裂情况。

2.2 模型参数

土体采用修正摩尔-库伦模型，该模型考虑了土体的双硬化准则，对于大体量的隧道、管道开挖较为适用。该模型主要强度参数为内摩擦角φ、黏聚力c及剪胀角ψ。c、φ值可依据相关地质资料并结合当地经验取值。

土体分为两层，工程所在区存在断裂破碎带，土体断层倾角为45°，每层土体的材料参数见表1。

表1 模型参数统计

管道假定为弹塑性材料，其弹性模量可取E=200GPa ，泊松比μ=0.3，密度ρ=7800kg/m3，管道多线性塑性材料的应力-应变关系曲线见图3。

图3 管道材料应力-应变关系曲线

2.3 边界条件与荷载条件

土层底部为固定约束，考虑到为使管道受到剪切作用的荷载而发生破坏，在管道的两端施加固定约束，以模拟不利工况。

整个模型施工重力荷载，为模拟管道破坏，假设断层沿倾角有较小的位移，从而施加位移荷载。其位移函数假定为随时间线性增加的函数，断层最大位移为1 m，函数图像见图4。

图4 断层位移函数图像

3 计算结果分析

针对埋地管道的受力及变形进行分析，埋地管道各时刻的应力分布云图及破坏情况如图5所示，表2为各时刻下管道的计算结果统计。

表2 埋地管道计算结果统计

图5 断层位移函数图像

由图5及表2计算结果可知：

（1）随着断层处位移的增大，管道中的应力明显增加，且管道的Z向位移增大；

（2）T=0.4时刻，埋地管道的应变值超过材料限值，管道开始发生破坏；

（3）受断层作用影响，管道的破坏位置基本在断层滑移处。

随着断层处位移增大，管道翘曲现象越为明显，T=1时刻，最小位移为0.002 m，最大位移为0.117 m。

4 结语

埋地管道时常出现断裂或破坏现象，其设计参数合理与否直接影响到工程质量，本文以断层地段的输气管道为研究对象，研究了断层作用下管道的受力及变形情况，主要结论有下：

（1）随着断层处位移增大，管道应力增加，T=0.4时刻，管道材料应变值超限，开始发生破坏现象；

（2）断层处管道有明显的翘曲现象，且随着断层位移的增大，管道翘曲现象越为明显，最大位移为0.117 m，断层破碎带的存在，会对埋地管道造成严重的影响。

（3）受断裂构造影响，管道的破坏位置基本在断层滑移处，工程建设应避免在断层破碎带，埋地管道穿越断层破碎带时，需要采取相应的保护措施。应通过勘测与采样，查明断层破碎带地貌特征与规模、地层岩性、构造等，从而为工程建设创造基础。