输油管道纵向穿越滑坡的成灾机理研究

陈腾辉，阿发友，黑明昌，代学刚

(昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093)

1 前言

在西南地区，管道运输是石油、天然气等液态或气态物质最重要的运输方式之一，截至2020年，我国管道运输里程已达16.9×104km，随着管道建设里程的不断增加，一部分管道不可避免地铺设在地质条件较复杂的地区，由于地质灾害的易发性而威胁管道的安全运营[1]。由于管道建设里程的不断增加及地质灾害发生的不可预测性，地质灾害已成为管道安全运营的头号威胁。新建管道时应绕开滑坡区域，如果无法绕开，在滑坡的影响下管道可能会经历长期、大规模的蠕动，管-土相互作用也可能导致管道发生弯曲变形，拉裂或整体断裂，从而带来不可估计的损失[2]。

长期以来，国内外学者对滑坡作用下油气管道的成灾机理进行了大量的研究，其中始于20世纪70年代的管-土相互作用研究是研究成灾机理的核心部分。研究管-土相互作用主要有数值模拟法、实验法和解析法，虽然近年来各种方法发展迅猛，但是仍未取得统一的认识[3]。近年来，随着现代计算机技术，数学力学、地质力学理论的快速发展，使管道滑坡的研究从过去的定性分析逐渐过渡到定量评价及成灾机理研究，数值模拟技术-有限元法、边界元法、离散元法在分析输油管道滑坡成灾机理方面已得到广泛应用[4]。冯文凯等[5]从滑坡地质背景、变形特征及形成机制入手，通过定性分析和定量评价计算，确定了滑坡的稳定性及其控制因素并对管道的易损性进行了评价。赵旭阳、赵宇[7]采用ANSYS有限元软件建立了管道横向通过滑坡模型，考虑土体间的相互作用并分析滑坡宽度、管道壁厚及管道埋深对管道轴向应变的影响。刘慧[6]根据理想弹塑性土体本构关系和弹性梁挠曲理论建立横向管道滑坡。得到管道在滑坡作用下不同参数对管道响应状态的影响。

以上前人研究成果为滑坡作用下管道的成灾机理提供了借鉴，但是，所研究内容对管道穿越滑体且与滑坡滑向平行的情况研究较少，值得进一步深入研究。本文以中石化广西输油部百色站NB169+950滑坡为例，在大量野外调查分析的基础上，运用FLAC3D分析了天然及暴雨工况下，滑坡-管道相互作用的数值模拟研究，重点分析管道在滑坡中的受力问题和稳定性问题，为类似管道滑坡灾害提供借鉴，具有重要的理论意义和实践意义。

2 工程地质条件

中石化广西输油部百色站NB169+950滑坡位于百色市田东县思林镇那厄屯东侧约350 m处。滑坡位于河道左岸，岸坡高约23 m，坡度大约35°。滑坡体长约40 m，宽约40 m，滑体厚平均约6 m，滑坡体积9 600 m3，管道穿越滑坡沿滑向顺坡敷设。现场调查发现岸坡坡顶有地面裂缝，水保挡墙出现开裂，滑坡正处于蠕动变形阶段，严重威胁输油管道安全(如图1～图3)。

图1 NB169+950滑坡-管道全貌简图

研究区位于田东县城东南，思林镇西北侧，属构造侵蚀、剥蚀的低山地貌单元。滑坡所在斜坡总体东高西低，地面高程为64～86 m，地形坡度约30°～40°，坡向约325°。滑坡区内地表覆盖层为第四系残坡积(Q4dl+el)碎石土，硬-塑状，结构较为致密，碎石块径多在2～5 cm，土石比8∶2～7∶3，厚度1～2.5 m。

区内下伏基岩为三叠系中统平而关群(T2b)页岩，岩层产状52°∠32°，与滑坡所在斜坡整体呈斜交关系。层间多夹有泥化层，分布于整块场地，多呈黄褐色及浅红色，呈砂状及碎块状。

研究区地下水类型主要为基岩裂隙水，以大气降水补给及河流渗透为主，水文地质条件较简单，场地地层透水性较好，富水性较差，地下水水量贫乏，随季节变化较大。调查期间测得跛脚那厄河水流量约为1.35 m3/s。

Q4al+pl.第四系冲洪积层；Q4el+pl.第四系残坡积层；T2b.三叠系中统平而关群；1.剖面线；2.地质界线；3.滑坡范围；4.水保挡墙；5.碎石路；6.输油管道图2 工程地质平面图

Q4al+pl.第四系冲洪积层；Q4el+pl.第四系残坡积层；T2b-Sh.三叠系平而关群页岩；1.潜在滑动面；2.风化界限；3.钻孔编号及高程；4.钻孔；5.输油管道；6.那厄河水面图3 工程地质剖面图

3 管-土相互作用模型的建立及参数选择

3.1 管土相互作用力学模型的选择

管道与滑坡滑向平行时管道-滑坡模型简图如图4所示，本节将采用理想弹塑性土弹簧方法对输油管道的变形特征进行分析。理想弹塑性模型的线性关系(如图5)反映了单位长度管道轴向力t与滑体相对位移的关系。该模型主要由管土接触面处的单位管道长度的最大摩擦力tm,管土最大相对位移DL和初始刚度KL确定(式1)。若管道发生最大位移，管道轴向位移与土体轴向反力极限关系公式(式2)如下：

图4 管道与滑坡滑向平行管道-滑坡模型

图5 管土相互作用关系

t=KL(uL-δL)πd

(1)

tu=KLDLπd

(2)

式中,t为单位长度轴向力；tu为土体轴向反力极限；uL为管道轴向位移；δL为管道轴向土体位移；d为管道外径；DL为管土相对位移。

3.2 管-土相互作用模型的建立

根据滑坡的形态特征及管道与滑坡的相对位置，使用FLAC3D6.0建立管-土相互作用模型。为了消除模型边界条件的影响，建立的滑坡模型的长宽高比实际尺寸略大，其中模型长为54.6 m，宽为39.2 m，高为29 m。整个滑坡采用三角形网格单元，合计15 400个节点，5 591个单元。

管道模型在天然滑坡模型的基础上根据实际埋深进行开挖，采用壳体单元结构。工勘报告显示，管道最小埋深为1.13 m，最大埋深为4.38 m。管道壳体单元模型在滑坡影响范围内。滑坡岩土体采用摩尔-库伦本构模型，凌空面采用自由边界，底面固定，四周施加法向约束。并并以此为依据搜寻滑面的位置及滑面的形状(图6)。

图6 滑坡-管道相互作用模型

3.3 管-土相互作用模型参数的选择

管道-滑坡岩土体计算参数在经验值的基础上，根据滑坡在天然及暴雨工况下的参数反演得出。天然及暴雨工况下岩土体参数及管道参数如表1、表2和表3所示。

表1 天然工况下滑坡岩土体物理力学参数

表2 暴雨工况下滑坡岩土体物理力学参数

表3 管道相关参数

4 不同工况下管土相互作用力学响应状态及对比分析

4.1 天然工况下埋地管道在滑坡作用下力学响应状态分析

埋地管道响应状态是指管道受滑坡作用而被推挤、拉压或者复合作用产生的变形、变位甚至被拉裂破坏的作用。天然工况下管道滑坡数值模拟结果如图7～图10所示。如天然工况下管道滑坡位移速度图所示，圆弧滑动面已经出现，结果显示，滑坡的稳定性系数为1.02，处于欠稳定状态。由于上部滑体已经开始滑动，导致埋地管道被滑体推挤并拉伸。在上部滑体的作用下，管道最大位移为1.42 m，管道最大位移与上部滑体最大位移高度重合，该结果表明滑体位移对输油管道的变形变位起到了决定性影响。

图7 天然工况滑坡地表速度位移

图8 天然工况滑坡稳定性

图9 天然工况下管道总位移

如图10所示，管道在上部滑体的推挤拉压作用下在上部弯曲部位产生最大拉应力，下部最大弯曲部位产生最大压应力，即最大拉应力和最大压应力分别出现在滑坡后缘和滑坡前缘。其中所受最大拉应力为1.480 4e7 Pa，最大压应力为1.620 4e7 Pa。管道抗拉强度为9.86e6 Pa，天然工工况下输油管道的最大拉应力和最大压应力均超过管道的抗拉强度而破坏。

图10 天然工况下管道应力

4.2 暴雨工况下埋地管道在滑坡作用下力学响应状态分析

在暴雨工况下滑坡由于雨水的作用导致滑体和滑带土物理力学性质强度指标下降。如图12所示，在暴雨工况下，管道滑坡的安全稳定性系数为0.998，圆弧滑动面已然出现，处于欠稳定状态。

图11 暴雨工况下管道速度位移

图12 暴雨工况下管道滑坡稳定性

如暴雨工况下管道总位移(图13)和管道速度位移所示(图11)，与天然工况下相比，滑体的位移进一步加大，圆弧滑动面进一步发展，此时滑坡最大位移为3.145 3 m，且以管道为中心近似呈对称分布。管道最大位移为1.863 1 m。在上部滑体的作用下输油管道的最大位移比天然工况下最大位移加大且与滑体最大位移高度一致。

图13 暴雨工况下管道总位移

根据管道受力图(图14)可知，暴雨工况下输油管道的所受最大拉压应力仍然位于滑坡前后缘，所受应力比天然工况下进一步加大。上部弯曲部位受到最大拉应力为2.155 0e7 Pa，下部弯曲部位受到最大压应力为2.227e7 Pa。输油管道的抗拉强度为9.86e6 Pa,该工况下管道的最大拉应力及最大压应力均超过其抗拉强度，管道进一步被破坏。

图14 天然工况下管道应力

4.3 天然及暴雨工况下滑坡管道力学响应状态对比分析

在天然及暴雨工况下对管道的上部弯曲部位及下部弯曲部位进行横向位移，竖向位移，总应力进行监测对比(如图15)。

图15 管道监测点布置图

如图16、图17所示，在天然及暴雨工况下管道横向位移和纵向位移总是随着计算的进行而呈先增加后稳定的趋势。天然工况及暴雨工况下管道横向最大位移分别为1.18 m和1.76 m，纵向位移最大值分别为-0.98 m和-0.64 m。结果显示暴雨工况下管道位移比天然工况下管道位移明显加大，且无论是天然还是暴雨工况下管道最大位移总是和上部滑体最大位移点高度重合并位于滑体中部。

图16 监测点横向位移的变化情况

图17 监测点竖向位移的变化情况

由计算结果可知，管道的横向位移在天然及暴雨工况下变化趋势相同，但是纵向位移坡脚管道弯曲部位的竖向位移较小且位移方向与坡顶的相反，天然工况及暴雨工况下竖向位移最大值仅为0.01 m和0.05 m，说明坡脚位置管道受挤压发生向上弯曲变形。

图18 监测点应力的变化情况

如图18所示，在天然及暴雨工况下的水平向应力和竖直向应力总是为压应力最终达到稳定状态，暴雨工况下的压应力总是比天然工况下的压应力大。暴雨工况下稳定状态的竖向应力为6.80e5 Pa，水平向应力为2.75e5 Pa。天然工况下稳定状态的竖直向应力为2.74e5 Pa, 水平向应力为0.92e5 Pa。在暴雨工况下管道将会受到更大应力的影响而威胁管道的安全运营。

5 结论

以广西输油一部百色站NB169+950滑坡为例，采用FLAC3D6.0建立管-土相互作用数值分析模型，并对天然及暴雨工况下滑坡的稳定性及管道受力特征进行分析，所得结论如下：

(1) 滑坡对管道的受力特征有决定性影响，滑体对管道的推挤、拉压或者复合作用明显。滑体位移与管道位移基本一致，在滑坡后缘和坡脚对应形成管道的拉应力分布区和压应力分布区。

(2) 对于顺坡铺设管道的情况，无论是暴雨工况还是天然工况，管道在滑坡的作用下总是上部弯曲部位受到最大拉应力，下部弯曲部位受到最大压应力。因此，在管道运营过程中应对滑坡后缘坡顶和坡脚弯曲部位进行重点监测。

(3) 降雨对滑坡稳定性影响大，进而加大对管道的影响。在降雨的作用下，滑坡的稳定性出现明显的降低，管道上下弯曲部位的拉压应力明显加大，加剧威胁管道的安全。