崩塌落石冲击埋地输气管道数值模拟研究

赵 伟，肖 芳

（1.四川岚强石油天然气工程勘察设计有限责任公司，四川成都 610000；2.中国石油工程建设有限公司西南分公司，四川成都 610000）

崩塌的发生与地质、地貌、气候水文以及人类活动等许多环境因素密切相关，是各种因素综合作用的结果。在输气管道途径崩塌落石地区时，由于落石的大小不同，落到地面后对埋地输气管道的冲击作用也不相同，在不同冲击作用下，落石对埋地输气管道的影响也不相同，严重时将发生管道失效，因此研究落石冲击埋地输气管道尤为重要。

1 落石冲击埋地管道的有限元模型建立及参数设置

1.1 有限元模型建立

建立落石冲击埋地输气管道的有限元模型，由于对称性，为了节约计算机时长建立1/4 有限元模型。该有限元模型共涉及三种材料：土体、落石和管道。落石从高处下落到地面时，由于有重力势能所以具有能量，假设土体为均质、各向同性的介质。落石下落至地面时，落石与土体表面之间的接触取面面接触，接着采用罚函数方法计算该动力接触问题。由于该埋地输气管道有限元模型的对称性，因此选择LSDYNA 程序中提供的3D solid 六面体单元对落石、土体和埋地管道分别进行网格划分，将落石与土体、土体与管道面之间的接触方式设置为面面自动接触方式。

1.2 模拟参数设置

数值模型中分别考虑落石直径为0.5m、1m、1.5m，落石下落高度5m、10m、15m，埋地管道埋深1m、2m、3m，计算工况27个，具体如表1所示。

表1 计算工况条件及编号

2 数值模拟结果及分析

重点分析10-5-2工况，得到如下的结果。

2.1 数值模拟结果

通过对上述五种工况进行落石冲击埋地输气管道数值模拟后得到模拟结果，如图1所示。

图1 工况10-5-2在Y方向的位移和总位移

从图1可看出：在相同落石直径及落距的条件下，随着埋深的增加，输气管道受到影响的程度减小；在相同输气管道埋深及落距的条件下，随着落石直径和重量的增大，埋地输气管道受到影响的程度增加；在相同埋深和落石直径、重量的条件下，随着落距的增大，埋地输气管道受到影响的程度增加。

2.2 数值模拟结果分析

2.2.1 落石冲击力分析

以落石下落高度为10m，管道埋深为2m 的工况（10-5-2）为例进行数值模拟，最终得到落石向下冲击过程中落石沿竖直方向上的速度时间关系图、位移时间关系图，分别如图2、图3所示。

图2 工况10-5-2落石的速度时间关系图

图3 工况10-5-2落石的位移时间关系图

从图2可知，在落石下落碰撞到土体后的0.28s，落石的速度减小为0；从图3可知，此时刻对应的落石位移达到最大值0.70048m。该时刻后落石有一小段是向上逐渐增大的速度，但是该速度很快达到峰值然后衰减为0，此时段被称为落石的反弹阶段，随后落石一直停止在0.68m 处。碰撞后落石向下贯入土体，土体的反作用迫使落石逐渐减速，向下的位移逐渐增大。

2.2.2 土体应力分析

以工况10-5-2为例说明落石冲击作用下埋地管道上覆土层土体应力情况。为了使观测更加直观，将有限元模型关于X-Y 平面镜像，得到1/2有限元模型。不同时刻土体竖向应力等值线图如图4所示。

图4 不同时刻土体竖向应力等值线图

从图4可看到：由于动应力的传播是一个过程，各深度出现最大冲击力是随着深度而延迟，反映了土应力在土体中的衰减，其衰减速度比布辛尼克斯法计算地小。同时冲击应力在管土接触面出现了应力集中现象。对比图4a 与图4b：在（a）图20ms 时竖向应力尚未传递到埋地管道，此时应力分布与强夯下土体应力分布相似；在（b）图中，40ms 时竖向应力已经传递到埋地管道，由于管道的存在，迫使竖向应力的分布形式发生改变，竖向应力在管道表面集中，与静力学荷载分布形式相似，但是应力更加集中。这是由于埋地管道刚度远大于土体，管道的位移小于土体产生的位移，在管顶平面出现沉降差，从而导致土体竖向应力向管道顶部转移，造成管顶竖向应力集中现象。

2.2.3 管体应力分析

在相同落石直径及落距的条件下，随着埋深的增加，管体受到的有效应力越小；在相同输气管道埋深及落距的条件下，随着落石直径和重量的增大，管体受到的有效应力增加；在相同埋深和落石直径、重量的条件下，随着落距的增大，管体受到的有效应力增加。

以管道埋深为1m，速度为15.1m/s 时情况为例分析落石冲击下管体应力情况。管体应力时程曲线如图5所示。

图5 管体应力时程曲线

图5（a）为29ms 时管体有效应力沿管周分布曲线，在管道顶部产生最大有效应力，在管体两侧处有效应力最小，在管体底部出现另一个极值，但小于管顶应力。

管体顶部单元有效应力时程曲线见图5（b），最大Mises 应力已达485MPa，管道材料已经发生屈服。管顶出现应力的时间是9ms，表明冲击荷载在土体中的传播需要时间，管体出现最大有效应力的时间是29ms。

3 结论

1）落石冲击荷载作用时间很短，一般为10-3～10-2s。在岩土体材料、落石体积确定的情况下，崩塌落石最大冲击力与速度近似成正比关系。

2）落石冲击力在土层中的传播有一个过程，各深度出现最大冲击力的时间随着深度增加而增加，表明冲击应力在土体中的衰减，其衰减速度比布辛尼克斯法计算的小。

3）在落石冲击作用下，土体竖向应力在埋地管道表面将出现应力集中现象，其分布形式与静力学荷载分布形式相似，但是应力更加集中。

4）在落石冲击埋地输气管道的整个过程中，冲击中心正下方为管道最危险截面处，最大位移出现在管道顶部，管道底部和两侧的位移量均小于顶部，最大有效应力也出现在管道顶部。