多影响因素下管道滑坡地质灾害预警模型研究

彭云超,李 昕,齐 峰,董志博

(1.国家管网集团东部原油储运有限公司,江苏徐州 221008;2.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所(山地灾害与地表过程重点实验室),四川成都 610041)

0 引言

油气管道是目前最重要的能源输送方式之一,我国陆上油气管道总里程长、分布广阔、沿线地质环境复杂多变。由于各方面的考虑,管道可能敷设在滑坡地带,也有可能在管道敷设后由于工程活动或者地址变动等种种原因导致沿线发生滑坡。而滑坡灾害对管道危害巨大,能够挤压管道导致管道变形甚至破坏,进而导致管道输送的油气泄露,影响管网的正常运营。因此,研究各种因素对滑坡导致管道的破坏行为的影响,并基于此给出其影响函数和滑坡各阶段的判据,进而提出分阶段的滑坡预警模型,能够为管道在滑坡地带的监测预警提供支撑,具有重要的工程意义。

许多科研人员对滑坡引起的管道灾害和防治方法进行了研究。张坤勇等[1]分析了滑坡与管道的相互作用机理;帅健等[2]研究了滑坡作用下管道的破坏特征和防治策略;邓道明等[3]用非线性方法计算了滑坡过程中管道的应力和变形;王磊等[4]研究了管道与滑坡相对位置关系及其作用机制,建立了力学计算模型并讨论了相关因素多管道的影响;林冬等[5]建立了管道全埋设情况下的土质滑坡模型,并进行了滑坡作用下管道应力状态试验研究;Rajani等[6]采用简化方法分析管道在滑坡影响下的力学行为;Chan[7]考虑了管土相互作用的关系,得出3种典型滑坡下管线应变数学模型,并进行了管线可靠度分析;Challamel等[8]提出了一种管土相互作用模型;Karimian[9]通过数值模拟分析了管道在轴向和横向拉力作用下的应力应变;张东臣等[10]阐述了埋地管线在地滑力作用下的变形情况,确定了管道最大应力位置;王沪毅[11]建立了管道在滑坡作用下的力学模型;刘慧[12]通过数值模拟研究了管道在滑坡作用下的应力应变状态;许小路[13]采用数值模拟方法计算并绘制了管道的变形破坏曲线。Bruschi等[14-15]人在现场和室内试验的基础上通过对管道的有限元离散化和非线性弹簧模型的分析,对蠕滑变形滑坡中管-土响应的实际情况开展了研究。郝建斌等[16]研究了滑坡对管道推力的计算方法。席沙[17]系统地开展了滑坡区埋地管道变形破坏的临界判据与敏感区段的研究。Zhang等[18]研究了海底滑坡对管道的冲击力。Zheng等[19]研究了滑坡变形过程中埋地管道的失效分析与安全评价。

总的说来,国内外对滑坡导致的管道变形开展了一系列的研究,也取得了一些研究进展。但在管道滑坡影响因素的量化分析研究上依旧还有不足。对此,本研究将以现场调研为基础,结合数值模拟手段,分析管道位于滑坡体不同位置、管道穿越滑坡的不同方式、滑坡体不同长度、不同宽度、不同厚度下管道的损伤及破坏情况,量化这些因素的影响,并进一步以此为基础开展管道滑坡预警模型研究。

1 现场踏勘

为掌握管道沿线滑坡灾害的一手资料,了解滑坡对管道的影响,首先展开了现场踏勘工作。本次共对我国东南区域4条管道的沿线进行了踏勘,共计踏勘滑坡灾害点17处(图1)。踏勘结果表明:

图1 东南沿海地区某管道沿线土体滑坡现场

(1)管道沿线滑坡灾害主要是由于人类活动导致的(17处滑坡中12处产生的主要原因为人类工程活动),包括:人工切坡、采空、碾压坡顶等。

(2)管道沿线滑坡主要以土质小型滑坡为主(17处滑坡中11为纯土质滑坡,5次为砾石土滑坡,1次为细碎岩质滑坡),并未发现大型岩质滑坡灾害。

(3)管道的敷设位置与滑坡的相对关系以及滑坡体本身的规模共同决定了管道的变形程度。

2 数值模拟

2.1 模拟工况

基于踏勘结果,设置的模拟工况如表1所示。主要变量为滑坡规模参数包括:滑坡体的宽度、厚度、坡度以及长度;管道与滑坡的相对位置包括:管道横向穿越滑坡体以及管道纵向穿越滑坡体2种情况,其中横向穿越滑坡体还考虑了管道在滑坡体的前缘、中部和后缘3种情况。管道滑坡地质灾害模拟示意见图2。

表1 模拟工况列表

图2 滑坡模拟模型示意

2.2 模拟参数

管道滑坡数值模拟涉及4种不同的岩土体材料,这些材料的参数通过通过现场勘察取样并进行室内实验得到,见表2。根据研究区的实际管道参数,以及参照输油钢管管材技术要求执行标准GB/T9711-2011《石油天然气工业管道输送系统用钢管》,本次研究的区域的管道为L320螺旋缝埋弧焊钢管,具体材料参数见表3。

表2 岩土体参数

表3 管线材料参数

2.3 模拟结果

对于管道失效判据一般包括应力判据和应变判据两种,对于在滑坡灾害下,管道应力超过比例极限后的继续变形, 应力失效判据已不再适用, 应以应变失效判据为基础。椭圆度也是常用的管道失效判据(其本质也是应变判据),因此,本次研究也主要提取了各影响因素对管道最大应变以及椭圆度的影响。

2.3.1 管道横向穿越滑坡模拟结果

管道横向穿越滑坡时,提取了管道位于滑坡不同位置以及滑坡体厚度、宽度、长度、坡度不同时管道最大应变以及椭圆度变化,结果如图3～图7所示。

图3 管道位于滑坡体不同位置时管道的最大应变及椭圆度变化

图4 滑坡体厚度对管道最大应变及椭圆度变化的影响(横向)

图6 滑坡体长度对管道最大应变及椭圆度变化的影响(横向)

图7 滑坡体坡度对管道最大应变及椭圆度变化的影响(横向)

2.3.2 管道纵向穿越滑坡模拟结果

管道纵向穿越滑坡时,主要提取了滑坡体厚度、长度、坡度不同时管道最大应变以及椭圆度变化。模拟工况设置为管道处于滑坡体中间,因此,并未考虑管道与滑坡体相对位置及滑坡体宽度的影响,结果如图8～图10所示。

图8 滑坡体厚度对管道最大应变及椭圆度变化的影响(纵向)

图10 滑坡体坡度对管道最大应变及椭圆度变化的影响(纵向)

2.4 模拟结果讨论

对比模拟结果可以得出结论:

(1)无论管道纵向穿过滑坡体还是横向穿过滑坡体时,滑坡角度、滑坡厚度和滑坡长度对管道变形的影响一致,即随着这些量的增加管道变形量也在增加。这是由于随着这些量的变大管道上方不稳定土体质量变大、不平衡力变大,因此,管道的变形量有所变大。

(2)在管道横向穿过滑坡时,随着滑坡体宽度的增加,管道变形反而减小。滑坡宽度越小,应变越集中。因此,管道变形越大。

(3)在管道横向穿过滑坡时,管道处于滑坡体的前缘相对安全,其次是滑坡体的后缘,在滑坡体中部最为危险。滑坡体前缘土体受下方的稳定土体支撑,不平衡力最小,因此,管道位于滑坡体前缘变形量最小;滑坡体中部承载的不稳定土体质量大于滑坡体后缘,因此,管道位于滑坡体中部变形量最大。

3 影响因素的量化影响及预警模型

如式(1)所示,借鉴动态本构模型Johnson-Cook 模型[20]的分析方式,将各影响因素对管道变形的影响单独分析,形成单个影响因素的影响函数,将各影响函数相乘给出整体的影响函数。

d=f(x1)×f(x2).....×f(xn)×K

(1)

式中:d是管道的变形,xn是第n个影响因素,f(xn)是第n个影响因素的影响函数,K为基准数据。

基于数值模拟结果,本次主要考虑的影响因素为,滑坡体的坡度、滑坡体的宽度、滑坡体的厚度以及滑坡体的长度。

为了保障本次分析中量纲的准确性,首先进行无量纲化,其中滑坡体的坡度本身并无单位,因此,将滑坡体的宽度、厚度、长度以及管道的变形分别除以滑坡体的坡度,来进行无量纲化。即无量纲化后的影响公式为式(2)。

(2)

式中:A是滑坡体的坡度,w是滑坡体的宽度,D是滑坡体的厚度,L是滑坡以的长度m,K为基准数据,f(x)是第x影响因素的影响函数。

以坡度90°、滑坡体宽度30 m、厚度30 m、长度30 m的管道变形数据为基准数据,即为式(3)。

(3)

分析各数据与基准数据之间的差值,采用回归算法拟合得到,即可得到各数据的体影响系数值,再通过固定系数分析法即可拟合出各影响因素的影响函数(表4、表5)。

表5 管道纵向穿越滑坡工况

如图11所示,基于影响函数,计算无量纲下管道最大应变、椭圆度以及稳定系数与坡体状态(坡体变形乘以影响力函数),给出分阶段的管道滑坡灾害预警模型。

图11 预警模型示意

3.1 管道横向穿越滑坡的预警模型

由图11(a)可知:

(1)当归一化土体位移达到0.016时,滑坡土体的稳定性系数骤减,管道最大应变和椭圆度随滑坡归一化土体位移线性变化,但管道最大应变和椭圆度变化都小于阈值,且滑坡稳定性系数大于1.05,滑坡土体的抗剪强度明显大于下滑强度,土体稳定,管道有一定的变形特征,但滑坡区域内管道破坏泄漏的可能性很小,此时预警等级为注意级。

(2)当归一化土体位移达到0.03,管道最大应变和椭圆度随归一化土体位移变化速率增大,且土体稳定性系数继续减小并接近欠稳定状态(<1.05),此时管道随土体变形有明显的变形特征,滑坡区域内管道破坏泄漏的可能性较小,此时预警等级为警示级。

(3)当归一化土体位移达到0.05时,此时滑坡土体的稳定系数小于1.05,滑坡处于欠稳定状态,且管道椭圆度达到阈值,但此时管道的最大应变并未达到失稳阈值,此时预警等级为警报级。

(4)当归一化土体位移达到0.077时,滑坡土体处于欠稳定阶段(<1.05),管道椭圆度达到规定阈值,且管道最大应变达到阈值3%,并呈现加速增长的趋势,根据GB 50251-2015《输气管道工程设计规范》规定,此时管道处于失稳破坏状态,滑坡区域内管道破坏泄漏的可能性很大,各种短临前兆特征显著,此时预警等级为灾变级。

3.2 管道纵向穿越滑坡的预警模型

由图11(b)可知:

(1)当归一化土体位移达到0.25时,滑坡土体的稳定性系数骤减,管道最大应变和椭圆度随滑坡归一化土体位移线性变化,但管道最大应变和椭圆度变化都小于阈值,且滑坡稳定性系数大于1.05,滑坡土体的抗剪强度明显大于下滑强度,土体稳定,管道有一定的变形特征,但滑坡区域内管道破坏泄漏的可能性很小,此时预警等级为注意级。

(2)当归一化土体位移达到0.5,管道最大应变和椭圆度随归一化土体位移变化速率增大,且土体稳定性系数继续减小并接近欠稳定状态(<1.05),此时管道随土体变形有明显的变形特征,滑坡区域内管道破坏泄漏的可能性较小,此时预警等级为警示级。

(3)当归一化土体位移达到0.65时,此时滑坡土体的稳定系数小于1.05,滑坡处于欠稳定状态,且管道椭圆度达到阈值,但此时管道的最大应变并未达到失稳阈值,此时预警等级为警报级。

(4)当归一化土体位移达到1.3时,滑坡土体处于欠稳定阶段(<1.05),管道椭圆度达到规定阈值,且管道最大应变达到阈值3%,并呈现加速增长的趋势,根据GB 50251-2015《输气管道工程设计规范》规定,此时管道处于失稳破坏状态,滑坡区域内管道破坏泄漏的可能性很大,各种短临前兆特征显著,此时预警等级为灾变级。

现有预警模型中基于管道状态的管道滑坡预警模型,过于迟钝,可能在滑坡灾害发生后管道迅速变形破坏,致使无法提前采取处置措施;而基于滑坡体的预警模型则过于保守,滑坡体的运动并不一定导致管道发生变形。本模型结合了,上述两类模型的优点,综合考虑了滑坡体状态、稳定性以及管道自身状态,能够大大提高预警的准确性,降低误报、漏报的概率,为管道的安全运营提供保障。

4 结论

(1)通过现场调查分析,得出滑坡的规模(受滑坡长度、滑坡宽度、滑坡坡度、滑坡厚度的影响)以及管道与滑坡体的位置关系是决定滑坡对管道变形影响的主要因素。

(2)基于数值模拟得出:无论管道纵向穿过滑坡体还是横向穿过滑坡体时,滑坡角度、滑坡厚度和滑坡长度对管道变形的影响一致,即随着这些量的增加管道变形量也在增加;在管道横向穿过滑坡时,随着滑坡体宽度的增加,管道变形反而减小;在管道横向穿过滑坡时,管道处于滑坡体的前缘相对安全,其次是滑坡体的后缘,在滑坡体中部最为危险。

(3)以各影响因素的影响函数结合坡体稳定性指标,给出的分阶段管道滑坡灾害预警模型,将管道本身的状态与滑坡的状态进行综合考虑,能够大大提高监测预警的准确性,降低误报和漏报的概率。