川氣東送管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)應(yīng)用研究

常立功 解應(yīng)濤

(天然氣川氣東送管道分公司,湖北武漢 430205)

川氣東送管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)應(yīng)用研究

常立功 解應(yīng)濤

(天然氣川氣東送管道分公司,湖北武漢 430205)

油氣長輸管道沿山地敷設(shè),易遭受地質(zhì)災(zāi)害侵襲。山地地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),而管道埋深淺,且為薄殼鋼管結(jié)構(gòu)、內(nèi)含高壓易燃易爆介質(zhì),因此管道受地質(zhì)災(zāi)害威脅的安全風(fēng)險較高,防治地質(zhì)災(zāi)害是管道安全管理工作中的一項嚴(yán)峻課題。管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警正是管道安全管理的一個重要環(huán)節(jié)。本文針對川氣東送管道距離長、地質(zhì)情況復(fù)雜等特點,采用室內(nèi)外實驗相結(jié)合、現(xiàn)場數(shù)據(jù)與數(shù)值分析相結(jié)合的方法,對管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)進行應(yīng)用研究。

管道 地質(zhì)災(zāi)害 監(jiān)測預(yù)警技術(shù) 受力分析 應(yīng)用研究

我國，管道地質(zhì)災(zāi)害是伴隨西氣東輸、忠武輸氣管道、蘭成渝成品油管道及川氣東送管道等長距離穿越山區(qū)管道的建設(shè)而新涌現(xiàn)出來的一類地質(zhì)災(zāi)害型式，并已逐步被認(rèn)識和重視。川氣東送管道是中國石化第一條長距離輸氣管道，管道全長2306km，其中普光與宜昌區(qū)間段管道穿行于川渝-鄂西山區(qū)，管道沿山地敷設(shè)，長達765．21km，特別容易受地質(zhì)災(zāi)害的侵襲。為能及時的發(fā)現(xiàn)管道地質(zhì)災(zāi)害及有效地進行管道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)報，通過結(jié)合管道地質(zhì)災(zāi)害的特點，充分利用和借鑒地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域中先進的監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，建立管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，服務(wù)于管道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警，是目前我國管道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警技術(shù)工作的方向。

1 管道地質(zhì)災(zāi)害特征

經(jīng)管道地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查(2010-2011)，川氣東送管道川渝-鄂西段管道穿行于山區(qū)，該段地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育受各區(qū)段地形地貌、地質(zhì)條件等之間的差異，管道沿線地質(zhì)災(zāi)害空間分布具有不均勻性。沿線發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害類型包括:滑坡(含潛在不穩(wěn)定斜坡)、崩塌(危巖、高邊坡)、水毀(坡面水毀、河溝道水毀、臺田地水毀)等。在調(diào)查中共編錄各類地質(zhì)災(zāi)害或潛在地質(zhì)災(zāi)害點(線、段)431處，其中滑坡(含潛在不穩(wěn)定斜坡)48處，危巖(崩塌、邊坡)42處，水毀問題341處。這些地質(zhì)災(zāi)害對管道存在不同程度的直接或間接的危害。沿線管道地質(zhì)災(zāi)害在發(fā)育規(guī)模上相對較小，方量小于10×104m3的滑坡占調(diào)查結(jié)果中滑坡總數(shù)的81．25%，沿線大部分崩塌方量均小于1×104m3。但管道埋深淺、且為薄殼鋼管結(jié)構(gòu)、內(nèi)含高壓易燃易爆介質(zhì)，特別容易受地質(zhì)災(zāi)害的侵襲，即使較小的地質(zhì)災(zāi)害，也可能造成管道的嚴(yán)重?fù)p毀。所以，常規(guī)的地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模分類不能夠反映管道地質(zhì)災(zāi)害的特點，管道地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模劃分應(yīng)小于一般地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模劃分，考慮其危害對象的特殊性，在體積規(guī)模等級劃分中相應(yīng)降低了分級指標(biāo)。(見表1、表2)

川氣東送管道沿線地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模比較小，但突發(fā)性強，且受水的影響較大。純自然的地質(zhì)災(zāi)害較少，與人類工程活動相關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害所占比例較大。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有叢集性，部分管段分布較密集，另外的管段分布相對較少。

表1 一般滑坡/管道滑坡規(guī)模等級劃分

表2 一般崩塌/管道崩塌規(guī)模等級劃分

2 監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

2.1 檢測系統(tǒng)建立

選取白氏坪滑坡，對其實施了監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，監(jiān)測主要手段采用GPS地表大地變形監(jiān)測法，同時配合坡體地表巡查的方法。在白氏坪滑坡監(jiān)測中選用了平面精度指標(biāo)為±(5mm＋1ppm)的3套Trimble 4700雙頻接收機，6套中海達8200G接收機。坡體埋設(shè)監(jiān)測墩10個(其中個基準(zhǔn)點3個監(jiān)測點7個)。監(jiān)測墩和強制對中盤的規(guī)格均按國家標(biāo)準(zhǔn)和變形監(jiān)測規(guī)范制作，且為現(xiàn)場混凝土澆注。如圖1。

圖1 白氏坪滑坡監(jiān)測監(jiān)測系統(tǒng)效果

地質(zhì)災(zāi)害地表巡查對災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報及防治效果檢測有著至關(guān)重要的作用，其主要內(nèi)容為宏觀地質(zhì)調(diào)查與宏觀地裂縫的簡易監(jiān)測。宏觀地質(zhì)調(diào)查是采用常規(guī)的滑坡、危巖及邊坡崩塌變形形跡追蹤地質(zhì)調(diào)查方法，進行人工巡視，了解、掌握滑坡、危巖及邊坡崩塌的變化情況。后者是對于混凝土地面、條石地面、漿砌石擋土墻等硬質(zhì)地部位發(fā)現(xiàn)有裂縫的地質(zhì)災(zāi)害，建立裂縫監(jiān)測標(biāo)志，并用鋼圈尺或千分尺等相應(yīng)測量儀器進行讀數(shù)監(jiān)測。

2.2 監(jiān)測結(jié)果分析

截止目前，對白氏坪滑坡已進行了8期監(jiān)測。為了直觀反映監(jiān)測點的3維位移情況，對WGS84下的大地坐標(biāo)進行了投影，得到在WGS84(World Geodetic System 1984)下的平面直角坐標(biāo)。為了減小投影變形，采用了任意帶的高斯投影。選用的觀測值類型是L1載波相位觀測值；解算類型為L1固定解。基線解算成功后，先進行自由網(wǎng)平差(無約束平差)。再以首期監(jiān)測成果中監(jiān)測基準(zhǔn)點為約束條件，進行約束平差。比較各監(jiān)測點前后坐標(biāo)值的變化，從而可以獲得每個點的位移變化情況。

簡易裂縫監(jiān)測采用千分尺讀數(shù)，在每期監(jiān)測中，對每條裂縫進行3次讀數(shù)，并取其平均值與前期監(jiān)測結(jié)果進行對比。

根據(jù)GPS監(jiān)測結(jié)果和簡易裂縫監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計，可看出在監(jiān)測時期內(nèi)，坡體整體變形量以及變形速率較小，坡體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。但從變化曲線發(fā)展趨勢看出，2012年4月份以后，坡體變形量及變形速率有所增加，從截止目前的各積累量可以看出，白氏坪滑坡BSP1、BSP4、BSP5和BSP7監(jiān)測點的x方向變形量較大，其積累變化量為1-1．2cm，BSP1和BSP4監(jiān)測點在Y、H方向變形量較大，各積累變化量接近1cm。其次，從簡易裂縫積累變化量可看出，滑坡體南側(cè)墻體呈現(xiàn)拉升趨勢，北側(cè)為壓縮趨勢。(如圖2所示)

圖2 白氏坪滑坡監(jiān)測位移變化區(qū)

3 管道變形(受力)模型分析

根據(jù)實際工程監(jiān)測案例對白氏坪和羅針田滑坡進行模擬研究。白氏坪滑坡中管道從其后緣橫穿而過，管道穿越長度約50m，考慮滑坡后緣坡度大，滑坡為推移式滑坡，在建模時，管道荷載主要以管道正上方土壓力為主。建模所用參數(shù)如圖2所示。

管材:管材采用X70型鋼，彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0．3，密度ρ=7．9×103kg/m3，管材的線膨脹系數(shù)α=1．2×10-5m/(m·℃)，最低屈服極限οs=540Mpa，管道埋深h=2m。

管道尺寸:管道規(guī)格為φ1016mm×28mm，即外管徑D=1016mm，壁厚t=28mm。

荷載:管道輸氣壓力p=4．0MPa；溫差ΔT=－10℃。

其它參數(shù):土壤縱向阻力綜合系數(shù)cx0=5．88N/cm3；土壤橫向阻力綜合系數(shù)cy0=2．45N/cm3；滑坡體外土壤的極限抗剪強度tf=24．6kN/m。

根據(jù)以上基本特征進行管道建模，并以滑坡出現(xiàn)整體變形蠕滑使管道接近懸空只承受正上方土壓力的最不利狀態(tài)進行分析管道的受力變形。經(jīng)模型軟件計算，白氏坪滑坡在整體變形蠕滑時，后緣管道上方土體對管道的壓力不足以使管道屈服破壞，但管道在上方土壓力作用下于穿越兩段出現(xiàn)最大應(yīng)力。為使管道達到屈服極限狀態(tài)，在本次模擬計算中，將人為加大管道上方土體厚度，其他參數(shù)不變，根據(jù)模擬計算結(jié)果，在管道最大應(yīng)力值為277．95Mpa時，管道屈服。在此管道達到屈服破壞狀態(tài)時，管道變形為6cm，此時管道上方施加力為2．3×105Pa。取土密度為2150kg/m3，即當(dāng)管道上方覆蓋土厚度為10．7m時管道破壞。

由此可知，在類似白氏坪滑坡的管道橫穿滑坡后緣的滑坡演化變形中，當(dāng)滑坡后緣整體向前滑動時，將使管道出現(xiàn)懸空狀態(tài)，造成上部及后部土體全部作用于管道體上，導(dǎo)致管道處于臨界破壞狀態(tài)。

4 結(jié)論與建議

綜上所述，管道地質(zhì)災(zāi)害相比一般地質(zhì)災(zāi)害具有其比較明顯的特征，管道地質(zhì)災(zāi)害在發(fā)育規(guī)模上相對一般地質(zhì)災(zāi)害均較小，故管道地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模等級的劃分界限相應(yīng)降低。管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)方法與一般地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)存在一定的區(qū)別與聯(lián)系，目前在管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)方面的研究較少，管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)體系和管道安全預(yù)警技術(shù)的研究都借鑒了一般地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測、預(yù)警技術(shù)模型，但針對管道地質(zhì)災(zāi)害特殊的保護對象，管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究的重點是以管道為中心展開的災(zāi)害體小變形監(jiān)測預(yù)警。管道地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警目前尚處于開發(fā)探索研究階段，通過管道地質(zhì)災(zāi)害模型的數(shù)學(xué)理論與模擬計算，對管道在災(zāi)害作用下沿線的受力變形有了明確的認(rèn)識掌握，在分析管道地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育變形特征及監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上結(jié)合這種理論和模擬的計算，可有效地開展管道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警。