管道受橫向滑坡影響的模型試驗研究

牛文慶，鄭靜，吳紅剛，魏文斌，王海衛(wèi)

(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081;2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州730000)

管道受橫向滑坡影響的模型試驗研究

牛文慶1，鄭靜2，吳紅剛2，魏文斌2，王海衛(wèi)2

(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081;2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州730000)

油氣管道沿線的滑坡災(zāi)害會嚴(yán)重危及管道安全。本文以管道與滑坡滑動方向正交，在滑體后、中、前部不同部位布設(shè)管道進(jìn)行模型試驗，采用注水的方式誘導(dǎo)坡體滑動，利用百分表和應(yīng)變片對坡體的變形及管道的應(yīng)力與變形進(jìn)行監(jiān)測與分析。結(jié)果表明:管道中測點的應(yīng)力隨滑坡的滑動呈現(xiàn)逐漸增大并最終趨于穩(wěn)定的特點;伴隨著滑體的滑動，應(yīng)力呈現(xiàn)階段性的變化特征，滑體穩(wěn)定后應(yīng)力又略微降低。管道在滑坡推力作用下變形方式為彎曲變形，管道的變形與平面內(nèi)兩端固定的超靜定梁在豎向荷載作用下的變形相似?；虑捌?，埋設(shè)于滑體后部的管道受力最大，中部的次之，前部的最小;而滑坡后期，埋設(shè)于滑體前部的管道受力最大，中部的次之，后部的最小。

管道 滑坡 正交 模型試驗 應(yīng)力 變形

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，西氣東輸、川氣東送等油氣工程項目發(fā)揮了應(yīng)有的作用，管道在油氣運(yùn)輸中所起的作用越來越突出。截至2014年6月底，我國在役大型長距離油氣輸送管道總長已超過2萬km，在建和擬建的管道總里程也超過2萬km。油氣管線工程是大型的線性工程，沿途會穿越各種地貌類型，其中泥石流、山體滑坡對油氣管道有很大威脅。如果滑坡體作用于管道的推力超出管道的允許值，管道就會出現(xiàn)較大的應(yīng)力和變形。在管道內(nèi)部油氣內(nèi)壓作用下，管道的一些部位將產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，輕者導(dǎo)致管道塑性屈服，重者將引起管道破裂、油氣泄漏引爆等重大事故。

目前對于管道和滑坡單方面的研究都比較成熟，而將二者結(jié)合起來進(jìn)行的研究還比較少。在國外，Audibert和Nyman最早研究了土壓力對不同孔徑管道的影響，后來陸續(xù)又有一些學(xué)者在土體中埋設(shè)管道，研究不同地質(zhì)條件下管道的力學(xué)機(jī)理［1-9］。在國內(nèi)，林冬等［10-11］將油氣管道滑坡劃分為19個類型，通過大尺度模型試驗提出橫向滑坡作用下管道的破壞方式主要以梁式彎曲為主。張東臣等［12］對滑坡條件下的埋地管道進(jìn)行了受力分析，并舉例進(jìn)行了管壁應(yīng)力計算。郝建斌等［13］推導(dǎo)了橫穿狀態(tài)下滑坡對管道推力的計算方法并運(yùn)用數(shù)值模擬進(jìn)行了驗證。鄧道明等［14］研究了橫向滑坡過程中管道的內(nèi)力和變形計算并提供算例進(jìn)行分析。謝強(qiáng)等［15］研究了牽引式滑坡和推移式滑坡兩種形式下管道的縱向受力和變形特性。劉金濤［16］通過對管道橫穿滑坡相互作用大尺度模型試驗的研究，提出了針對管道橫穿滑坡災(zāi)害的治理措施和建議。上述研究主要針對滑坡對管道的影響進(jìn)行，而針對管道在滑坡中位置的研究則較少。本文主要進(jìn)行了管道與滑坡滑動方向正交布設(shè)，并在滑體后、中、前部不同部位布設(shè)管道的模型試驗，以研究管道與滑坡正交情況下不同部位管道的受力與變形情況，從而為管道穿越滑坡和潛在不穩(wěn)定體時的鋪設(shè)提供參考借鑒。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計與制作

本次模型試驗在室內(nèi)模型箱中進(jìn)行，模型箱尺寸為:長180 cm，寬120 cm，高180 cm?；轮芙缭O(shè)計為圈椅狀，坡面為35°的單面斜坡。在滑體的后、中、前部各埋設(shè)一根直徑2 cm的PVC管作為管道，管道壁厚0.15 cm，埋深15 cm，兩側(cè)埋設(shè)在穩(wěn)定土體中，如圖1和圖2所示。

滑坡滑床采用黃土加細(xì)砂并夯實模擬，滑體為黃土?；瑤Р捎盟芰媳∧け砻驿佋O(shè)砂、黏土、滑石粉與水的混合物進(jìn)行模擬，砂∶黏土∶滑石粉∶水=50%∶13%∶37%∶16%。

注水管貼近滑帶順主滑方向埋設(shè)，注水管壁預(yù)留小孔，以利于水在土體中的滲透。另外考慮到模型箱側(cè)壁摩阻對滑體變形具有一定的約束作用，在模型箱側(cè)壁鋪設(shè)塑料薄膜，并涂抹潤滑油以減小其影響。

1.2 測試元器件布設(shè)

試驗采用應(yīng)變片、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和百分表等對試驗全過程進(jìn)行監(jiān)控。應(yīng)變片型號為BX120-1AA，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為東華DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)。具體在管道兩側(cè)(山側(cè)、河側(cè))布置應(yīng)變片，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集滑坡體滑動過程中管道的應(yīng)變。

管道應(yīng)變片的布置方式為:后、中和前部管道在山側(cè)、河側(cè)按照間距相等的原則各布設(shè)14個應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片的平面布置如圖3所示。

圖1 模型試驗平面布置(單位:cm)

圖2 模型試驗剖面(單位:cm)

圖3 管道應(yīng)變片布置(單位:cm)

1.3 試驗方案設(shè)計

模型試驗采用坡頂注水的方式誘使滑坡滑動。注水采用“先快后慢、先多后少”的原則。試驗開始時，每隔30 min注水1次，每個注水管注水量為500 mL。4 h后，考慮到土體已經(jīng)部分浸濕，但是水在土體中的滲流通道尚未形成，每隔1 h注水1次，每個注水管注水量500 m L。10 h后，考慮到水在土體中滲流速度較慢，每隔2 h注水1次，每個注水管注水量為300 m L。30 h后，注水的速度進(jìn)一步減慢，每隔4 h注水1次，每個注水管的注水量300 m L。模型試驗中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用定時采樣的方式對管道應(yīng)變進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率設(shè)定為每3 min采集1次，采樣時間共計72 h。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 管道受力與分析

本次模型試驗取得了較好的試驗結(jié)果。以下從管道單點的應(yīng)力隨時間的變化關(guān)系，各管道截面彎矩在試驗進(jìn)行60 h時的分布特點進(jìn)行闡述。

圖4 管道表面2號測點應(yīng)力隨時間變化

圖4 和圖5分別為管道穩(wěn)定土體段2號測點和滑體段7號測點應(yīng)力隨時間變化關(guān)系曲線。由圖知，管道表面的應(yīng)力隨時間變化呈現(xiàn)階梯形的變化。這是由于滑坡是一個緩慢變化的過程，存在時滑時停的特點，當(dāng)土體中的應(yīng)力積聚到極限強(qiáng)度后，應(yīng)力會突然釋放，坡體發(fā)生下滑。應(yīng)力釋放完畢，土體中的應(yīng)力又逐步積聚，達(dá)到極限強(qiáng)度后又會突然釋放。因此，作用在管道上的滑坡推力也是階段性增大?；w穩(wěn)定后，管道各點的應(yīng)力又略微降低。其原因主要是滑坡滑動時作用于管道的滑坡推力為動荷載，坡體穩(wěn)定后管道承受的滑坡推力是靜荷載，動荷載明顯要比靜荷載大得多。對后、中、前部管道的應(yīng)力進(jìn)一步分析，試驗開始階段，后部管道表面應(yīng)力最大，中部管道次之，前部管道最小。這是因為本次模型試驗采用坡頂注水方式促使坡體滑動，滑坡類型為推移式滑坡?；虑捌?，后部管道承受的滑坡推力最大，前部管道承受的滑坡推力最小;試驗結(jié)束時，前部管道表面應(yīng)力最大，中部管道次之，后部管道最小，與試驗開始階段剛好相反。這是由于在滑坡后期，滑帶已經(jīng)全部貫通，整個滑體下傾，作用于前部管道的滑坡推力最大。

提取模型試驗中滑體穩(wěn)定時(60 h)管道各測點的應(yīng)變，利用應(yīng)變ε、截面曲率ρ和截面彎矩M的關(guān)系式(1)，換算出管道的彎矩，如圖6所示。

圖5 管道表面7號測點應(yīng)力隨時間變化

圖6 60 h時管道的彎矩

由圖6可以看出，管道在滑坡推力作用下，變形為彎曲變形。管道的彎矩呈現(xiàn)出兩端附近為負(fù)彎矩，中部為正彎矩的分布特點。且管道的彎矩在中部和兩端都達(dá)到了峰值。管道在滑坡推力作用下的彎矩分布類似于平面內(nèi)兩端固定的超靜定梁在豎向荷載作用下的彎矩分布。對后、中、前部管道彎矩的量值進(jìn)一步分析，前部管道最大正彎矩為15.3 N·mm，中部管道為9.84 N·mm，后部管道為7.47 N·mm。前部管道較中部管道大55.49%，中部管道較后部管道大31.73%。前部管道的彎矩明顯大于中、后部管道彎矩，這是因為滑坡后期作用于前部管道的滑坡推力最大。而中部管道與后部管道彎矩相差不大，分析其原因，主要是由于中部管道在試驗過程中出現(xiàn)懸空現(xiàn)象，承受的滑坡推力減小，管道回彈所致。

2.2 坡體及管道變形與分析

試驗進(jìn)行24 h內(nèi)，滑體表面浸濕的面積呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢。試驗進(jìn)行28 h后坡頂出現(xiàn)張裂縫，土體浸濕的面積進(jìn)一步擴(kuò)大。試驗進(jìn)行48 h時在坡中和坡底分別出現(xiàn)兩條大的張裂縫，同時滑體呈現(xiàn)完全濕潤的狀態(tài)。48 h后發(fā)生了大范圍的滑坡，滑體表面的裂縫逐漸增多，整個滑體發(fā)生下滑。由于滑體下滑導(dǎo)致中部管道逐漸暴露出來，呈現(xiàn)出管道懸空的狀態(tài)，從管道表面就可以觀察到管道彎曲變形的特點。60 h后滑體表面裂縫寬度趨于穩(wěn)定，滑體滑動進(jìn)入穩(wěn)定階段，能夠清晰地觀察到滑體中滲出的水。試驗進(jìn)行72 h后，對坡體進(jìn)行了清理，并量測了管道的變形。其中后部管道的中段偏離管道原始軸線15 mm，中部管道的中段偏離管道原始軸線36 mm，前部管道的中段偏離管道原始軸線68 mm。管道彎曲變形的量值與滑坡后期管道的受力特點剛好吻合?；w穩(wěn)定時作用于前部管道的滑坡推力最大，對應(yīng)的變形也最大，中部管道次之，后部管道最小。

3 結(jié)論

1)管道與滑坡方向正交時，管道中一點的應(yīng)力隨滑坡的發(fā)生呈現(xiàn)逐漸增大并最終趨于穩(wěn)定的特點;伴隨著不同滑體的滑動，應(yīng)力變化呈現(xiàn)階段性的變化特征，滑體穩(wěn)定后管道應(yīng)力又略微降低。

2)管道與滑坡方向正交時，管道的變形為彎曲變形，管道的變形特性與平面內(nèi)兩端固定的超靜定梁在豎向荷載作用下的變形特性相似。管道的彎矩呈現(xiàn)出在滑體外、滑坡周界附近為負(fù)，在滑體中部為正的分布特點;管道的彎矩在管道兩端、中部達(dá)到了峰值。

3)管道與滑坡方向正交時，埋設(shè)于滑體不同部位的管道的受力和變形特征為:滑坡前期，埋設(shè)于滑體后部的管道承受的滑坡推力最大，中部管道次之，前部管道最小;而滑坡后期，埋設(shè)于滑體前部的管道承受的滑坡推力最大，中部管道次之，后部管道最小。

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Experimental study on effect of orthogonal landslide on pipe by model simulation

NIU Wenqing1，ZHENG Jing2，WU Honggang2，WEI Wenbin2，WANG Haiwei2
(1.Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Northwest Research Institute Limited Company of China Railway Engineering Corporation，Lanzhou Gansu 730000，China)

As landslide occurrence poses a sever safety effect fo r oil and gas pipes，the paper carries out orthogonal sim ulation to study it by setting pipes in the behind，m idd le and fron t of landslide.It adopts w ater injection to generate landslide，and w ith the help of dial gage and stress gage conducts m onitor and analysis over slope deform ation，as w ell as any change of stress and deform ation of the pipe.T he resu lts indicate that as the landslide starts，the selected point(in the m idd le of the pipe)first d isp lays a stress increase，which is followed by its stabilization.A fterwards，the stress changes show a stage f luctuation and as the slope stabilizes，the stress declines slightly.T he pipe under the inf luence o f the landslide starts to bend，the defo rm ation of w hich bears resem b lance to that of hyperstatic beam(w ith both end fixed)under vertical loading.Before the occu rrence of landslide，the pipe em bedded behind the slid ing m ass bears the m ajority of the weight，w hich is fo llow ed by the m idd le section and the fron t section;however after the landslide，the situation reverses，as the fron t section stands as the m ain load ing bearer，followed by the m idd le section and that behind.

Pipe;Landslide;O rthogonality;Sim u lation experim en t;Stress;Deform ation

P642.22;TU458+.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.30

1003-1995(2015)06-0117-04

(責(zé)任審編趙其文)

2014-12-23;

2015-03-26

中國中鐵股份有限公司科技開發(fā)計劃項目(2012-引導(dǎo)-126)

牛文慶(1992—)，男，甘肅張掖人，碩士研究生。