斷層錯動作用下埋地管道反應分析方法綜述

劉　武，侯王剛，田　智，羅召錢.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都　60500.中國石油西南油氣田公司，四川江油　6709

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斷層錯動作用下埋地管道反應分析方法綜述

劉武1，侯王剛1，田智2，羅召錢2
1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都610500
2.中國石油西南油氣田公司，四川江油621709

摘要：埋地管道作為石油天然氣工業(yè)的地下生命線，不可避免地穿越活動斷層，研究斷層大距離錯動作用下埋地管道反應具有重要意義。從理論研究和實驗研究兩方面論述了斷層錯動作用下埋地管道反應研究現(xiàn)狀，分析了不同方法所采用的力學模型及管-土相互作用模型的發(fā)展方向，總結(jié)了前人的研究成果以及存在的不足。針對當前技術的不斷發(fā)展，指出進一步研究方向。

關鍵詞：斷層錯動；埋地管道；分析方法；綜述

世界能源需求的擴大和發(fā)展加速了長距離油氣管道的建設步伐［1］。我國油氣資源主要分布在中西部地區(qū)，地質(zhì)條件復雜，長輸管道不可避免地會受到地震災害的威脅和侵害［2］。堅固而有韌性的鋼管道一般能經(jīng)受住地震的考驗，但卻不能抵御斷層所產(chǎn)生的較大的永久性地面位移［3］。地震引發(fā)的地表破裂及錯動會使埋地管道承受強烈的拉伸或壓縮作用，極易發(fā)生拉斷、錯斷或屈曲破壞，造成火災或爆炸，對人員的生命財產(chǎn)及環(huán)境產(chǎn)生嚴重影響。

1971年美國的圣費爾南多地震，造成25%的地下管道在斷層穿越處或其附近的強地震區(qū)破裂［4］。1997年委內(nèi)瑞拉的Cariaco地震，造成斷層錯動位移達0.4 m，埋地管道嚴重受損［5］。2001年青海省和新疆維吾爾自治區(qū)交界處昆侖山南麓發(fā)生8.1級地震，導致格爾木至拉薩的地下輸油管道在斷層地表破裂帶處出現(xiàn)嚴重的破壞現(xiàn)象［6］。2008年，四川汶川地震，綿竹市供水主管網(wǎng)80%被破壞［7］。

以上案例表明，斷層的相互錯動會對地下油氣管道系統(tǒng)造成嚴重危害，進行斷層大距離錯動作用下埋地管道結(jié)構的受力與變形分析是必要的。長期以來，國內(nèi)外眾多學者已就管道、土體以及管-土相互作用建立了豐富的力學模型，對地震斷裂帶作用下埋地管道的反應行為進行了大量分析，歸納起來主要有理論和實驗研究兩種方法。

1　理論研究

1.1理論解析法

Newmark和Hall于1975年首次提出了跨斷層埋地管道反應的一種近似算法［8］。該方法假設管道埋置于帶邊坡的淺溝內(nèi)，忽略慣性力的影響，斷層作用下管土一起運動，認為斷層位移完全由管道軸向變形吸收，不計土的橫向作用力和管道的彎曲變形。研究表明，管土間的摩擦力越小，管道適應斷層運動的能力越強；鋼號越低，延性越大；斷層兩側(cè)附近區(qū)域，管道發(fā)生大位移。該方法至今仍被我國輸油（氣）管道抗震規(guī)范所采用，由于其忽略了土體的橫向作用力和管道彎曲變形，使得該方法只適用于斷層與管道交角較小或斷層位錯較大的情況。

1977年Kennedy等人在Newmark- Hall方法的基礎上進行改進，考慮了作用在管道上的橫向土反力和管道彎曲變形，采用曲線段和直線段分別來描述斷層附近和遠離斷層管段的變形，提出了斷層運動時地下管道承受彎曲和軸向拉伸最大應變的分析方法［9］。通過分析，該方法較Newmark- Hall結(jié)果更合理，但其忽略了管道的彎曲剛度，對側(cè)向土反力估計過高，結(jié)果偏于保守。

上述Newmark- Hall和Kennedy方法都沒有考慮管道的抗彎剛度，均認為管道與斷層的交點處最先發(fā)生破壞。

1985年，Wang和Yeh在Newmark- Hall上述兩種方法的基礎上改進了柔性纜索的假設［10］，考慮了管道的彎曲應變及剛度，提出了地下管道遠端的變形應形同彈性地基梁，斷層附近變形為單一曲率彎曲的大變形梁。經(jīng)試驗證實，該方法的計算模型較前兩種方法更接近實際情況，且避免了Newmark- Hall方法在穿越角度較大時不能考慮彎曲應變的損失。但該模型忽略了軸力對彎曲剛度的影響，得到的彎曲應變值較高，結(jié)果偏于保守，且沒有考慮單一曲率大變形梁和彈性地基梁之間的剪力連續(xù)條件。

1994年，Chiou等［11］為了克服Wang- Yeh方法中單一曲率計算模型的不足，將管道大變形段模擬為彈性梁，管道遠端看作半無限長的彈性地基梁。運用有限差分法和Brent法求解非線性方程，并對管道的抗震性能進行了分析。

1998年，Wang L R L等［12］將斷層附近的管道大變形段模擬成帶有彈簧鉸支座的懸臂梁而不是一段圓弧，遠離斷層的管段視為半無限的彈性地基梁。該方法考慮了大變形的應力-變形關系，使計算結(jié)果更接近真實情況。但在計算大變形段的橫向位移時，使用的彎矩疊加原理是建立在小變形和梁彎曲剛度不變的前提下，沒有考慮靠近斷層已進入塑性階段的管軸力對橫向彎曲的影響，計算結(jié)果偏于保守；沒有考慮懸臂梁和彈性地基梁之間的剪力連續(xù)條件。

Karamitros等［13］將斷層附近大變形管道模擬為彈性梁，遠端小變形為彈性地基梁，考慮了彈性地基梁和彈性梁連接點處的剪力連續(xù)條件以及管道橫截面的實際應力分布情況。但該方法忽略了大變形段的管土之間摩擦力，而認為管道潛在的破壞位置位于最大彎矩截面處，且沒有予以證明；在考慮軸力對彎曲剛度的影響時，采用的基于彈性梁理論的彎曲應變和基于二次項影響的彎曲應變組合形式缺乏物理意義。

王濱［7］在Karamitros模型的基礎上，采用了ALA- ASCE推薦的理想彈塑性土彈簧模型，考慮了管土相互作用的非線性。分別基于管道鋼的雙折線模型和Ramberg- Osgood模型，提出較為精確的場地土均一走滑斷層作用下埋地鋼質(zhì)管道反應計算的理論解析法。通過分析，該方法得到了管道潛在的破壞位置、管道軸向總應力和總應變最大值。但忽略了斷層作用下管道的幾何非線性影響，采用小變形位移疊加方式計算管道幾何伸長量，使計算結(jié)果不安全。

以上方法主要是針對走滑斷層作用下管道的應力、應變分析，管土力學模型不斷得到改進，但均是基于一定的假設前提下，得到的結(jié)果存在局限性。

1.2數(shù)值模擬法

隨著計算機技術的迅速發(fā)展，在工程領域中，有限元分析（FEA）越來越多地用于仿真模擬，研究者們提出了多種有限元分析方法求解斷層錯動作用下埋地管道的響應特性。

1991年，侯忠良等［14］在考慮斷層相對位移較大情況下，管道和土體發(fā)生了非線性變形，提出了用非線性有限元方法對穿越斷層的埋地管道進行反應分析。該方法將管道簡化為彈性地基梁，土體設置為土彈簧，根據(jù)虛功原理建立管道的平衡方程，利用迭代方法進行計算。探討了斷層錯動量、管土之間的相對位移對管道反應的影響，表明該方法在管道受拉作用下的計算結(jié)果與Kennedy法相近。

Takada等［15］將管道模擬為彈塑性材料殼單元，土體設置為非線性彈簧單元，采用非線性有限元分析逆斷層大距離錯動下埋地管道的屈曲效應。通過研究，得出逆斷層作用下管道的最大應變出現(xiàn)在屈曲位置；在總應變中，塑性應變占97%以上，可見管道跨逆斷層時需具有較高的延展性；增加管道壁厚有助于抗震，逆斷層穿越角以45°為宜。

2002年，劉愛文［16］首次提出將遠離斷層管土之間相對變形較小的管道直線段變形等效為非線性彈簧，用殼單元模擬斷層附近發(fā)生大變形的管段，土體設置為彈簧單元，從而較好地分析了管截面的大變形情況，且節(jié)約了將整個管道視為殼模型的計算時間。分析發(fā)現(xiàn)，殼單元模型能較好地分析管道的局部屈曲和大變形情況。

劉學杰等［17］考慮管道穿越逆斷層或以90°交角穿越走滑斷層時，管道發(fā)生局部屈曲變形，建議用梁單元模擬直管段，在斷層附近（左右各20 m）采用彎管（等效于殼單元）單元，管土之間采用土彈簧或桿、連接單元進行模擬，使計算結(jié)果更為準確。并針對已建和新建管道的抗震性能進行了分析。

金瀏等［18］建立了穿越逆沖斷層作用下埋地管道非線性有限元模型，將埋地管道及周圍土體從半無限大地介質(zhì)中取出，分別以空間薄殼單元和實體單元進行離散，采用非線性接觸單元模擬管土之間的滑移、分離及閉合現(xiàn)象。分析得出土體錯動量越大，管道變形越嚴重；土體剛度的增大導致管道反應的增大；淺埋有利于管道變形，提高抗震性能；逆斷層作用下，隨著跨越角度的增大，管道容易發(fā)生屈曲破壞，建議采用90°作為最佳的管道跨越角度。

閆相禎等［19］基于斷層中間含有破碎帶、薄殼大變形以及管土耦合條件，建立了殼單元有限元分析模型。將管道模型簡化為四節(jié)點薄殼單元，土體簡化為三向彈塑性土彈簧，管壁的厚度即為各個殼單元的厚度，并進行算例分析。結(jié)果表明，在大位移作用下，管道破壞主要出現(xiàn)在斷層附近兩側(cè)；斷層破碎帶越寬，管道的軸向變形越小，對管道的抗震越有利。

Bolvardi等［20］采用殼單元離散管道，土體選擇實體單元，管土間采用接觸模型來模擬，建立了三維非線性有限元模型。分析比較了管徑、穿越角、壁厚、埋深等因素對管道受力的影響。

豐曉紅［21］選用殼單元以及實體單元分別對管道及周圍土體進行了離散，將管道模擬成薄壁中空結(jié)構，土體模擬為均一實體結(jié)構，采用基于狀態(tài)非線性的管土接觸模型，提出了符合實際的有限元計算模型。

楊汗青等［22］基于MIDAS結(jié)構分析軟件，采用大變形有限元方法分析了大口徑油氣管道在斷層位錯作用下的應變響應。管道采用板殼單元，土體、圍巖以及斷層破碎帶設置為實體單元，管土間的相互作用采用實體接觸單元進行模擬。結(jié)果表明，對于走滑斷層、逆斷層以及逆沖斷層，場地覆蓋土層厚度對管道應變影響較大；不同類型斷層位錯作用下，管道與斷層最佳穿越角度差別較大。

薛景宏等［23］提出單壓土彈簧埋地管道有限元模型，對傳統(tǒng)的拉壓彈簧進行改進，實現(xiàn)單壓性能，更好模擬管土間相互作用。模擬發(fā)現(xiàn)，單壓彈簧法得到的管道應變值比拉壓彈簧法得到的應變值小，能較好地反映管道的實際變形。

2　實驗研究

在以往的研究中，理論解析法和數(shù)值模擬法因其自身的易操作性及受外界影響較小等特點，國內(nèi)外許多學者進行了研究，而對于斷層錯動作用下的抗震試驗則相對較少。

馮啟民等［24］首次進行了跨斷層埋地管道抗震試驗。采用中間有斷縫的土箱模擬斷層兩盤，將管道模型埋入土箱中，使箱體的一半相對另一半存在相對運動，分別進行了靜力試驗和模擬地震振動臺動力試驗。試驗表明，不論靜力還是動力試驗，管道與斷層土體之間的相對變形最大值均出現(xiàn)在斷層面附近；管道軸線變形成反對稱，遠離斷層的管段隨土體一起運動；斷層帶軟弱夾層的存在，有使管道最大應變發(fā)生位置遠離斷層面的趨勢。

2004年，Susumu Yasuda等［25］分別對埋地管道穿越走滑斷層和逆沖斷層進行了試驗，斷層模型采用一個土箱固定、另一個土箱運動的形式，分析了管徑、管道埋深、管道與斷層的交角等參數(shù)對管道最大彎矩的影響。

Yoshizaki等［26］進行了全尺寸試驗，分析了管溝內(nèi)膨脹型樹脂類回填物對埋地管道抗震性能的影響。結(jié)果表明，使用膨脹型樹脂作為回填物有助于減輕管土間相互作用。

Da Ha等［27］采用離心試驗模擬逆斷層作用下管道（大密度和高延性的聚乙烯材料）的受力狀況。并將試驗結(jié)果與1999年土耳其伊茲米特地震中管道的失效情況進行對比，提出一種新的測量地表破裂變形作用下管土間接觸力的模型。

張志超等［28］針對跨斷層地下管道的地震破壞特性，設計出斷層作用下管道的振動臺試驗模型。結(jié)果表明，管道與土體之間的初始動力效應對整個系統(tǒng)影響較小，可以忽略不計，而管內(nèi)流體可能存在較大影響；在無法避開斷層區(qū)域的情況下，地下管道最好與斷層垂直；管道的最大應變位于斷層附近一定區(qū)域內(nèi)；管-土動力相互作用及其變化規(guī)律對管道反應影響較大。

3　結(jié)論及展望

經(jīng)過近四十年的發(fā)展，國內(nèi)外學者對跨斷層埋地管道破壞模式建立了多種分析模型，在理論解析法、數(shù)值模擬法以及試驗方法等領域均取得顯著成績。同時，由于各種方法的適用條件不同，均存在一定的局限性。隨著管道向大口徑、高壓力、高鋼級方向發(fā)展，研究方法也需作出相應的改進。

（1）管道分析模型主要為斷層附近大變形梁模型和遠離斷層小變形管段彈性地基梁模型，基本模型沒有發(fā)生改變，只是分析方法不斷改進，但均是基于一定的假設前提下，因此得到的結(jié)果存在一定的局限性。

（2）在今后研究中，應針對工程實際建立合適的有限元模型，提高計算效率；考慮更多管道運行時的影響因素，如建立土體-管道-流體耦合作用下的埋地管道穿越斷層模型將成為研究重點。

（3）針對斷層作用下埋地管道的實驗模型主要為“管道穿越土箱”模型，它在一定程度上反映了管道的變形規(guī)律。由于受到土箱模型尺寸、試驗裝置性能以及荷載的施加方式等因素限制，難以得到精確結(jié)果，只能為理論研究提供參考。

（4）有必要對斷層錯動作用下含缺陷長輸管道的安全性分析作進一步研究。

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Review on Analysis Methods of Buried Pipelines Under Fault Movements

LIU Wu1，HOU Wanggang1，TIAN Zhi2，LUO Zhaoqian2
1. Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China
2. Petro China Southwest Oiland Gas Field Company，Jiangyou 621709，China

Abstract：As the lifeline of petroleum industry，buried pipelines crossing active faults are inevitably，so the research on response behavior of buried pipelines under large fault displacement is essential. In the present paper，the status quo of the response of the buried pipeline under the fault action is discussed from two aspects：theoretical research and experimental research，presenting the mechanical models of different methods and development direction of the model of soil- pipeline interaction. The previous research results and the existing problems are summarized. The future research direction is pointed out based on the current development of pipeline technology.

Keywords：fault movement；buried pipeline；analyticalmethod；review

doi:10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.02.001

基金項目：

四川省應用基礎研究項目（2013JY0098）資助。

作者簡介：

劉武（1970-），男，四川武勝人，副教授，1992年業(yè)于西南石油大學油氣儲運專業(yè)，主要從事天然氣管網(wǎng)優(yōu)化、地質(zhì)災害作用下管道的安全研究工作。Email：wwwww65@126.com

收稿日期：2015- 09- 14；修回日期：2015- 12- 09