滑坡災(zāi)害對(duì)油氣長(zhǎng)輸管道的內(nèi)力和變形分析

譚威(中國(guó)石油西氣東輸管道公司蘇浙滬管理處，江蘇 南京 210002)

滑坡災(zāi)害對(duì)油氣長(zhǎng)輸管道的內(nèi)力和變形分析

譚威(中國(guó)石油西氣東輸管道公司蘇浙滬管理處，江蘇 南京 210002)

地質(zhì)災(zāi)害對(duì)油氣管道的安全運(yùn)行帶來(lái)了巨大的潛在風(fēng)險(xiǎn)，滑坡、泥石流、塌陷、地質(zhì)等地質(zhì)災(zāi)害都對(duì)管道的安全生產(chǎn)運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，在這些較大影響的地質(zhì)災(zāi)害當(dāng)中，滑坡是最為常見的一種類型；本文以滑坡地質(zhì)災(zāi)害為例，深入分析了滑坡情況下對(duì)油氣長(zhǎng)輸管道帶來(lái)的內(nèi)力和變形影響，建立了數(shù)值分析模型，為開展日常風(fēng)險(xiǎn)管控和事故情況下應(yīng)急監(jiān)測(cè)及應(yīng)急搶修提供了很好的判別準(zhǔn)則。

滑坡；油氣管道；內(nèi)力；變形

1 滑坡的特點(diǎn)

滑坡災(zāi)害具有突發(fā)性，對(duì)工程建設(shè)危害性很大。從作用形式來(lái)說(shuō)，土體滑塌的原理和危害情況的方式類似于土體崩塌、滑坡，土體在長(zhǎng)期的自然環(huán)境作用下，并在一些人為因素的作用下，通常就會(huì)發(fā)生土體滑塌；并且，這種滑塌的作用效果是非?？膳碌模婢摺盎焙汀八眱煞N特點(diǎn)；不同地區(qū)的滑塌的特點(diǎn)是不同的，一般情況下在以下條件下發(fā)生可能性較高：

a.在一些自然條件下，山川和大型沖溝兩側(cè)的因河水側(cè)向侵蝕，或洪水沖刷黃土坡腳而發(fā)生;b.夏天雨季發(fā)生的概率最高；c.豎直高度在15m以上，由厚土層組成的斜坡帶，坡度通常在500以上的;d.在黃土的源邊或其他黃土的斜坡地帶，因?yàn)槠赂呋蛘咂卤冗^(guò)大，在人工作業(yè)時(shí)容易產(chǎn)生；e.在山川、大型沖溝中的，因?yàn)樾拗畮?kù)引起的水位上升、水庫(kù)的水浸潤(rùn)黃土的坡腳等也很有可能導(dǎo)致滑坡發(fā)生。

2 滑坡情況下管道的力學(xué)模型

如圖1所示，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)相關(guān)理論，我們假設(shè)，在在收到滑坡作用下，管道受到的力看做是軸力，軸力記做 ，把管道看做一段梁?？梢钥吹?，由于管道在滑坡作用下，這個(gè)“梁”受到到撓度值是比較大的；結(jié)合力學(xué)彎曲理論進(jìn)行研究，用“幾何方程”和“非線性”法來(lái)整體研究管道的受力變形情況。我們假設(shè)作用在管道上的力是均布荷載 ， 值的大小可以通過(guò)上面的分析計(jì)算結(jié)果得出。另外，不考慮滑坡體對(duì)管道的縱向摩擦力，使得管道的繞度比實(shí)際情況下偏大。

圖1 滑坡體內(nèi)的管道受力情況示意圖

圖2 滑坡體外的管道受力示意圖

同時(shí)，我們假設(shè)把滑坡體外面的管段看作是一個(gè)小變形的，或者半無(wú)限長(zhǎng)的梁或者是桿，在不考慮彎曲或者拉伸的變形的藕合作用，可以認(rèn)為管段的橫向土壤的受力情況是基本符合溫克勒假定理論的；管道的雙向受力情況基本符合雙線性的理論假設(shè)，也就是說(shuō)管道縱向的受力和管道縱向的位移關(guān)系，可以用彈性和塑性理論來(lái)解釋。

為了便于理解，我們可以假設(shè)土壤的性質(zhì)，以及管道的變形情況和受力情況是關(guān)于中線對(duì)稱的。在圖1中，坐標(biāo)xy平面標(biāo)示管道的受力以及變形，x和沒(méi)有發(fā)生滑坡的管道的軸線是水平重合的，而y軸表征的是沒(méi)有下滑的土體和滑坡土體的分界面。在x為0處，可以看到管道截面轉(zhuǎn)角不大，我們可以認(rèn)為該截面的當(dāng)量軸力和剪力，兩種力分別是喝x,y軸相互平行的。

并且，在溫差以及內(nèi)力和滑坡體下滑推力的共同作用下，使得管道所受的力有時(shí)為壓力，有時(shí)候?yàn)槔?。在沒(méi)有溫差或者內(nèi)力作用的下，當(dāng)量軸力為拉力；根據(jù)線性代數(shù)理論知識(shí)可以知道，非線性問(wèn)題多少情況下是不滿足線性疊加的，所以不能簡(jiǎn)單的吧溫差、內(nèi)力和滑坡推力q荷載分別作用下的內(nèi)力和位移相疊加。并且要根據(jù)實(shí)際情況下，油氣管道是有溫差變化和內(nèi)力的，所以必須先對(duì)軸力So是拉力還是壓力的情況進(jìn)行有針對(duì)性的判別。

3 滑坡狀態(tài)下管道的內(nèi)力分析

3.1 當(dāng)量軸力So為拉力時(shí)的情況

如圖1，對(duì)滑坡段管道L段來(lái)分析，管段的彎曲微分方程為：

式中：E為管材的彈性模量，pa;I為管道的截面慣性矩，m4；Y為管道的繞度，m；Mo為管道在x=0處的截面彎矩，N.m；υ0為管道在x=0處的繞度，m；q為下滑土體對(duì)管道的推力，N；L為滑坡管段長(zhǎng)度，m；So為滑坡體中管道的當(dāng)量軸向拉力，N。

式中：No為管道在x=0截面處軸力，N；P為管道內(nèi)部介質(zhì)壓力，

pa；d為管道內(nèi)徑，m；

由三式得出管道在x=L/2截面處的管道撓度f(wàn)為：

對(duì)滑坡體外的管道，如圖2 所示，剪力Qo，彎矩Mo，共同作用引起的x=0截面處的管道的撓度υ0，轉(zhuǎn)角φ0分別為：

式中：cy,0標(biāo)示如果管道在x，y平面發(fā)生了位移情況下的阻力

綜合系數(shù)，N/m3；D為管道的外徑；

由滑坡體內(nèi)、外管道在x=0截面處的轉(zhuǎn)角相等得出：

管道在滑坡段中點(diǎn)x=L/2 處的彎矩Mc為：

3.2 當(dāng)量軸力So為壓力時(shí)的情況

當(dāng)So為壓力時(shí)，滑坡段管道的彎曲微分方程為：

L段中點(diǎn)撓度：

υ0和θ0扔按式(4)、（5)進(jìn)行求解 ；

4 縱向上的位移求解

假設(shè)不管軸力是拉力或者壓力，上面的理論計(jì)算過(guò)程只能得出f和So的管線特征，我們還需要利用到滑坡段內(nèi)、外管道的縱向位移，以及位移的連續(xù)特征，推到出f、So之間的方程式，這樣才可以求解。

先以滑坡體內(nèi)管道為研究對(duì)象，利用管段L的軸向應(yīng)變的幾何非線性：

式中:εx為軸向應(yīng)變；μ為軸向位移，m；

式中：F為橫截面積，m2； 為線性膨脹系數(shù)； 為操作溫度與敷設(shè)溫度之差； 為泊松系數(shù)； 為內(nèi)壓P引起的環(huán)向應(yīng)力；聯(lián)立式(8)、(9)得出：

對(duì)式(10)進(jìn)行定積分，將管段的撓度近似取為 。對(duì)式(10)的兩邊關(guān)于x在[0，L]得出：其中 為管道在x為0處的縱向位移；

除此之外，把滑坡體外的情況進(jìn)行研究。根據(jù)縱向位移的連續(xù)性，方程(11)當(dāng)中的解可以按如下方式確定：

cx0為滑坡體外土壤的阻力綜合系數(shù)N/m3；tf為滑坡體外土壤的極限抗剪強(qiáng)度，N/m；

因此，可用由(11)、(12)、(13)推導(dǎo)得出一個(gè)關(guān)于f和So的關(guān)系式，f和So得出后，No、Mo、Mc即可以確定，管道的縱向應(yīng)力也可以確定。

5 結(jié)論

由此，通過(guò)以上的分析計(jì)算，就以推導(dǎo)得出滑坡情況下管道的內(nèi)力和相應(yīng)的位移變化，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值與理論分析值的對(duì)比，可以確定管道的危險(xiǎn)等級(jí)，從而采取有效的措施保證油氣管道的安全運(yùn)行。