油氣管道鋪設(shè)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

張立新，丁 曄，任永忠

目前我國(guó)各類(lèi)輸油氣管道的總里程累計(jì)已突破12萬(wàn)km，“西氣東輸”第一、二、三線管道已全部投入使用［1］。但中國(guó)是一個(gè)地形、地貌復(fù)雜，東西向海拔落差較大，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，尤其在西北（如青海、甘肅、寧夏等）黃土地區(qū)的崇山峻嶺中，滑坡、泥石流、水毀及濕陷等地質(zhì)災(zāi)害對(duì)含管邊坡的穩(wěn)定性形成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［2］?？紤]到濕陷性黃土地區(qū)在輸油管道覆蓋區(qū)域中所占比例較大，認(rèn)真研究油氣管線的鋪設(shè)方式以及在既有邊坡中管線的鋪設(shè)位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，對(duì)保證油氣管線的正常運(yùn)營(yíng)具有重大的意義，同時(shí)對(duì)類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)與研究具有一定的借鑒價(jià)值。

目前針對(duì)油氣管道與邊坡相互作用的研究主要有三大類(lèi)：

一是油氣管線的鋪設(shè)、施工對(duì)既有邊坡穩(wěn)定性的影響。肖明等［3］根據(jù)開(kāi)裂襯砌內(nèi)水外滲的規(guī)律，提出了高壓管道內(nèi)水外滲與混凝土襯砌裂縫寬度相互影響的有限元迭代計(jì)算分析方法。根據(jù)滲流荷載對(duì)邊坡的破壞作用，提出了對(duì)邊坡穩(wěn)定判斷的思路。孫書(shū)偉等［4］以黃土高原地區(qū)某實(shí)際含管道邊坡工程，應(yīng)用數(shù)值模擬方法，對(duì)黃土地區(qū)管道沿線填土邊坡、滑坡病害的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了研究。杜衍慶等［5］結(jié)合中緬油氣管道某隧道洞口邊坡的工程特征，系統(tǒng)研究淺埋油氣管道隧道施工對(duì)潛在滑坡體穩(wěn)定性的影響。

二是在既有邊坡中鋪設(shè)油氣管線，邊坡的坍塌、沖蝕等地質(zhì)災(zāi)害對(duì)油氣管線受力的影響。文獻(xiàn)［6－9］通過(guò)理論分析及數(shù)值分析的手段對(duì)在既有邊坡工程中管道施工過(guò)程及結(jié)束后，管道的受力變形以及對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響進(jìn)行了較為全面的分析。

三是研究在正常運(yùn)營(yíng)下管道與周?chē)馏w的相互作用。針對(duì)此方面國(guó)內(nèi)研究較少，國(guó)外學(xué)者們針對(duì)此方面的研究是將管道看做薄壁梁?jiǎn)卧驓卧缓笸ㄟ^(guò)建立相應(yīng)的力學(xué)模型求解管道的受力［10－14］。

通過(guò)上述總結(jié)分析可知，目前關(guān)于管道對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響分析中，均是已知確定了管道鋪設(shè)位置及角度，分析管道以及外界環(huán)境（降雨、邊坡坍塌等）的改變對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。在邊坡中管道鋪設(shè)位置及角度的改變對(duì)邊坡穩(wěn)定性及變形的研究較少?；诖?，本文擬通過(guò)改變管道在邊坡中鋪設(shè)的水平位置、豎向位置、傾角等參數(shù)以及管道在邊坡中橫向鋪設(shè)和縱向鋪設(shè)兩種方式，結(jié)合強(qiáng)度折減法求解邊坡的安全系數(shù)，通過(guò)分析得出管道位置與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律。

1 在邊坡中常見(jiàn)的管道鋪設(shè)方式

管道鋪設(shè)與邊坡滑坡體的位置關(guān)系如圖1所示。由圖1可以看出，基本分為兩大類(lèi)：一是管道鋪設(shè)方向與滑坡體的滑動(dòng)方向呈垂直關(guān)系；二是管道鋪設(shè)方向與滑坡體的滑動(dòng)方向呈平行關(guān)系，同時(shí)在每一類(lèi)鋪設(shè)方式中有2種位置關(guān)系，即位于滑坡體之內(nèi)和滑坡體之外。不同的管道鋪設(shè)方向和位置關(guān)系對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響甚大，以及當(dāng)滑坡體滑動(dòng)時(shí)對(duì)管道受力也不同。

圖1 管道鋪設(shè)與邊坡滑坡體的位置關(guān)系

2 分析模型的建立

2．1 計(jì)算模型的選取

針對(duì)計(jì)算模型的選取需考慮幾點(diǎn)要素：

一是必須具有代表性，由于在實(shí)際邊坡工程中管道的鋪設(shè)具有多樣性，總體為縱向和橫向鋪設(shè)，縱向鋪設(shè)時(shí)需要考慮管道與邊坡坡面的夾角不同對(duì)穩(wěn)定性的影響；管道橫向鋪設(shè)時(shí)需要考慮管道與滑動(dòng)面位置關(guān)系對(duì)穩(wěn)定性的影響。

二是邊坡土體參數(shù)的影響。土體參數(shù)直接決定了邊坡的穩(wěn)定性，因此選取具有代表性的邊坡模型以及土體參數(shù)具有重要的意義?；谝陨蟽牲c(diǎn)考慮，本文計(jì)算模型選取Dawson E M等［15］研究邊坡穩(wěn)定性的經(jīng)典計(jì)算模型，如圖2所示。

2．2 模型的建立

均質(zhì)土坡，坡高10 m，坡腳α＝45°，計(jì)算模型的具體尺寸詳見(jiàn)圖2，其邊界約束條件為約束左右兩側(cè)的 x方向位移、約束前后兩側(cè)的 y方向位移和底部邊界的z方向位移。管道與周?chē)馏w的相互作用采用PLAXIS－3D內(nèi)置的 Rinter系數(shù)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)［16］，為此本文采用PLAXIS－3D V2017巖土有限元軟件對(duì)其進(jìn)行分析。

圖2 計(jì)算幾何模型

表1 土體及管體材料參數(shù)

圖3 有限元分析模型（H1計(jì)算模型）

此有限元分析模型中共有11 565個(gè)土體單元，18 944個(gè)節(jié)點(diǎn)，最小尺寸單位為0．15 m，以滿足分析精度的要求。

Dawson E M等人給出的計(jì)算模型參數(shù)黏聚力為12．38 kPa，內(nèi)摩擦角為 20°，采用強(qiáng)度折減法（FLAC3D有限差分軟件）和有限單元應(yīng)力法（GeoStudio分析軟件）計(jì)算的安全系數(shù)分別為 1．05 和 1．07［17］，即邊坡處于安全的臨界狀態(tài)。在本文研究中，由于管道鋪設(shè)會(huì)影響邊坡的穩(wěn)定性，基于此，在本文計(jì)算參數(shù)選取中，采用強(qiáng)度折減法并通過(guò)多次試算之后，將黏聚力提高至 17．15 kPa，內(nèi)摩擦角提高至 23．0°，此時(shí)邊坡的安全系數(shù)為1．35，此安全系數(shù)為一級(jí)邊坡工程的設(shè)計(jì)要求。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3．1 邊坡安全系數(shù)

（1）管道橫向鋪設(shè)。基于目前對(duì)邊坡穩(wěn)定性的研究中，安全系數(shù)是衡量邊坡是否穩(wěn)定的重要指標(biāo)。管道在邊坡體中鋪設(shè)具有很大的隨機(jī)性，很難以確定具體的位置，為此本文在管道橫向鋪設(shè)分析過(guò)程中，以坡腳和坡頂?shù)拇怪边B線，每間隔2 m為管道的鋪設(shè)位置，對(duì)其每個(gè)位置研究邊坡的穩(wěn)定性。邊坡安全系數(shù)隨位置變化關(guān)系圖見(jiàn)圖4所示。

圖4 橫向鋪設(shè)下邊坡安全系數(shù)隨位置變化關(guān)系圖

由圖4可知，邊坡未鋪設(shè)管道時(shí)的安全系數(shù)為1．359，其邊坡滑移面如圖中虛線所示。管道位置由坡腳向邊坡體內(nèi)改變時(shí)，安全系數(shù)先減小后增大，即安全系數(shù)由 1．347減小至 1．337，然后又增大至1．357；在坡頂端的垂直方向上，其安全系數(shù)逐漸增大，只有在坡頂端時(shí)安全系數(shù)減小，即安全系數(shù)由1．354 增大至 1．372 后，又減小至 1．348。分析原因：在管道由坡腳向坡體內(nèi)改變時(shí)，主要是擾動(dòng)了坡腳土體的穩(wěn)定性，故安全系數(shù)最小，但隨著管道逐漸的改變，由于坡體的滑移面是圓弧形的，離開(kāi)了滑動(dòng)面的影響區(qū)，故安全系數(shù)逐漸增大；當(dāng)管道豎向改變時(shí)，先是逼近滑移面的影響區(qū)，即H6位置處安全系數(shù)由1．357變化至H7位置處1．354，然后管道位置處于滑動(dòng)區(qū)，對(duì)安全系數(shù)影響甚少，但管道鋪設(shè)后，由于管道內(nèi)一般為原油或水等液體的密度比土體的密度小，因此減小了滑動(dòng)區(qū)土體的滑動(dòng)力，故安全系數(shù)有所增加，但是在坡頂端處，由于管道鋪設(shè)影響了局部土體的穩(wěn)定性，安全系數(shù)有所減小。

（2）管道縱向鋪設(shè)。圖5為縱向鋪設(shè)下邊坡安全系數(shù)隨管道與坡面夾角的變化曲線圖。在本次分析中，管道與坡面夾角由0°變化至45°，由圖5可知，當(dāng)管道與坡面夾角為0°時(shí)，邊坡安全系數(shù)最大，其值為 1．394；其次當(dāng)管道與坡面夾角分別為 15°、30°和45°時(shí)，其安全系數(shù)分別為 1．336、1．331 和 1．327?？梢钥闯?，在 15°～45°之間，其安全系數(shù)變化很小，邊坡沒(méi)有鋪設(shè)管道狀態(tài)下其安全系數(shù)為1．359，夾角為15°狀態(tài)下的安全系數(shù)為1．336基本接近，隨之減小。分析其原因當(dāng)夾角為0°時(shí)，管道平行于坡面，坡體產(chǎn)生水平位移時(shí)，管道起支擋作用，此狀態(tài)下管道受力最不利，但是針對(duì)邊坡而言，此狀態(tài)下邊坡為最安全。

圖5 縱向鋪設(shè)下邊坡安全系數(shù)隨管道與坡面夾角的變化曲線圖

3．2 坡面位移

（1）管道橫向鋪設(shè)。圖6為橫向鋪設(shè)下邊坡坡面水平位移圖。由圖6可知，管道在邊坡體中的位置對(duì)坡面水平位移的變化影響較小。邊坡坡面水平位移值隨著坡面高度的增加逐漸增大，在坡面高度的1／3處達(dá)到最大值；隨后逐漸減小，在坡頂位置處為最小值。但從最大水平位移的數(shù)值上來(lái)分析可知，H7、H8和 H9的最大水平位移量分別為 4．83 mm、4．91 mm和4．76 mm。H8位置恰好處于滑面的位置處，其水平位移值最大，H7和H9處于滑面的兩側(cè)，其水平位移值次之，其他部位的水平位移值均比H9小。說(shuō)明管道鋪設(shè)位置處于滑面位置對(duì)坡面水平位移影響較大。

（2）管道縱向鋪設(shè)。圖7為縱向鋪設(shè)下邊坡坡面水平位移曲線圖。由圖7可知，當(dāng)管道與坡面夾角為 0°、15°、30°和 45°時(shí)，其水平位移分別為 3．93 mm、3．90 mm、3．33 mm 和 3．80 mm，由此可見(jiàn)，其夾角為30°時(shí)水平位移最小。其他夾角下水平位移基本相等。

3．3 邊坡剪切應(yīng)變率

（1）管道橫向鋪設(shè)。目前邊坡的失穩(wěn)判據(jù)有3種：①以數(shù)值計(jì)算的收斂性作為失穩(wěn)判據(jù)；② 以特征部位位移的突變性作為失穩(wěn)判據(jù)；③以塑性區(qū)的貫通性作為失穩(wěn)判據(jù)［17］。在本文計(jì)算中采用第③中失穩(wěn)判據(jù)進(jìn)行判定，圖8為橫向鋪設(shè)下邊坡內(nèi)部剖切面的剪切應(yīng)變率云圖，從圖8可以看出，管道鋪設(shè)在坡體的不同位置下，邊坡的剪切應(yīng)變率均形成了貫通的剪切帶。同時(shí)可以看出，管道的鋪設(shè)對(duì)邊坡的滑動(dòng)面位置影響較小，只是管道鋪設(shè)在剪切帶位置時(shí)對(duì)周邊剪切帶有較明顯的影響，如H3位置所示。

圖6 橫向鋪設(shè)下邊坡坡面水平位移曲線圖

圖7 縱向鋪設(shè)下邊坡坡面水平位移曲線圖

（2）管道縱向鋪設(shè)。圖9為縱向鋪設(shè)下邊坡內(nèi)部剖切面剪切應(yīng)變率云圖，V0°鋪設(shè)方式下，只在邊坡頂面位置處出現(xiàn)了較大的剪應(yīng)變，其他部位剪應(yīng)變值都較小，而V15°、V30°和V45°鋪設(shè)方式下均在坡腳位置處出現(xiàn)了較大的剪應(yīng)變，說(shuō)明管道的鋪設(shè)對(duì)坡腳位置處的土體受力影響較大。因此其邊坡的安全系數(shù)均比V0°鋪設(shè)方式下小。

圖8 橫向鋪設(shè)下邊坡內(nèi)部剖切面剪切應(yīng)變率云圖

圖9 縱向鋪設(shè)下邊坡內(nèi)部剖切面剪切應(yīng)變率云圖

4 結(jié) 論

（1）管道在坡體內(nèi)橫向鋪設(shè)時(shí)，沿坡腳向坡體內(nèi)改變，其邊坡的安全系數(shù)先減小后增大，增大后的值約等于自然邊坡的安全系數(shù)；在坡體內(nèi)豎向向坡頂改變時(shí)，其邊坡的安全系數(shù)先減小后增大，但是在坡頂位置處邊坡安全系數(shù)又減小，因此建議鋪設(shè)管道時(shí)不要鋪設(shè)至滑動(dòng)面內(nèi)。

（2）管道在坡體內(nèi)縱向鋪設(shè)時(shí)，其夾角由0°變至45°，只有在0°鋪設(shè)方式下其安全系數(shù)比自然邊坡要大，其他鋪設(shè)夾角下，其邊坡安全系數(shù)均比自然邊坡小，這是因?yàn)楫?dāng)鋪設(shè)夾角為0°后，管道對(duì)邊坡有支擋作用，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有利，但對(duì)于管道的受力極為不利。

（3）邊坡失穩(wěn)時(shí)均形成了剪切帶，管道的鋪設(shè)對(duì)剪切帶形成的位置影響較小，但當(dāng)管道鋪設(shè)位于剪切帶區(qū)域上，管道周?chē)馏w的剪應(yīng)變率有明顯的變化。

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