瀾滄江跨越管道的落石沖擊影響與防護(hù)

陳利瓊 劉 洋 吳世娟 來進(jìn)和 張興龍

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 2.中國石化西南油氣分公司采氣三廠3.中國石油玉門油田分公司 4.中國石油西南管道分公司

0 引言

在我國，因落石撞擊造成的管道損毀事故時有發(fā)生[1-3]。如汶川地震發(fā)生后，蘭成渝管道由于落石撞擊造成原油泄漏，瀾滄江跨越管道同樣遭到落石威脅。

針對落石災(zāi)害，人們開展了廣泛研究。加拿大多倫多大學(xué)的Stevens[4]指出，邊坡坡面法向還原系數(shù)（en）和切向還原系數(shù)（et）是影響邊坡落石運動軌跡的兩個最重要的參數(shù)，它們不僅決定著落石的運動軌跡，同時也改變著落石運動過程中的能量；黃潤秋和劉衛(wèi)華[5]通過正交試驗，發(fā)現(xiàn)斜度對落石加速度的影響尤為顯著；通過在RocFall軟件中模擬研究某一邊坡上的落石運動，韋啟珍和雷秀麗[6]驗證了數(shù)值模擬在研究落石下落過程方面的準(zhǔn)確性以及有效性；在仔細(xì)研究了日本道路公團(tuán)公式以及楊其新和關(guān)寶樹[7]提出的落石沖擊力計算公式后，結(jié)合沖量定理，陳洪凱[8]和Kawahara和Muro[9]推導(dǎo)了理論沖擊力計算公式。為了保障瀾滄江跨越管道的安全運行，探尋該跨越管道落石防治方案，以瀾滄江跨越管道左岸落石為研究對象，運用RocFallⅡ軟件對其運動進(jìn)行模擬，分析落石質(zhì)量、下落高度對落石撞擊管道位置以及撞擊管道時最大動能的影響；然后在CAESARⅡ軟件管道模型上施加作用力，計算使管道發(fā)生失效的落石質(zhì)量；最后結(jié)合該跨越管道左岸地形以及落石分布情況提出了落石防治措施。

1 瀾滄江跨越區(qū)落石影響因素

根據(jù)中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所的《中緬油氣管道瀾滄江跨越兩岸邊坡穩(wěn)定性評價》報告，確定跨越工程左岸為易遭受落石危害的最不利地形剖面之一，筆者定義其為崩塌落石區(qū)。

1.1 計算模型

根據(jù)跨越工程左岸剖面示例圖，結(jié)合CAD軟件與RocFall軟件，建立計算剖面模型如圖1所示，稱其為PM。

圖1中內(nèi)摩擦角φ＝37°為測定值，坡面回彈系數(shù)et和en是根據(jù)國內(nèi)外已有各種坡面地質(zhì)條件的建議值結(jié)合實際情況得出的結(jié)果[10]。

1.2 落石撞擊管道位置

為了確定應(yīng)力加載點的位置，需要確定不同質(zhì)量以及下落高度落石在管道上撞擊點的位置。研究表明，模擬200次時，可以得到穩(wěn)定的軌跡和參數(shù)[11]。通過將不同質(zhì)量落石從落石崩塌區(qū)邊緣O21點拋下，分析落石質(zhì)量對最大動能落石撞擊管道水平段位置的影響；同時以質(zhì)量為1 000 kg的落石為研究對象，分析下落高度的影響，以跨越管道起點為原點，結(jié) 果如表1和表2所示。

圖1 跨越管道左岸計算模型圖

表1 不同落石質(zhì)量對撞擊點位置的影響表

表2 不同落石下落高度對撞擊點位置的影響表

從表1可以看出，不同質(zhì)量的落石撞擊管道的位置位于起點附近，且變化很小，說明了落石質(zhì)量對落石運動距離的影響不大，且隨著落石質(zhì)量增加，落石運動最大距離趨于穩(wěn)定；從表2可以看出，相同質(zhì)量下不同下落高度對落石撞擊管道位置的影響較小，說明下落高度也不是影響落石運動距離的主要因素，且落石在管道上的撞擊點相對集中，受落石威脅管段W以跨越天然氣管道起點為起點，長約13 m。

1.3 落石撞擊管道動能與高度及質(zhì)量關(guān)系

落石撞擊管道時攜帶的動能決定了其與管道沖擊力的大小，為了定量分析落石撞擊管道動能與高度及質(zhì)量的關(guān)系，通過改變落石質(zhì)量與下落高度進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖2所示。

圖2 落石質(zhì)量及高度對落石最大動能的影響圖

從圖2可以看出，落石質(zhì)量相同時，下落高度對其撞擊管道最大動能影響很小，可能是因為瀾滄江跨越管道左岸崩塌落石區(qū)坡度較小，落石在坡面的運動以滾動為主，其與斜面植被產(chǎn)生的摩擦力部分甚至完全抵消掉了重力的作用[12]；同一下落高度的情況下，落石撞擊管道最大動能與落石質(zhì)量幾乎呈線性關(guān)系，其表達(dá)式為：

式中EPM表示落石可產(chǎn)生的撞擊管道動能，kJ；m表示落石質(zhì)量，kg。

2 落石沖擊力作用下管道應(yīng)力數(shù)值模擬

2.1 管道強度校核標(biāo)準(zhǔn)

瀾滄江跨越段落石災(zāi)害頻發(fā)，管道同一部位可能反復(fù)受到落石沖擊，管道可能產(chǎn)生永久塑性變形，即落石對管道的沖擊效果會產(chǎn)生累積，難以確定跨越管道的失效載荷，因此將落石單次撞擊管道時產(chǎn)生的沖擊力作為管道是否失效的評判標(biāo)準(zhǔn)。通過研究發(fā)現(xiàn)，基于應(yīng)力的第四強度理論可以準(zhǔn)確反映材料發(fā)生屈服破壞的條件，即當(dāng)管道最小屈服強度小于因沖擊力產(chǎn)生的應(yīng)力時，可判斷管道在該沖擊力下產(chǎn)生了屈服破壞，處于危險狀態(tài)[13-14]，因此選擇第四強度理論作為瀾滄江跨越管道落石沖擊失效的判斷依據(jù)。

2.2 管道參數(shù)

瀾滄江跨越天然氣管道兩側(cè)均被固定，其約束形式為全約束；跨越管道中間每隔5 m安裝一個支架，限制其在YZ方向運動，其參數(shù)如表3所示。

表3 瀾滄江跨越天然氣管道參數(shù)表

2.3 建立模型

根據(jù)管道參數(shù)以及安裝結(jié)構(gòu)圖，在CAESAR II軟件中建立包含兩側(cè)地下管道與跨越管道的計算模型。

為了得到使應(yīng)力最大化的沖擊荷載位置，通過在W的不同位置加載同一荷載，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)位置為W左端，即管道模型中的節(jié)點599，由于節(jié)點599處存在約束，故施加荷載時將作用點右移1 m，如圖3所示。

圖3 沖擊力施加位置示意圖

2.4 落石沖擊下管道應(yīng)力分布

為了研究管道應(yīng)力與落石撞擊的關(guān)系，模擬不同質(zhì)量落石從不同高度落下撞擊管道產(chǎn)生的應(yīng)力情況，列舉出部分撞擊點應(yīng)力模擬結(jié)果，如表4所示。需要說明的是，CAESAR II軟件的計算結(jié)果僅能保證其在管材屈服極限內(nèi)的準(zhǔn)確性，當(dāng)管道產(chǎn)生的應(yīng)力超過其屈服極限后，僅能判斷管道失效。

由表4可以看出，超過1 500 kg的落石撞擊管道會使管道失效，而質(zhì)量為1 000 kg的落石則不會使管道發(fā)生失效，為保證管道安全，將質(zhì)量為1 000 kg的落石視為危險落石。

3 落石防治措施

根據(jù)瀾滄江跨越管道左側(cè)坡面地形以及落石運動軌跡，發(fā)現(xiàn)很適合安裝SNS柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)，因此選擇被動型SNS柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)對跨越管道進(jìn)行安全防護(hù)[15-17]。

3.1 落石防治措施及基本思路

為了保證管道的安全，首先建議將跨越區(qū)兩岸高陡邊坡上體積大于0.37 m3的可見落石予以清除，對于潛在危巖，采用SNS柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)。

為了減少落石沖擊作用對SNS防護(hù)網(wǎng)的影響，保證防護(hù)工作的有效性，同時盡量減少防護(hù)網(wǎng)的高度[18]，選擇將防護(hù)網(wǎng)安裝在落石能量及高度均較小的平緩坡面上。

3.2 落石防護(hù)網(wǎng)的布設(shè)

由于落石運動參數(shù)不僅決定著防護(hù)網(wǎng)的布設(shè)高度，同時也嚴(yán)重影響著防護(hù)網(wǎng)的工作效果，為了保證防護(hù)工作的有效性，需要對落石運動過程中的參數(shù)進(jìn)行模擬研究。

3.2.1 防護(hù)網(wǎng)長度

為了保證防護(hù)效果，防護(hù)網(wǎng)長度應(yīng)等于落石威脅區(qū)域范圍與跨越管橋?qū)挾龋╠）之和。落石威脅區(qū)域范圍大小由偏移比指標(biāo)（η）以及落石坡面運動距離（S）確定。由于瀾滄江跨越管道區(qū)域落石災(zāi)害頻發(fā)，將其視為一級危險性區(qū)域，取偏移比指標(biāo)η=0.3[19]。經(jīng)過模擬，落石在坡面上最大運動距離為S=250 m，故防護(hù)網(wǎng)長度L=2ηS+d=2×0.3×250+10=160 m，如圖4所示。

3.2.2 防護(hù)網(wǎng)高度

為了得到落石動能與彈跳高度間的關(guān)系，選擇L點作為初始點，對不同質(zhì)量落石的運動進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)以下兩個位置E點（250 m，1 225 m）和H點（208 m，1 274 m）落石彈跳高度和攜帶總動能同時最小的位置，為了保證攔截工作的有效性，根據(jù)落石運動情況以及現(xiàn)有防護(hù)網(wǎng)尺寸，在H點設(shè)置高度（h）為2 m的防護(hù)網(wǎng)，在E點設(shè)置高度（h）為4 m的防護(hù)網(wǎng)，利用RocFall軟件，添加防護(hù)網(wǎng)模型，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，防護(hù)網(wǎng)1上部有大量落石運動軌跡，但防護(hù)網(wǎng)1以下附近落石運動軌跡較少，說明防護(hù)網(wǎng)1對部分落石進(jìn)行了有效攔截，同時防護(hù)網(wǎng)2以下無落石運動軌跡，說明防護(hù)網(wǎng)2可以有效攔截防護(hù)網(wǎng)1無法攔截的落石，驗證了防護(hù)網(wǎng)布設(shè)高度和布設(shè)位置的有效及合理性。

表4 不同落石高度下的管道應(yīng)力計算結(jié)果表

圖4 防護(hù)網(wǎng)安全布設(shè)長度示意圖

圖5 防護(hù)網(wǎng)效果驗證圖

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1）瀾滄江跨越管道左岸落石質(zhì)量以及下落高度對落石撞擊管道位置影響很小，撞擊點分布在以跨越管道起點為起點，長度為13 m的范圍內(nèi)。

2）落石質(zhì)量對撞擊管道時落石攜帶的最大動能影響極其顯著，呈線性增長關(guān)系，落石下落高度的影響則微乎其微。

3）質(zhì)量超過1 000 kg的落石均可能對管道造成致命損壞，應(yīng)予以去除。

4）在對管道進(jìn)行落石防護(hù)措施時，應(yīng)根據(jù)落石運動軌跡、動能以及彈跳高度合理布設(shè)防護(hù)網(wǎng)，必要時，可進(jìn)行多層防護(hù)。

4.2 建議

1）未考慮落石形狀對沖擊作用的影響，不同形狀的落石可能在管道上產(chǎn)生不同的應(yīng)力分布情況，因此需要研究落石形狀對沖擊作用的影響。

2）只考慮了一次沖擊作用下管道失效的情形，但對于山區(qū)管道，可能遭受多次較小石塊的沖擊作用，在這種情況下，管道可能發(fā)生疲勞失效；同時，落石與管壁發(fā)生擦碰時，可能產(chǎn)生刮痕，使管道更容易發(fā)生腐蝕，從而導(dǎo)致管道失效，因此也需要防范較小落石的影響。