滑坡對埋地天然氣管道的作用機(jī)理分析

彭善碧，廖 文，徐明軍,Tom Iseley，John Matthews

(1.西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 成都 610500;2.塔里木油田克拉油氣開發(fā)部，新疆 塔里木 841000；3.美國路易斯安那理工大學(xué)非開挖技術(shù)中心，美國 路易斯安娜州 71270)

0 引言

作為五大運輸方式之一，管道是天然氣輸送的重要生命線工程。但隨著天然氣工業(yè)的不斷發(fā)展，天然氣管道不可避免地穿越不良地質(zhì)地段，如西氣東輸管道、川氣東送管道等所經(jīng)過的部分地域地質(zhì)條件就異常惡劣。另一方面，由于超量開發(fā)土地、草原、森林和水資源，加速了水土流失、土地沙化等災(zāi)害的發(fā)展，滑坡災(zāi)害導(dǎo)致的管道事故也隨之增多(表1)。美國PHMSA(the United States Department of Transportation Pipeline and Hazardous Material Safety Administration)統(tǒng)計了1991～2014年自然災(zāi)害造成的管道事故，除溫度、閃電和不明原因外，山體滑坡約占自然災(zāi)害的54%，占管道失效總數(shù)的1.8%[1]。

管道事故不僅會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境破壞，有時甚至?xí)斐蓯毫拥纳鐣绊?如2015年深圳市光明新區(qū)西氣東輸二線管道爆炸事故)。因此，研究滑坡土體管土相互作用，分析滑坡災(zāi)害下管道的破壞行為，對于油氣管道的完整性管理具有重要意義。本文從管土相互作用模型、分析方法、未來發(fā)展趨勢三個方面做一個系統(tǒng)總結(jié)。

表1 滑坡造成的管道事故[2-4]

1 滑坡作用下管道的破壞行為

埋地管道穿越滑坡區(qū)時，管道的破壞行為與管道與滑坡區(qū)的夾角有關(guān)[5]。當(dāng)管道與滑坡方向垂直時(橫向滑坡)，管道主要受到彎曲應(yīng)力(圖1a)。當(dāng)管道與滑坡方向平行或存在一定傾角時(縱向滑坡)，管道一端受到彎曲應(yīng)力和壓應(yīng)力，另一端受到彎曲應(yīng)力和拉應(yīng)力(圖1b，圖1c)。

圖1 管道的破壞行為與傾角有關(guān)[5]Fig.1 The destructive behavior of pipeline is related to inclination

2 管土相互作用

埋地天然氣管道和周圍土體的相互作用十分復(fù)雜，土體既是作用在管道上的載荷，又是增強管道強度和剛度的介質(zhì)，研究埋地天然氣管道在潰散性滑坡作用下的力學(xué)行為，必須考慮管土間的相互作用[6]。

滑坡時，周圍土體對埋地天然氣管道將分別產(chǎn)生水平作用(Horizontal)、軸向作用(Axial)和豎向作用(Vertical)(圖2)。

圖2 管土相互作用的受力方向Fig.2 The force direction of soil interaction

管土相互作用研究的實質(zhì)就是分析三維空間(V，H，N)中的應(yīng)力應(yīng)變情況，為了簡化研究，主要在V-H，V-N和H-N三個平面上分別討論。

(1)V-H平面上的管土相互作用

目前國際上針對V-H平面上的管土相互作用已有大量試驗和數(shù)值模擬研究(圖3)，圖中α是管道受力方向與水平方向的夾角，當(dāng)α=0°時，管道只有水平方向受力(如橫向滑坡)，當(dāng)α=90°時，管道只受豎直方向力。許多學(xué)者通過對管道施加水平方向(H方向)的位移載荷，進(jìn)行位移控制條件下的管土小規(guī)模試驗，得到水平方向加載力與位移之間的關(guān)系曲線和管土相互作用機(jī)理[7-15]。也有一些學(xué)者通過數(shù)值模擬來研究水平方向力作用下管土之間的相互作用[16-22]。針對管道受豎向作用力時的管土相互作用，也有一定研究，分析豎直方向作用力與管道位移的關(guān)系[8-9,16,23-25]。

圖3 天然氣管道在V-H平面上的受力簡圖Fig.3 Schematic diagram of a natural gas pipeline on a V-H plane

通過追蹤廣義的應(yīng)力路徑，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)V方向與H方向上的力具有相互作用，但是目前實際工程中都還沒有考慮V方向與H方向上力的耦合作用[17,19,26]。

(2)V-N平面內(nèi)的管土相互作用

如前所述，一些學(xué)者分別研究了管道僅受豎向作用力[8,16,24-25]、軸向作用力[14,27]時的管土相互作用，但這兩個方向上的相互作用還未被完全證實。DI PRISCO C等[19]發(fā)現(xiàn)，對于松散顆粒土體來說，豎直方向(V方向)上的最大作用力與軸向力(N方向)關(guān)系不大。

(3)N-H平面內(nèi)的管土相互作用

對于N-H平面的受力分析，PHILLIPS等[28]研究了黏土中軸向-水平方向上的管土相互作用，發(fā)現(xiàn)軸向土載荷增加了管土相互作用。HSU等[29]通過對埋在密砂中的管道中施加傾斜位移發(fā)現(xiàn)，N方向與H方向上受力有相互影響，但對于松砂中的管道沒有發(fā)現(xiàn)這種相互影響。Daiyan等[21]也發(fā)現(xiàn)水平方向上與軸向上的力相互影響。

3 分析方法

滑坡作用下管道穩(wěn)定性的研究方法主要有解析法，數(shù)值模擬法和試驗法三大類。解析法的計算方法簡單，忽略管土相互作用，已被許多管道抗震設(shè)計規(guī)范采用，如ASCE(1984)[30]、ALA(2001)[31]，PRCI(2009)[32]等。數(shù)值模擬法主要采用有限元模型模擬管道在滑坡作用下的受力情況，可以考慮管土作用的非線性。試驗法最接近實際工況，但成本較高。

3.1 解析法

埋地管道設(shè)計時考慮回填土的重量、管道埋深、土壓力系數(shù)、土壤內(nèi)摩擦角等因素，假設(shè)管道外表面所受摩擦阻力與作用在管道上的應(yīng)力和摩擦特征相關(guān)，忽略管土相互作用。這這種方法被許多管道抗震設(shè)計規(guī)范采用。表2為目前具有代表性的解析方法總結(jié)。

另外CHALLAMEL等[38]基于動力學(xué)提出了一個滑坡下管土失效機(jī)理的簡化分析方法，將縱向滑坡和管道視為一個整體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性為與滑坡管道幾何參數(shù)和管道材質(zhì)相關(guān)的無量綱參數(shù)，并且管道幾何形狀是影響管道變形的主要因素。

表2 解析法總結(jié)

雖然解析法具有計算簡單，工程應(yīng)用方便等優(yōu)點[2]，但大量的研究表明，管道軸向拉伸試驗結(jié)果和解析計算值間存在較大誤差[10,14,34,39]。

3.2 數(shù)值模擬法

隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬方法在分析管道在滑坡作用下的力學(xué)響應(yīng)中得到了廣泛應(yīng)用。國外學(xué)者對滑坡作用下的埋地管道動力響應(yīng)研究較少，主要集中在地層變形的影響上(表3)。近年來，國內(nèi)學(xué)者對滑坡作用下的埋地管道動力響應(yīng)有一定的數(shù)值模擬研究，但也存在一定的局限(表4)。

表3 數(shù)值模擬方法總結(jié)(國外)

表4 數(shù)值模擬方法總結(jié)(國內(nèi))

其中馬津津[42]基于Abaqus研究了埋地天然氣PE管在占壓和橫向滑坡復(fù)雜荷載下的管道—土體應(yīng)力、位移分布，通過施加土體4次多項式位移荷載，計算管道和土體位移和應(yīng)力分布，基于PE管失效準(zhǔn)則，計算出滑坡寬度和管道屈服點最大位移Umax的關(guān)系，并分析了管道參數(shù)和滑坡參數(shù)對管道最危險點MISE應(yīng)力隨Umax變化的影響，及對屈服時Umax的影響。研究表明滑坡中點管道所受應(yīng)力最大，另外一個應(yīng)力極值點處于管道彎曲處。當(dāng)外載荷較小時管道起拱線的應(yīng)力略大于管頂和管底點應(yīng)力，當(dāng)遠(yuǎn)小于PE管的屈服應(yīng)力，當(dāng)外載荷較大時，管底應(yīng)力最大，即為最危險點。張會遠(yuǎn)等[46]將垂直于滑坡走向管道簡化為當(dāng)量軸力作用下的梁模型，基于土體winkler地基假設(shè)，即土體為縱向分離彈簧互不影響，管道軸向抗力符合雙線性假設(shè)，對埋地天然氣管進(jìn)行了力學(xué)分析，基于彈性力學(xué)推導(dǎo)了管道于當(dāng)量軸力下的撓度和彎矩分布，并用FLAC3D進(jìn)行了模型驗證。趙瀟等[47]基于Abaqus分析了沿斜坡敷設(shè)埋地輸氣管道于不同斜坡角度和坡長的應(yīng)力極值分布，當(dāng)坡度處于20°～30°時，斜坡長度越長，管道極值應(yīng)力越大。陳利瓊等[48]基于有限元分別用ANSYS和Cersar Ⅱ分析了無滑坡作用和橫向和縱向滑坡對管道的作用響應(yīng)，分析了滑坡作用下其位移荷載、埋深、管材、內(nèi)壓對管道最大mise應(yīng)力的影響，但并未說明其確切屈曲點的位置。李杭杭[49]通過DEM和FEM耦合，采用顆粒-結(jié)構(gòu)單向耦合的方式，考慮了巖土的離散性，采用擋土墻撤出方式，重力驅(qū)動分析橫向滑坡中管道的位移和應(yīng)力分布，假設(shè)土壤推力為均布力，并忽略了管道的軸向受力和變形，這對管道強度失效判據(jù)有一定影響。

3.3 試驗法

試驗研究方面，國外學(xué)者主要對地震作用下的管道力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了大量試驗研究，對滑坡作用下埋地管道力學(xué)響應(yīng)研究較少。一些研究結(jié)構(gòu)還開展了全尺寸試驗或田野試驗，如康奈爾大學(xué)[8]，冷海資源工程中心[10]，皇后大學(xué)[50]和英屬哥倫比亞大學(xué)[13]等。由于滑坡土體一般體積較大，考慮到全尺寸模型構(gòu)建和實驗的困難，目前多采用土工離心機(jī)實驗構(gòu)建加速場通過實驗室模型來模擬實際滑坡作用下管道的受力情況。Hadi Farahi Jahromi等[51]基于Iai[52-53]的方法將工程原型參數(shù)轉(zhuǎn)化為實驗室模型參數(shù)，進(jìn)行了相似性分析，重點分析了管道埋深對管道變形和滑坡響應(yīng)的影響，研究表明管道的存在對滑坡土壤的位移幾乎沒有影響，驗證了將管道應(yīng)變視為滑坡土壤位移的合理性。現(xiàn)在可通過土工離心試驗機(jī)來構(gòu)建加速場以放大實驗室模型參數(shù)，如Weiyuan Zhang I Amin Askarinejad通過離心試驗機(jī)，基于Audibert JM, Nyman KJ提出的水平地面下受拉管道極限力qu，推導(dǎo)了滑坡作用下位于失效面管道的極限力qus。

國內(nèi)對埋地管道在滑坡作用下的力學(xué)性能有一定研究，林冬等[54]采用人工堆積的方法構(gòu)建了管道全尺寸滑坡模型，研究滑坡對管道力學(xué)的影響實驗，發(fā)現(xiàn)前緣臨空條件和地下水條件是影響管道滑坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。劉金濤[55]進(jìn)行了管道橫穿滑坡相互作用大尺度模型試驗，得到了試驗不同階段滑坡的變形特點、應(yīng)力與變形間的相互關(guān)系。但未考慮管道埋深、管道直徑、滑坡寬度、滑坡帶深度的影響。牛文慶等[56]在滑坡體前、中、后部不同部位布設(shè)管道進(jìn)行模型試驗，研究了管道與滑坡正交情況下不同部位管道的受力與變形情況(表5)。Feng wenkai等[57]通過逐步開挖滑坡土體前方擋土墻的方式(重力驅(qū)動)，進(jìn)行全尺寸管土作用實驗，分析了管道應(yīng)力應(yīng)變隨土壤變形的過程，得出經(jīng)驗公式，研究表明管道應(yīng)力和變形沿管線呈馬鞍型分布。

表5 試驗法總結(jié)Table 5 Summary of experimental methods

目前主要通過上述3種方式分析滑坡作用下埋地天然氣管的應(yīng)力應(yīng)變，管道的強度設(shè)計準(zhǔn)則分為基于應(yīng)力或者應(yīng)變兩種方式，通過對管土的受力分析并基于管道失效準(zhǔn)則的極限應(yīng)力和極限應(yīng)變來判斷管道是否處于安全應(yīng)力狀態(tài)，通過對滑坡、管道的參數(shù)分析，擬合計算一定滑坡參數(shù)下管道最危險點(應(yīng)力最大點)或最大界面變化率作為管道失效判據(jù)。通?；聦艿赖奈ｋU評價是基于不同的數(shù)學(xué)方法來構(gòu)建評價模型對其危害進(jìn)行定性或者定量的評估，如張滿銀等[61]提出了一種基于云理論的滑坡作用下油氣管道危險綜合評價方式，冼國棟等[62]對管道危害影響因素分析，確定評指標(biāo)因子，通過樣本統(tǒng)計分析，計算其災(zāi)害影響因子敏感性。Juan Pablo Alvarado-Franco等[63]提出了一種定量評估方法，將所需考慮模型參數(shù)定義為不同概率密度函數(shù)，通過蒙特卡洛模擬估計每個點滑坡發(fā)生和管道失效概率，并用語言尺度將這些概率映射到危險暴露水平。

4 未來發(fā)展趨勢

4.1 非線性管材在滑坡作用下的力學(xué)響應(yīng)

近年來，聚乙烯(Polyethylene，以下筒稱PE)管在城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛。與鋼管相比，PE管具有經(jīng)濟(jì)性好、防腐蝕、柔韌性好、易于維修、使用使命長等優(yōu)點[59]。由于沒有合適的管土作用模型來分析PE管，通常采用鋼管的管土相互作用模型去分析PE管。但塑料管的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是非線性的，并與材料和溫度相關(guān)，采用鋼管材料的線彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系去分析PE管的管土作用會存在很多局限。因此，非線性管材在滑坡作用下的力學(xué)響應(yīng)需要進(jìn)一步的研究。

4.2 全尺寸模型試驗

全尺寸模型試驗是分析管土復(fù)雜相互作用的有效途徑。但縱觀目前國內(nèi)外已經(jīng)開展的滑坡作用下管道力學(xué)響應(yīng)試驗，目前僅有非常少的幾例大型試驗，且考慮的影響因素還非常有限。且國內(nèi)還沒有針對埋地PE管的全尺寸模型試驗。因此，針對滑坡作用下的埋地天然氣管道進(jìn)行全尺寸模型試驗研究，對保證埋地天然氣管道的安全運行具有重要意義。目前多采用土工離心機(jī)來模擬進(jìn)行參數(shù)放大以模擬全尺寸實驗，通過構(gòu)造加速場能有效定量分析管道于滑坡作用下的真實應(yīng)力情況，從而為管道完整性管理提供一定的參考基礎(chǔ)。