EPS塊用于緩解滑坡區(qū)油氣管道應變效果研究

王東源，楊 建，譚秋霞

(中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

滑坡特別是淺層滑坡是輸油氣管道沿線分布較廣且對管道造成危害較多的災種之一，對管道的安全運營構成很大威脅。雖然目前遵循的設計規(guī)范中明確在線路選擇時應避開滑坡等地質(zhì)災害地段，但是由于地質(zhì)條件的復雜性和各種不可預知性的影響因素，造成線性工程的管道在我國特別是西南山區(qū)敷設時往往無法完全繞避上述地段[1-2]，短期內(nèi)可能無法改變管道面臨滑坡威脅的客觀事實。不管是在管道建設期還是運營期，當發(fā)生滑坡災害時，管道在滑坡推力直接作用下會因彎曲變形而產(chǎn)生顯著的附加應變，緩慢滑坡能夠?qū)е鹿艿来蠓秶鷱澢冃?，突發(fā)滑坡則造成管道瞬間失效[3-10]。管道的泄漏或破壞不僅能立即導致火災和爆炸，而且對環(huán)境也會產(chǎn)生長期的影響，造成巨大的社會反響和經(jīng)濟損失，例如與坡體移動均有關聯(lián)的中緬天然氣管道兩次泄漏燃爆較大事故(2017年7月2日和2018年 6月10日)在國內(nèi)造成了深遠影響。雖然滑坡對管道的致災過程和機理仍然是管道破壞和失效研究的難點所在，但是大量學者的研究[11-16]表明滑坡與管道作用方式中以橫向滑坡給管道帶來的危害最為嚴重，在分析管道受滑坡作用下的響應時，關鍵在于如何考慮土體與管道之間的互相作用。通過分析可以將管道與滑動土體的相互作用分為三個階段：第一階段中管道與土體一起運動無相對運動；第二階段在滑坡邊界處部分管道和土體將發(fā)生相對位移，管道開始受到土體的推力；第三階段是最危險的階段，管道和土體發(fā)生全面的相對位移，滑坡對管道的作用力和管道的變形達到最大值。

針對目前面臨的實際情況，輸油氣管道設計規(guī)范中規(guī)定當受到條件限制必須通過滑坡區(qū)域時，應選擇危害程度較小的位置通過并采取相應的防護措施。為了響應規(guī)范要求并切實保障滑坡區(qū)管道的安全，本文提出了一種可以有效緩解滑坡區(qū)油氣管道應變的防護措施，采用柔性材料聚苯乙烯泡沫塑料塊(Expanded Polystyrene，以下簡稱“EPS塊”)作為管溝回填料取代管溝回填土，可以大大降低管道的風險，防護效果較好。

1 緩解應變技術簡介

1.1 EPS塊減荷技術

EPS塊材料是一種熱塑性材料，又稱發(fā)泡聚苯乙烯，具有化學性質(zhì)穩(wěn)定、壓縮變形大、緩沖隔振等特點，國內(nèi)外廣泛應用于耗能減振工程中[17-22]。顧安全等[23]通過室內(nèi)試驗得出了EPS塊壓縮應力應變曲線(圖1)，變形期表現(xiàn)出彈性、塑形和硬化3個階段，即使進入塑性變形階段，其抗壓強度還是很大，處于彈性范圍的EPS幾乎沒有永久性的壓縮蠕變。

圖1 EPS板材的壓縮應力——應變曲線Fig.1 Compression stress-strain curve of EPS block

1.2 EPS塊設置位置

根據(jù)滑坡體滑動方向和輸油氣管道的空間關系，管道本體變形主要表現(xiàn)為拉伸、壓縮和(或)彎曲，管道本體應變極值會明顯出現(xiàn)在滑坡周界邊緣附近，因此EPS塊擺放在滑坡邊緣與管道交叉處時，其緩解管道應變的效果最好?？紤]到實際工程中滑坡邊緣不太容易準確確定，因此通過增加設置范圍以確保EPS塊設置區(qū)域包含滑坡邊緣區(qū)域。同時EPS塊的高度將根據(jù)防護管道的管徑來確定，以確保EPS塊能對管道整體起到保護作用，EPS塊放置在管溝替代自然土回填(圖2)。

圖2 滑坡區(qū)域油氣管道與EPS塊位置示意圖Fig.2 Pipeline and EPS block location in landslide area

2 應用效果分析

以西南山區(qū)某輸氣管道途經(jīng)的斜坡段為例，假設某時期發(fā)生滑坡事件，通過有限元方法建立管道與滑坡實體計算模型，可以分析設置EPS塊對于緩解滑坡地區(qū)油氣管道應變效果，同時可以分析不同密度效應下的緩解應變的規(guī)律，為實際工程提供最優(yōu)的EPS塊設計方案，分析中采用的EPS塊密度為15kg/m3(圖3)。

圖3 應用分析中采用的EPS板材Fig.3 EPS block used in application analysis

2.1 模型參數(shù)

某輸氣管道從滑坡體橫穿通過，管道受影響長度為150 m，管道通過部位滑坡滑面傾角約為30°，滑坡土體為粉質(zhì)黏土，平均坡度30°，管道和滑坡體主要參數(shù)見表1和表2。鋼管的應力-應變關系采用Ramberg-Osgood模型表示。

表1 管道基本參數(shù)Table 1 Pipeline parameters

表2 滑坡土體基本參數(shù)Table 2 Landslide parameters

利用有限元軟件建立管道與滑坡實體計算模型(圖4)，計算模型中采用Solid45實體單元模擬管道、土體和EPS塊，考慮到存在土體材料的非線性問題，采用DP模型表達土體本構關系，EPS塊考慮可壓碎泡沫材料的動態(tài)力學特性，采用接觸單元考慮管道與土體、管道與EPS塊、EPS塊與土體之間的接觸[25]。計算過程中對土體單元施加相應的位移模擬滑坡體的滑動距離，土體位移的施加方法主要有兩種，一種是通過有限元軟件主菜單中的函數(shù)編輯器和加載器來實現(xiàn)，另一種是使用APDL語言編程實現(xiàn)位移的施加。為便于后期的計算編輯和調(diào)試工作主要采用第二種方式即APDL語言編程實現(xiàn)位移的施加，采用50 mm的均勻位移步長直至達到4 000 mm的全部位移。為了消除邊界效應的影響，穩(wěn)定土體中管道長度至少取滑坡寬度的五倍，并對管道末端視為固定端施加全約束，實際參與計算的有限元模型中建立的管道長度(3 000 m)遠遠大于5倍滑坡寬度(750 m)，計算模擬時通過逐步施加滑坡體位移來模擬土體的滑動。考慮到網(wǎng)格的劃分對計算收斂和結(jié)果精度的影響，分析中對有限元模型進行網(wǎng)格敏感性分析以確定合理的網(wǎng)格劃分尺寸，土體移動區(qū)域以及移動土體和靜止土體之間的過渡區(qū)使用了更為細密的網(wǎng)格，剩余模型長度上采用了較粗的網(wǎng)格。計算時考慮大變形問題，打開大變形設置進行非線性分析。

圖4 設置EPS塊埋地管道有限元模型Fig.4 Finite element model of EPS block buried pipeline

2.2 EPS塊防護效應

分析過程中，在同一荷載步上施加重量和壓力，此后再施加地面位移荷載，采用50 mm的均勻位移步長直至達到4 000 mm的全部位移，求解過程中如果模型達不到平衡，可以減小位移增量并進行自動調(diào)整。在相同滑坡位移量(推力)作用下，通過對正常管溝回填的工況和采用EPS塊替代自然回填土的工況進行計算對比分析，結(jié)果(圖5)表明管道最大應變值由1.9%降低到1.3%，減小約32%的管道應變。

圖5 不同工況下的管道應變云圖Fig.5 Pipe strain diagrams for different conditions

為進一步得到EPS塊防護效果的有效性，對管徑D914 mm、壁厚15.9 mm和管徑D1016 mm、壁厚16.1 mm兩種工況下的管道進行同樣的對比計算分析，結(jié)果表明(圖6)兩種管徑、壁厚工況下在正常管溝回填和采用EPS塊替代自然回填土的情況下，管道最大應變值均得到不同程度的緩解降低，分別由2.33%和2.11%降低到1.61%和1.52%，減小約31%和28%的管道應變。因此對于上述分析的不同管徑和壁厚的管道， EPS塊可以減小管道應變范圍為28%-32%。

圖6 兩種工況下不同管徑的管道應變影響趨勢圖Fig.6 Trend graph of pipeline strain effect under two conditions of different pipe diameters

通過對比分析2種工況下的管道應變規(guī)律和管道變形形狀的影響(圖7)，得出EPS塊緩解滑坡區(qū)管道應變的防護效果，與正常的管溝回填相比地表位移地段采用EPS塊可以減小管道的應變值，由于采用EPS塊的剛度不足正?；靥钔恋?0%，因此造成管道曲率半徑更大，彎曲變形幅度降低，應變值更低，管道所受的附加應力值更低。

圖7 兩種工況下對管道變形形狀的影響對比圖Fig.7 Comparison of the influence of the two conditions on the deformation shape of the pipeline

2.3 EPS塊不同密度效應

對于EPS塊而言初始密度是其重要的力學性能指標之一，工程中采用不同初始密度的EPS塊對于緩解滑坡區(qū)管道應變的效果和能力也不相同。為了得到滑坡區(qū)管道應變對不同初始密度塊的響應規(guī)律，選取了目前工程中常用的4種密度塊(12kg/m3、15kg/m3、21kg/m3、27kg/m3)進行計算分析。分析結(jié)果(圖8)表明，四種初始密度塊緩解管道應變的效果存在較明顯的差異，隨著EPS塊初始密度的增大，其緩解管道應變的能力和效果在降低，初始密度較小的塊材對滑坡位移造成的管道應變緩解能力和效果最好，因此在實際工程中對于EPS塊的選用原則應該是選用初始密度較低的塊材。另外，當土體位移量超過3 m時,EPS塊材料的變形期進入硬化階段，材料的壓縮變形較小，緩沖隔振效果降低，此時隨著土體位移的持續(xù)增加，管道的最大應變快速上升。

圖8 管道應變對不同初始密度塊的響應規(guī)律Fig.8 Response of pipeline strain to different initial density blocks

2.4 EPS塊不同厚度效應

不同厚度的EPS塊對滑坡位移產(chǎn)生的管道應變緩解效果不同，其厚度是影響緩解管道應變的重要指標。為了得到EPS塊不同厚度下的管道應變響應規(guī)律，選取8種厚度(分別為0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m、2.0 m)的EPS塊，在D914 mm和D1219 mm兩種管徑下進行計算分析，2種管徑下的分析結(jié)果(圖9)表明，不同密度下的EPS塊，其對管道應變的緩解能力均表現(xiàn)出隨著EPS塊的厚度增加而增強。當EPS塊厚度增大到一定厚度時，其緩解管道應變的能力減弱并趨于平直，說明此時再增加EPS塊厚度其緩解效果不再明顯。對于D914 mm管徑而言最優(yōu)的EPS塊厚度約為0.9-1.0 m ，而對于D1219 mm管徑而言最優(yōu)的EPS塊厚度約為1.0 m-1.2 m。因此EPS塊厚度的選取與管徑有關，實際工程中應根據(jù)管徑選取，總體而言選取與管徑相近的厚度其緩解應變的效果最好。

圖9 EPS塊不同厚度和不同管徑下的管道應變響應規(guī)律Fig.9 Pipe strain response law of EPS block with different thickness and different diameter

3 結(jié)論與建議

為響應輸油氣管道設計規(guī)范的要求并切實保障滑坡區(qū)管道的安全，針對管道遭受滑坡位移的受力特征，提出采用EPS塊柔性材料作為管溝回填料取代管溝回填土以緩解滑坡區(qū)油氣管道應變的防護措施。通過建立滑坡區(qū)油氣管道相互作用模型，對本防護措施效果進行了分析研究，得出以下主要結(jié)論和建議：

(1)由于EPS塊的剛度不足正?；靥钔?0%，當采用EPS塊取代管溝回填時，可使管道的曲率半徑更大、應變值更小，因此管道所承受的附加應力值更低。EPS塊應用在滑坡地段的管道防護中，與正?；靥罘绞较啾龋谕然挛灰茥l件下可以減小約28%-32%的管道應變，防護效果較明顯，可提高滑坡區(qū)管道抵抗滑坡位移的變形能力，從而有效保障輸油氣管道的安全性。

(2)對于同種EPS塊而言，隨著初始密度的增大，其緩解管道應變的能力和效果在降低，采用初始密度較小的塊材可以有效緩解滑坡位移造成的管道應變，實際工程中建議選用初始密度較低的塊材。EPS塊厚度的選取與管徑有關，實際工程中應根據(jù)管徑選取，選取與管徑相近的厚度其緩解應變的效果最好。

(3)雖然本文分析了使用EPS材料緩解滑坡區(qū)管道應變的有效性，但是由于實際工程中滑坡區(qū)段的參數(shù)較為復雜，并且很難準確確定滑坡邊緣與滑坡段載荷條件，因此后期需要開展更多的影響因素分析工作，考慮滑坡段長度、滑坡段載荷以及土壤性質(zhì)等參數(shù)對于EPS材料緩解作用的影響規(guī)律，從而給出工程可參考的EPS塊設置方案。