斷層作用下埋地管道力學(xué)響應(yīng)及變形特征

韓淑琳

（國能誠信招標(biāo)有限公司 北京 100161）

近年來，隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的加快，管道設(shè)施也逐步完善。地下管道是鋪設(shè)在地下用于輸送氣體、液體或者松散固體的管道，隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市中的供水、供氣、通訊、熱力、電力和排污等管網(wǎng)系統(tǒng)是城市的基礎(chǔ)設(shè)施，發(fā)揮著重要的輸送作用，也被稱為城市地下生命線工程。

實(shí)際工程中，管道不可避免的會出現(xiàn)缺陷或裂紋，使得管道發(fā)生斷裂，從而造成惡性事故[1-5]。楊光和谷凱[6]以城市高壓輸氣管道的安全性現(xiàn)狀為背景，建立了數(shù)學(xué)模型，對泄漏量及沖擊波損害半徑進(jìn)行了分析。周敏等[7]以埋地HDPE管道為研究對象，通過大尺寸模型試驗(yàn)，研究了地層沉陷對埋地管道變形及受力的影響。陳利瓊[8]以輸氣管道穿越滑坡地段為研究背景，采用了數(shù)值方法分析了管道的應(yīng)力分布規(guī)律并給出了建議措施。馮啟民和趙林[9]考慮了埋地管道與土體的相互作用，研究了大位移斷層作用下埋地管道的反應(yīng)特征。金瀏和李鴻晶[10]研究了逆斷層作用下埋地管道的屈曲行為并分析了其相應(yīng)的屈曲模態(tài)。

本文以位于斷層處的埋地管道為研究對象，通過數(shù)值分析方法，分析了斷層對埋地管道的應(yīng)力影響及破壞情況。

1 工程背景

潛江—韶關(guān)段輸氣管道工程，北起湖北省潛江市，南至廣東省韶關(guān)市。埋地管道穿越溶洞、溶腔、突泥、突水、涌水、斷層、可溶巖、斷裂及破碎帶等復(fù)雜地層，具有地質(zhì)復(fù)雜、山高路險(xiǎn)，坡陡溝深的特點(diǎn)。潛江—韶關(guān)地下管網(wǎng)工程，為天然氣輸氣管道，管道幾何尺寸為：半徑0.4 m，管道壁厚0.02 m，管道長度為10 m，管道埋深1.6 m。

以某一段斷層破碎帶為例，工程所在地區(qū)主要為粉質(zhì)土及石灰?guī)r，圍巖等級以Ⅳ級、Ⅴ級為主。埋地管道處存在斷裂破碎，斷層線傾角為45°，如圖1所示。

圖1 管道位置及斷層示意圖

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 模型建立

針對工程方案，建立三維有限元模型，為消除邊界條件影響，模型長10.0 m，寬為7.0 m，高為8.0 m，模型底面設(shè)置固定約束，并施加重力荷載，三維有限元模型見圖2。

圖2 有限元三維模型

采用Adina有限元軟件，Adina有兩種斷裂算法，分別是Rupture和Frature算法。本工程實(shí)例通過建立結(jié)構(gòu)地層和管道的三維Rupture模型，來模擬管道的破裂。

Rupture算法利用的技術(shù)是材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線圖，即當(dāng)結(jié)構(gòu)的材料應(yīng)變值超過規(guī)定的材料應(yīng)變值后，模型會自動刪除單元，從而模擬管道的破裂情況。

2.2 模型參數(shù)

土體采用修正摩爾-庫倫模型，該模型考慮了土體的雙硬化準(zhǔn)則，對于大體量的隧道、管道開挖較為適用。該模型主要強(qiáng)度參數(shù)為內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c及剪脹角ψ。c、φ值可依據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料并結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取值。

土體分為兩層，工程所在區(qū)存在斷裂破碎帶，土體斷層傾角為45°，每層土體的材料參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)統(tǒng)計(jì)

管道假定為彈塑性材料，其彈性模量可取E=200GPa ，泊松比μ=0.3，密度ρ=7800kg/m3，管道多線性塑性材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線見圖3。

圖3 管道材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

2.3 邊界條件與荷載條件

土層底部為固定約束，考慮到為使管道受到剪切作用的荷載而發(fā)生破壞，在管道的兩端施加固定約束，以模擬不利工況。

整個(gè)模型施工重力荷載，為模擬管道破壞，假設(shè)斷層沿傾角有較小的位移，從而施加位移荷載。其位移函數(shù)假定為隨時(shí)間線性增加的函數(shù)，斷層最大位移為1 m，函數(shù)圖像見圖4。

圖4 斷層位移函數(shù)圖像

3 計(jì)算結(jié)果分析

針對埋地管道的受力及變形進(jìn)行分析，埋地管道各時(shí)刻的應(yīng)力分布云圖及破壞情況如圖5所示，表2為各時(shí)刻下管道的計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)。

表2 埋地管道計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖5 斷層位移函數(shù)圖像

由圖5及表2計(jì)算結(jié)果可知：

（1）隨著斷層處位移的增大，管道中的應(yīng)力明顯增加，且管道的Z向位移增大；

（2）T=0.4時(shí)刻，埋地管道的應(yīng)變值超過材料限值，管道開始發(fā)生破壞；

（3）受斷層作用影響，管道的破壞位置基本在斷層滑移處。

隨著斷層處位移增大，管道翹曲現(xiàn)象越為明顯，T=1時(shí)刻，最小位移為0.002 m，最大位移為0.117 m。

4 結(jié)語

埋地管道時(shí)常出現(xiàn)斷裂或破壞現(xiàn)象，其設(shè)計(jì)參數(shù)合理與否直接影響到工程質(zhì)量，本文以斷層地段的輸氣管道為研究對象，研究了斷層作用下管道的受力及變形情況，主要結(jié)論有下：

（1）隨著斷層處位移增大，管道應(yīng)力增加，T=0.4時(shí)刻，管道材料應(yīng)變值超限，開始發(fā)生破壞現(xiàn)象；

（2）斷層處管道有明顯的翹曲現(xiàn)象，且隨著斷層位移的增大，管道翹曲現(xiàn)象越為明顯，最大位移為0.117 m，斷層破碎帶的存在，會對埋地管道造成嚴(yán)重的影響。

（3）受斷裂構(gòu)造影響，管道的破壞位置基本在斷層滑移處，工程建設(shè)應(yīng)避免在斷層破碎帶，埋地管道穿越斷層破碎帶時(shí)，需要采取相應(yīng)的保護(hù)措施。應(yīng)通過勘測與采樣，查明斷層破碎帶地貌特征與規(guī)模、地層巖性、構(gòu)造等，從而為工程建設(shè)創(chuàng)造基礎(chǔ)。