劉鵬1 李玉星1 張宇1 王子2 孫明源1

1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院； 2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸管道分公司

摘  要：長(zhǎng)輸管道敷設(shè)不可避免會(huì)經(jīng)過(guò)地形復(fù)雜的山區(qū)，各種地質(zhì)災(zāi)害會(huì)威脅管道的安全運(yùn)營(yíng)。復(fù)雜山區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害數(shù)值模擬是評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)管道安全與否的重要技術(shù)手段。以某山區(qū)輸氣管道滑坡災(zāi)害為例，基于Rhino軟件建立了三維管道滑坡災(zāi)害模型，結(jié)合FLAC 3D進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，模擬結(jié)果顯示了未來(lái)滑坡發(fā)育情況，得到了滑坡發(fā)育下的管道力學(xué)響應(yīng)，給出了管道可能的應(yīng)力集中位置，為現(xiàn)場(chǎng)采取針對(duì)性措施、保障管道安全運(yùn)行提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜山區(qū)；輸氣管道；滑坡災(zāi)害；數(shù)值模擬

我國(guó)輸氣管網(wǎng)規(guī)模大、分布廣，沿途地形和地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多樣，特別是山區(qū)管道會(huì)受到各種地質(zhì)災(zāi)害的威脅和侵害。輸氣管道通常采用高壓輸送，并且天然氣具有易燃易爆的特性，一旦發(fā)生事故，將對(duì)生命財(cái)產(chǎn)及能源供給造成重大危害[1]。近年來(lái)，由地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)的輸氣管道泄漏事故時(shí)有發(fā)生，使之成為管道管理的重點(diǎn)。在地質(zhì)災(zāi)害對(duì)管道的影響研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了大量科學(xué)研究[2-8]，但是現(xiàn)有研究大多是基于簡(jiǎn)化的管道地質(zhì)災(zāi)害模型，將管道抽象為梁模型，分析得到簡(jiǎn)化的地質(zhì)災(zāi)害下管道力學(xué)計(jì)算公式，通過(guò)開(kāi)展簡(jiǎn)化的直管道地質(zhì)災(zāi)害實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，得到在簡(jiǎn)化地質(zhì)災(zāi)害下的管道力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。而在實(shí)際工程中，管道的走向往往十分復(fù)雜，因而目前得到的地質(zhì)災(zāi)害下管道力學(xué)解析公式的計(jì)算結(jié)果不能夠反映整個(gè)災(zāi)害發(fā)育過(guò)程中的管道受力變化情況。數(shù)值模擬能夠準(zhǔn)確反映地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生過(guò)程中的管道受力變化情況，但是目前基于ABAQUS和ANSYS的有限元數(shù)值模擬軟件在三維管道地質(zhì)災(zāi)害建模方面難度很大，計(jì)算很慢，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間成本以及計(jì)算資源。因此，為了能夠快速、準(zhǔn)確、有效地評(píng)價(jià)復(fù)雜地質(zhì)災(zāi)害下的管道安全，提出了基于三維建模軟件Rhino建立三維管道地質(zhì)災(zāi)害模型，采用有限差分軟件FLAC 3D進(jìn)行求解計(jì)算的數(shù)值模擬方法，以期能夠相對(duì)快速地得到特定地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育下的管道受力變化，為地質(zhì)災(zāi)害下的管道安全防控提供重要技術(shù)支撐。

1 模型建立

復(fù)雜地形下的三維管道地質(zhì)災(zāi)害模擬一直是困擾數(shù)值模擬應(yīng)用于管道工程的難題，埋地管道與地質(zhì)災(zāi)害土體尺寸相差巨大，直接限制了模型網(wǎng)格劃分以及計(jì)算求解速度。以某山區(qū)管道滑坡災(zāi)害為例，開(kāi)展了三維管道地質(zhì)災(zāi)害數(shù)值模擬。該滑坡體的坡面傾角為10°～12°，從坡腳至坡頂共分為五級(jí)坡坎。坡體主要有①層新黃土（粉土為主，稍濕，松散，透水），②層新黃土（粉土為主,濕～很濕，稍密～中密，液性指數(shù)＞1.0，局部呈流塑狀態(tài)，透水）。該滑坡體為牽引式滑坡，滑面位于 第②層新黃土中，管道埋深2 m左右。黃土參數(shù)如下：第①層黃土：土體體積模量Κ＝65 MPa，內(nèi)聚力c＝14.5 kPa，密度ρ ＝1950 kg/m3，內(nèi)摩擦角φ＝22.5°，剪切模量G＝30 MPa；第②層黃土：土體體積模量Κ＝65 MPa，內(nèi)聚力c＝18.23 kPa，密度ρ＝1960 kg/m3，內(nèi)摩擦角φ＝20°，剪切模量G＝30 MPa。模擬管道鋼材為X70，彈性模量E＝210 GPa，泊松比μ＝0.3，密度ρ ＝7.98×103 kg/m3，最小屈服強(qiáng)度σ s＝4.85×108 Pa，運(yùn)行壓力P＝10 MPa，管道規(guī)格Φ＝1016 mm×28 mm。通過(guò)Rhino軟件，采用完全耦合的方式建立雙地層的埋地管道三維地質(zhì)模型，整體模型長(zhǎng)度400 m左右，寬度300 m左右，在管道位置處進(jìn)行局部加密，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格大小的平穩(wěn)過(guò)渡。由Griddle工具生成FLAC 3D網(wǎng)格，導(dǎo)入FLAC 3D設(shè)置單元屬性、邊界條件以及根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。通過(guò)數(shù)值求解計(jì)算，得到了滑坡發(fā)育過(guò)程中的土體變形以及管道力學(xué)響應(yīng)。三維地質(zhì)災(zāi)害模型如圖 1、圖 2所示。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 滑坡變形分析

FLAC 3D數(shù)值模擬滑坡發(fā)育過(guò)程，在管道應(yīng)力接近管材屈服應(yīng)力時(shí)停止計(jì)算，得到滑坡整體位移以及位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化如圖 3、圖 4所示�；�坡整體縱向位移呈現(xiàn)坡度大、位移大的基本規(guī)律。由于該滑坡上半部分坡度最大，故最大位移位于滑坡體上半部分，在管道局部應(yīng)力接近屈服極限時(shí)，滑坡體最大縱向位移下降可達(dá)8.65 m左右。在該滑坡中部位置，由于地下輸氣管道的存在，阻礙了滑坡土體的下滑，上部下滑土體在此發(fā)生堆積，該位置土體出現(xiàn)了隆起，地表縱向位移最大增加2.2 m左右，與此同時(shí)，管道也因此發(fā)生變形，管道應(yīng)力迅速增加。該滑坡區(qū)域布置的三處縱向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)都位于管道上部，在滑坡發(fā)育過(guò)程中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都先顯著減小，然后略微反彈，維持一段平穩(wěn)狀態(tài)，然后監(jiān)測(cè)位移迅速下降；在三處位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，粉色監(jiān)測(cè)點(diǎn)維持平穩(wěn)狀態(tài)最久，中間紅色監(jiān)測(cè)點(diǎn)后期縱向位移變化最劇烈。因此在工程實(shí)際中，當(dāng)三處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移迅速降低時(shí)，需要密切關(guān)注管道安全狀況，對(duì)該處滑坡管道采取緊急防護(hù)措施，防止管道發(fā)生損壞。

2.2 管道力學(xué)響應(yīng)

埋地管道在滑坡發(fā)育過(guò)程中的變形以及應(yīng)力響應(yīng)如圖 5、圖 6所示。從管道接近屈服應(yīng)力時(shí)的管道變形圖可知，在該滑坡發(fā)育過(guò)程中，穿過(guò)滑坡體的管道中間部位整體變形較為明顯，并且在其中的一些部位出現(xiàn)明顯應(yīng)變，應(yīng)變甚至達(dá)到0.1 m左右。此外，管道整體變形情況呈現(xiàn)非均一性，與直管道的拋物線形分布具有明顯差別，這是因?yàn)閷?shí)際工程管道走向復(fù)雜，管土相互作用也十分復(fù)雜，對(duì)于不同的滑坡都要具體問(wèn)題具體分析，很難一概而論。模擬過(guò)程中，在管道接近最小屈服應(yīng)力σs＝485 MPa 時(shí)停止求解計(jì)算，管道整體應(yīng)力處于250 MPa附近，但是管道局部最大應(yīng)力達(dá)到451 MPa左右，經(jīng)查找，管道最大應(yīng)力集中于滑坡邊界以及土層交界附近，但并不直接位于邊界上，同樣也需要針對(duì)具體滑坡災(zāi)害建立模型確定，不能一概而論。根據(jù)該滑坡模擬結(jié)果，可以得到滑坡發(fā)育過(guò)程中的位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化情況以及可能存在的管道損壞準(zhǔn)確位置，為該處管道地質(zhì)災(zāi)害的防控提供重要數(shù)據(jù)參考，可大大降低災(zāi)害治理的人力物力成本。

3 結(jié)論

提出了一種基于Rhino三維建模軟件建立的管道地質(zhì)災(zāi)害模型，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地形下三維管道地質(zhì)災(zāi)害的相對(duì)快速數(shù)值模擬，能夠?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害下的管道安全防控提供有力的技術(shù)支撐。通過(guò)實(shí)際工程滑坡案例模擬，得到了該地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育下埋地管道的應(yīng)力集中準(zhǔn)確位置，這便于現(xiàn)場(chǎng)人員采取針對(duì)性的治理措施來(lái)保證管道的運(yùn)行安全，減少人力物力的投入。此外還發(fā)現(xiàn)，在管道滑坡地質(zhì)災(zāi)害中，管道在穿越地層分界以及滑坡邊界附近由于位移不均，更容易導(dǎo)致管道產(chǎn)生應(yīng)力集中，是應(yīng)力監(jiān)測(cè)以及管道應(yīng)力安全校核重點(diǎn)位置，但是該位置并不嚴(yán)格位于邊界處，確定具體位置還得根據(jù)災(zāi)害區(qū)建立模型開(kāi)展數(shù)值模擬計(jì)算分析。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家重大研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目“油氣管道及儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)研究”， 2016YFC0802104。

作者簡(jiǎn)介：劉鵬， 1995年生，在讀博士生， 2018年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)獲得學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)主要從事天然氣管道安全研究工作。聯(lián)系方式： 17854227668，b18060022@s.upc.edu.cn。

通訊作者：李玉星，男，1970年生，教授，博士生導(dǎo)師， 1997 年博士畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣長(zhǎng)距離管輸技術(shù)方向的研究工作。聯(lián)系方式： 0532-86981818， liyx@upc.edu.cn。