山區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用
來(lái)源:《管道保護(hù)》雜志 作者:鄭磊;鄧豐林;馬燁;劉偉;張婷 時(shí)間:2021-1-20 閱讀:
鄭磊 鄧豐林 馬燁 劉偉 張婷
國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道公司蘭州輸油氣分公司
摘 要:為實(shí)現(xiàn)管道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防性監(jiān)測(cè)與預(yù)警,從管道沿線地域環(huán)境出發(fā),探討了地質(zhì)災(zāi)害主要影響因素及致災(zāi)形式、管道受災(zāi)后的漸變特征和管道失效力學(xué)判據(jù),提出地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)與預(yù)警在理論及技術(shù)上的可行性。選址布設(shè)管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng),經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明,能夠監(jiān)測(cè)管道應(yīng)力應(yīng)變以及管道周邊地層蠕變情況,為管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的前期監(jiān)測(cè)與預(yù)警提供了可能。
關(guān)鍵詞:油氣管道;地質(zhì)災(zāi)害; 滑坡;力學(xué)判據(jù); 預(yù)防性監(jiān)測(cè)預(yù)警
隨著油氣管道里程的逐年增加,沿線人類工程活動(dòng)擾動(dòng)和自然環(huán)境突發(fā)事件的頻繁發(fā)生,管道地質(zhì)災(zāi)害已呈多發(fā)態(tài)勢(shì),管道運(yùn)行安全與沿線地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)之間的矛盾日益凸顯,近年來(lái),國(guó)內(nèi)發(fā)生多起由于山體滑坡造成的管道損毀事件。西南山區(qū)管道沿線地質(zhì)、地貌和水文條件復(fù)雜,崩塌、泥石流、水毀、黃土陷穴、不穩(wěn)定斜坡等地質(zhì)災(zāi)害較為活躍,尤其不穩(wěn)定斜坡出現(xiàn)滑坡的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較高,對(duì)管道安全運(yùn)營(yíng)威脅較大。為了管控地災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、確保管道安全,建設(shè)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系勢(shì)在必行。
1 管道地質(zhì)災(zāi)害及監(jiān)測(cè)預(yù)警原理
1.1 主要地質(zhì)災(zāi)害及致災(zāi)形式
管道地質(zhì)災(zāi)害主要影響因素有地質(zhì)因素、氣象條件、人類工程活動(dòng)、風(fēng)化侵蝕及地震等。
常見地質(zhì)災(zāi)害主要包括滑坡和水毀,前者會(huì)造成管道剪切破壞、拉伸破壞和壓覆破壞;后者會(huì)使管道外露、懸空、漂管以及導(dǎo)致水工設(shè)施破壞等。
1.2 地質(zhì)災(zāi)害的漸變特征
延緩發(fā)育性管道地質(zhì)災(zāi)害具有明顯的“因果型災(zāi)害鏈”,只要能夠掌握致災(zāi)體與承災(zāi)體之間的因果聯(lián)系,就有可能及時(shí)預(yù)警,提前采取治理措施。圖 1以致災(zāi)體與承災(zāi)體之間的關(guān)系,描述了管道地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的演變過(guò)程。
管道地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生是由于致災(zāi)體的變形、失穩(wěn)而導(dǎo)致的管道應(yīng)力集中和管體變形,最終管體應(yīng)變超出許用范圍,使得管道發(fā)生彎曲變形、管體失效。由于管道力學(xué)分析模型理論相對(duì)較為完善,只要建立了合理的管道力學(xué)模型,摸清管道變形、失效的臨界應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù),便可準(zhǔn)確定量描述災(zāi)害條件下管道的臨災(zāi)力學(xué)狀態(tài),進(jìn)而為管道災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)提供可能性。
1.3 管道應(yīng)力判據(jù)
管道受外界荷載時(shí),管體自身應(yīng)力隨之增加,管道變形處于彈性區(qū)間時(shí),受約束管道的強(qiáng)度應(yīng)同 時(shí)滿足兩個(gè)條件。一是管道軸向應(yīng)力之和不高于0.8σs(σ s為管道標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度);二是當(dāng)管道軸向應(yīng)力之和為負(fù)值時(shí),管道組合當(dāng)量應(yīng)力不高于0.9σs。應(yīng)力滿足這兩個(gè)指標(biāo),管道不會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中破壞。
2 預(yù)防性監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)布設(shè)
2.1 布設(shè)基本原則
(1)以承災(zāi)體管道管體的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)為主,致災(zāi)體地表位移、雨量監(jiān)測(cè)為輔,綜合判斷管道地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生及災(zāi)害情況。
(2)實(shí)現(xiàn)災(zāi)前預(yù)警,以較小代價(jià)或者零代價(jià)換取管道長(zhǎng)久安全,使災(zāi)害治理成本降到最低。
(3)實(shí)現(xiàn)管道地質(zhì)災(zāi)害長(zhǎng)時(shí)間、全方位監(jiān)測(cè),避免短期監(jiān)測(cè)不連續(xù)和單一性缺陷。
2.2 布設(shè)案例
2019年,在甘肅境內(nèi)管道風(fēng)險(xiǎn)較高的不穩(wěn)定斜坡區(qū)域?qū)嵉乜辈旌,在蘭成渝管道K004+400米段選址安裝了地表位移、應(yīng)力應(yīng)變、雨量檢測(cè)三類自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備。結(jié)合管道地質(zhì)災(zāi)害普查對(duì)監(jiān)測(cè)工作進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘和復(fù)核,對(duì)該處高風(fēng)險(xiǎn)不穩(wěn)定斜坡開展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
2.2.1 工程概況及區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)
蘭成渝管道K004+400米管段斜穿7米寬溝道,以大開挖方式通過(guò)溝道右岸斜坡進(jìn)入斜坡上側(cè),斜坡坡度約45°~60°,斜坡高60米。管道上坡后沿斜坡橫向鋪設(shè),鋪設(shè)長(zhǎng)度約150米,距離斜坡邊沿距離約5米。管道穿越的河道為排洪溝,四周山體雨水匯集后通過(guò)該河道進(jìn)行排洪,下雨時(shí)河道內(nèi)水流較大。此外,在管道通過(guò)高速公路的兩個(gè)橋墩處,暴雨時(shí)容易發(fā)生回流,會(huì)沖刷溝底,可能引起邊坡失穩(wěn)誘發(fā)滑坡,危及在斜坡上方橫向鋪設(shè)的管道安全。
2.2.2 監(jiān)測(cè)方案及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置
(1)斜坡體地表位移監(jiān)測(cè)方案。在管道通過(guò)沖溝兩側(cè)斜坡段布置地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)GNSS(GlobalNavigation Satellite System,全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)),對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平方向和垂直方向的位移開展自動(dòng)測(cè)量。通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將同一時(shí)刻的GNSS基準(zhǔn)站及GNSS監(jiān)測(cè)站的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心,由專業(yè)變形監(jiān)測(cè)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)解算處理,得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)的毫米級(jí)坐標(biāo)值。
(2)管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)方案。在管道本體潛在剪切處、管道轉(zhuǎn)角應(yīng)力集中處采用應(yīng)變計(jì)對(duì)管道的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
(3)雨量監(jiān)測(cè)方案。應(yīng)用雨量計(jì)對(duì)斜坡監(jiān)測(cè)區(qū)域的降雨情況進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。通過(guò)實(shí)時(shí)采集區(qū)域降水量,為綜合分析斜坡體變形發(fā)展趨勢(shì),提供數(shù)據(jù)支撐。
(4)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置。在存在形變斜坡坡腳上方、坡頂各設(shè)置1個(gè)管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)站,共布設(shè)2個(gè)(圖 2)。在坡頂沿斜坡方向布設(shè)2座GNSS監(jiān)測(cè)站,在坡體外穩(wěn)定區(qū)域布置1座地表位移基準(zhǔn)站和1個(gè)雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站,構(gòu)成1條監(jiān)測(cè)剖面(圖 3)。
2.2.3 系統(tǒng)組成及監(jiān)測(cè)頻率
蘭成渝管道K004+400米段自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要組成設(shè)備清單如表 1所示。報(bào)警狀態(tài)分別為正常級(jí)、關(guān)注級(jí)、警示級(jí)、警報(bào)級(jí),自動(dòng)監(jiān)測(cè)頻率依次為4.0次/h、2.0次/h、 1.0次/h、 0.5次/h。
2.2.4 數(shù)據(jù)傳輸及預(yù)警閾值
所 有 監(jiān) 測(cè) 數(shù) 據(jù) 均 采 用 無(wú) 線 傳 輸 方 式 , 利 用GPRS/4G網(wǎng)絡(luò)作為主信道進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸;同時(shí)將北斗衛(wèi)星通信作為備用信道。所有原始數(shù)據(jù)直接上傳 指定服務(wù)器,通過(guò)部署于服務(wù)器上的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解算。自動(dòng)監(jiān)測(cè)初始閾值設(shè)置參照表 2。
2.3 數(shù)據(jù)采集情況
目前,已在蘭成渝管道、蘭成管道、蘭鄭長(zhǎng)管道干線和支線管道災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域共布設(shè)17處預(yù)防性監(jiān)測(cè)點(diǎn),每處監(jiān)測(cè)點(diǎn)均包括管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、地表位移監(jiān)測(cè)及降雨量監(jiān)測(cè)等,初步形成甘肅區(qū)域管道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防性監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)。監(jiān)測(cè)到關(guān)注級(jí)預(yù)警20多次,成功消除各類中、小型地質(zhì)災(zāi)害隱患30多處,預(yù)先避免了管道地質(zhì)災(zāi)害的惡化及發(fā)生。
3 效果評(píng)價(jià)
(1)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)預(yù)警。預(yù)防性監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)管道地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn),發(fā)出預(yù)警,提前預(yù)防及治理,為管道完整性管理奠定了良好的基礎(chǔ)。
(2)提供原始數(shù)據(jù)。通過(guò)不間斷監(jiān)測(cè),積累了大量原始數(shù)據(jù),包括管道地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的變形過(guò)程、應(yīng)力集中趨勢(shì)、應(yīng)變變化大小,以及管道地質(zhì)災(zāi)害成型的主要原因等。對(duì)后期管道地質(zhì)災(zāi)害治理提供了不可或缺的數(shù)據(jù)支撐,節(jié)約災(zāi)害治理費(fèi)用。
(3)評(píng)價(jià)治理效果。通過(guò)監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)收集的數(shù)據(jù),對(duì)比災(zāi)害治理前、治理后的數(shù)據(jù),有效度量治理效果,檢驗(yàn)治理效果是否達(dá)到預(yù)期目的,為今后災(zāi)害治理工程的設(shè)計(jì)和方案比選、監(jiān)護(hù)、維修、檢測(cè)等提供依據(jù)。
作者簡(jiǎn)介:鄭磊, 1982年生,工程師,畢業(yè)于西安交通大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè),從事油氣管道的陰極保護(hù)、水毀及地災(zāi)防治、完整性管理等工作。聯(lián)系方式: 13519445269,308365099@qq.com。
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