余東亮1 李虎2 楊霞3 方迎潮1
1.國家管網集團西南管道公司技術中心； 2.四川省地質工程勘察院集團有限公司；3.四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責任公司 

摘要：穿越滑坡區(qū)埋地管道的安全運行及預警問題一直是管道行業(yè)關注的重點與難點。以實際監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，引入切線角理論，分別構建了管道力學多級預警模型和滑坡形變多級預警模型，并以管道預警為主，滑坡形變預警為輔，形成了綜合預警模型。某穿越滑坡區(qū)管道的預警案例分析結果表明，綜合預警模型能在一定程度上對穿越滑坡的管道做出合理的預警，為管道的安全運行提供保障。

關鍵詞：油氣管道；滑坡；切線角；預警模型； 預警級別

西南山區(qū)地形起伏大、地質條件復雜，管道長距離敷設過程中不可避免地穿越大量的滑坡區(qū)域，安全運行壓力大。及早感知、及時預警管道滑坡，對采取有效措施減少滑坡對管道的影響尤為重要。近年來，不少學者結合降雨量、水位線、含水量等因子提出了一系列的神經網絡模型[1-3]�；�坡災害的預警預報主要集中在災害本體預警模型的構建上，對于穿越滑坡區(qū)管道的預警預報則相對較少，且大多研究基于理論分析，少有基于實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對滑坡和管道同時進行監(jiān)測分析并建立相應的預警模型。本文將管道力學預警預報模型與滑坡本體預警模型結合，提出基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的穿越滑坡區(qū)埋地管道的預警預報模型，為穿越滑坡區(qū)油氣管道的安全運營提供技術保障。

1  管道沿線地質災害監(jiān)測與預警平臺

西南管道公司在滑坡體災害監(jiān)測和管道應力應變監(jiān)測的基礎上開發(fā)了管道沿線地質災害監(jiān)測與預警平臺，實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集，分析地質災害發(fā)展，評估管道的安全狀態(tài)，并針對不同的預警結果提出相應的響應機制，以及預測未來一段時間的發(fā)展趨勢，為管道管理各部門及時提供監(jiān)測數(shù)據(jù)及評估結果，提升對沿線地質災害風險的管控能力。

2  穿越滑坡區(qū)油氣管道預警模型

滑坡體是誘發(fā)管道變形的主要因素之一。因此，以管道力學變化為主，以滑坡體變形為輔，建立綜合考慮監(jiān)測值和監(jiān)測值切線角指標的綜合模型，解決以往注重滑坡監(jiān)測輕管道監(jiān)測的弊端。

2.1  管道力學多級預警模型

Q/SY 1673―2014《油氣管道滑坡災害監(jiān)測規(guī)范》對管道附加應力的預警準則規(guī)定，當管道附加應力σ超過允許附加應力σs    的30%、60%、90%時分別發(fā)布藍色預警、黃色預警和紅色預警。

管道在受滑坡推力作用時，管道的變形隨滑坡的變形而協(xié)同變形。在此基礎上引入切線角理論[4]，即將監(jiān)測得到的應力值或位移值的勻速變化階段的速度作為基礎速度v，用應力值或位移值除以基礎速度將應力值或位移值轉換為時間T的量綱，如式（1），使得原應力值或位移值與應變的監(jiān)測時間 t 的關系轉化為時間T與檢測時間 t 的關系，最后求取T- t 的切線角關系，如式（2）。

式中：σ( i )為勻速變形某一單位時間段（一般采用一個監(jiān)測周期，如1天、1周等）內管道應力增長量，MPa；v為勻速變形階段的應力變化速率，MPa/周期；T( i )為變換后與時間相同量綱的縱坐標值；αi為改進的切線角，°；ti為某一監(jiān)測時刻；Δt為時間段；ΔT為Δt時間段內T( i )的變化量。

根據(jù)文獻[5]，滑坡在初始變形階段時，切線角為小于45°，到等速變形階段，切線角約等于45°，這兩種變形狀態(tài)下管道都處于相對安全的狀態(tài)，預警為綠色級；滑坡初加速階段時，切線角大于45°，報藍色級預警；中加速階段時，切線角變化約為80°到85°，報黃色預警；當切線角大于85°時報紅色預警�？紤]到管道應力變化時管道的安全性，將管道預警附加應力與切線角預警級別相結合，以最不利原則作為管道力學預警模型的最終級別，如表 1所示。

表 1 管道力學多級綜合預警等級

2.2  滑坡形變多級預警模型

滑坡監(jiān)測可能安裝多種不同類型的監(jiān)測設備，且因每個滑坡具有獨特性，預警判據(jù)值需根據(jù)監(jiān)測滑坡點位的具體現(xiàn)場工況綜合提出。本文沿用改進切線角方法求取的滑坡地表位移切線角、深部位移切線角、裂縫切線角以及傾斜量切線角作為每一種監(jiān)測設備的單指標預警判據(jù)，每個判據(jù)均包含綠色級、藍色級、黃色級和紅色級，如表 2所示。而滑坡的綜合預警等級的確定采用最不利原則，將多種監(jiān)測設備所達到的最高預警級別作為滑坡綜合預警等級。

表 2 滑坡形變多級綜合預警模型

2.3  綜合預警模型

穿越滑坡區(qū)的埋地管道綜合預警主要對管道的安全隱患及時做出預警預報，以直接反應管道本體特征的管道力學多級預警模型為主，以誘導管道發(fā)生變形的滑坡形變多級預警模型為輔構建綜合預警模型，如表 3所示。

表 3 穿越滑坡區(qū)埋地管道綜合預警模型

當管道力學和滑坡形變都處于綠色級時，滑坡處于初始階段，管道力學變化較小，綜合預警為正常級。當管道力學行為或滑坡形變特征都達到藍色級，管道應力或滑坡形變都進入到等速變形階段，但管道應力不大（允許附加應力的30%），處于關注級。當管道力學或滑坡形變達到黃色級時，表示滑坡進入初加速階段或管道應力已經達到允許附加應力的60%，此時管道應力較大或滑坡形變變化加快，危險程度增大，為警示級，需采取措施消除風險。為保證人員和管道安全，警示級為危險事件最遲處理階段。當滑坡繼續(xù)變形或管道應力持續(xù)增加到紅色級時，已經達到允許附加應力的90%，管道隨時可能達到屈服階段，或者滑坡已經達到臨滑階段，此時處于極度危險的狀態(tài)，為警報級。

3  實例分析

某滑坡位于甘肅省隴南市，平面形態(tài)呈圈椅狀，滑坡后緣以斜坡陡坎為界，兩側邊界以滑動時剪切裂隙為界，前緣剪出口位于黃土沖蝕溝內。滑坡所在坡面地形起伏不大，自然坡度約15°～30°，坡向260°，長35 m，寬55 m，平均滑體厚3.0 m，總體積約6000 m3，屬小型滑坡。管道從滑坡后部穿過，與主滑方向呈50°交角。管道材質為X80，壁厚15.3 mm，管徑1016 mm�，F(xiàn)場布設了兩種監(jiān)測設備，地表位移計布設在滑坡主滑方向的前緣，中段以及后緣，監(jiān)測周期為半小時一次；管道應變計安裝在滑坡主滑方向左右兩側處，監(jiān)測周期為一天兩次，如圖 1所示。該點關注級、警示級和警報級地表位移閾值分別設置為200 mm、260 mm和300 mm，管道允許附加應力閾值分別為124 MPa、248 MPa和372 MPa。2020年6月15日，滑坡前緣地表位移切線角達到80°，前緣位移值與切線角處于正常級，管道應力值與應力切線角均處于正常級范圍內，發(fā)出警示級預警。

圖 1 滑坡監(jiān)測布設圖

選取6月上旬到發(fā)生預警時間段的地表位移計監(jiān)測值進行分析（圖 2），經切線角理論改進得到的T- t 曲線與相應的切線角（圖 3），管道應力值曲線（圖 4），轉化得到的T- t 曲線與切線角曲線（圖 5）。

圖 2 地表位移監(jiān)測值

圖 3 地表位移T-t曲線與切線角曲線

圖 4 管道附加應力監(jiān)測值

圖 5 管道附加應力T-t曲線與切線角曲線

由圖 2和圖 3可知，地表位移值在50 mm左右波動， 6月14日時突然從47.89 mm增加到56.45 mm，未達到所設置的預警級別，屬于正常級，但其對應的T- t 曲線也在此時隨之增長，切線角此時達到81.2°，符合滑坡切線角預警模型警示級級別。綜合滑坡形變多級預警模型此時報警示級。

由圖 4和圖 5可知，管道附加應力均在35 MPa～50 MPa之間波動，未超過設置的關注級值124 MPa，管道附加應力預警屬于正常級。由于所選取的時間較長，管道應力增長緩慢，切線角在監(jiān)測周期內成小范圍內波動，但波動范圍均未超過45°，管道附加應力切線角預警級別仍屬于正常級。綜合管道多級預警模型，管道應力處于正常級范圍內。

綜合管道多級預警結果與滑坡形變多級預警結果，結合表 3，6月14日對該點報警示級預警。經實勘，現(xiàn)場局部出現(xiàn)滑移沉降，在滑坡前緣較為明顯。坡體出現(xiàn)裂縫，后緣出現(xiàn)下錯開裂，如圖 6所示。案例證明，運用綜合預警模型在一定程度上能預警埋地管道滑坡災害的發(fā)生，為管道安全運營及時提供決策參考信息，減輕災害影響，降低經濟損失。

圖 6 滑坡前緣地表下錯

4  結論

以管道應力應變監(jiān)測和滑坡形變監(jiān)測等多種監(jiān)測手段為基礎，根據(jù)監(jiān)測設備回傳的實時數(shù)據(jù)構建了管道力學多級預警模型和滑坡形變多級預警模型，最終形成穿越滑坡區(qū)油氣管道的綜合預警模型并進行現(xiàn)場應用。應用結果表明：

（1）基于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的預警模型能在一定程度上對穿越滑坡的埋地管道進行實時預警，為管道的安全提供技術保障，具有較高的實用性和借鑒價值。

（2）針對滑坡采用多種監(jiān)測設備獲取不同物理參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行綜合判別能在一定程度上提高預警模型的準確率。

（3）下一步應分析不同監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的內在關聯(lián)性，進一步優(yōu)化完善預警預報模型。

 

參考文獻： 

[1]唐睿旋，晏鄂川，唐薇.基于粗糙集和BP神經網絡的滑坡易發(fā)性評價[J]. 煤田地質與勘探，2017(6)：129-138.

[2]馮非凡，武雪玲，牛瑞卿，等. 粒子群優(yōu)化BP神經網絡的滑坡敏感性評價[J]. 測繪科學，2017，10(42)：170-175.

[3]李璐，溫宗周，張陽陽，等. 基于RBF神經網絡滑坡災害發(fā)生概率預報方法[J]. 西安工程大學學報，2017，4(10)：521-526.

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[5]李巖巖. 天然氣管道滑坡地質災害監(jiān)測預警技術研究[D]. 成都：西南石油大學. 2017.

 

作者簡介：余東亮，國家管網集團西南管道有限責任公司技術中心副經理，高級工程師，主要從事管道完整性管理方向的研究工作。聯(lián)系方式：18030869758， 57730006@qq.com。