管道高填方區(qū)穩(wěn)定性校核探討
來源:《管道保護》2022年第1期 作者:韓桂武 邱光友 熊健 王麒 時間:2022-1-26 閱讀:
韓桂武1 邱光友2 熊健1 王麒1
1.中國石油天然氣管道工程有限公司;2.國家管網(wǎng)集團西南管道公司
摘要:高填方地區(qū)由于土質(zhì)邊坡不穩(wěn)、土層不均勻沉降等問題,極易影響敷設(shè)管道的穩(wěn)定性,嚴重時會導(dǎo)致管道失效。以西南某管道高填方地質(zhì)災(zāi)害點為例,針對地形地貌特點,首先對周圍土體滑坡可能性進行了預(yù)判,其次根據(jù)土層物理特性和管道現(xiàn)狀對可能發(fā)生管道不均勻沉降的管道最大位移值和最大應(yīng)力值分別進行了計算和校核,判定管道在高填方土層敷設(shè)中處于安全運營狀態(tài),提出了管道回填和持續(xù)監(jiān)測建議。
關(guān)鍵詞:油氣管道;并行敷設(shè)管道;地層沉降;高填方區(qū);應(yīng)力分析
西南某油氣長輸管道并行敷設(shè)于云南瑞麗某水果批發(fā)市場內(nèi),屬于Ⅱ級高后果區(qū)。2021年在管道環(huán)焊縫開挖檢測過程中,發(fā)現(xiàn)該處管道埋深超過10 m以上,存在管道上方荷載過大的風(fēng)險(圖 1)。為保證管道運行安全,隨即進行了管道穩(wěn)定性校核。
根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況,油氣管道同溝敷設(shè)間距約為6 m,管道覆土厚度12 m~15 m,分兩級開挖,土體為粉質(zhì)黏土。其中一條輸氣管道管徑1016 mm,壁厚15.3 mm,輸送壓力6.4 MPa,溫差變化28.1℃,管道材質(zhì)X80。
該管道本次環(huán)焊縫檢測合格。由于管道處于地勢較高處,不存在積水風(fēng)險,周圍無邊坡或地質(zhì)滑坡體等其他地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險。據(jù)此判斷發(fā)生地質(zhì)風(fēng)險的可能性不大,主要存在的風(fēng)險為覆土高填方風(fēng)險。
1 管道徑向穩(wěn)定性校核
GB 50251―2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》根據(jù)經(jīng)典土壓力計算理論,將管頂土荷載按照垂直土柱的重力進行計算,豎向土層壓力等于管頂上土柱的全部重力值,未考慮土壤的內(nèi)摩擦力,主要適用于淺埋管道的穩(wěn)定性校核。如果通過了校核,說明管道徑向穩(wěn)定性在保守條件下符合要求。如未通過校核,則應(yīng)采用基于極限平衡理論的土柱滑動面模型(馬斯頓模型),更接近實際管土狀態(tài)再次進行驗算。
式中:γ為土層重度,N/m3;B為溝槽寬度,m;W0為單位管長的豎向永久荷載,N/m;Cd為土壓力集中系數(shù);D為管徑,m;H為管頂覆土厚度,m;Kf為土壤吸附作用強度系數(shù),砂土及腐殖土(干燥)0.192,砂土、腐殖土(濕的和飽和的硬黏土)0.165,塑性黏土0.148,流動性黏土0.132。表 1取砂土及腐殖土(干燥)Kf為0.192進行計算。
通過馬斯頓模型計算可知,在各種敷設(shè)條件下,管道最大變形值為2.01%,小于規(guī)范 3%變形允許值,管道徑向穩(wěn)定性滿足安全要求。
2 不均勻沉降的管道安全校核
2.1 土體不均勻沉降值
由于管道下部欠固結(jié)土的不均勻沉降,將引起其中敷設(shè)管道的受力不均。對于填方4 m(H1)和14 m(H2)的土體,其沉降值有明顯差異,如表 2所示。本文采用有限元計算方法(圖 2),計算不同高度回填土的土體沉降值和由此產(chǎn)生的管道附加應(yīng)力值。
表 2 不同高度填方的輸氣管道應(yīng)力結(jié)果對比
2.2 管土作用參數(shù)
GB/T 50470―2017《 油氣輸送管道線路工程抗震設(shè)計規(guī)范》附錄E “通過活動斷層埋地管道有限元方法的彈簧參數(shù)”規(guī)定,根據(jù)土體的特性確定土彈簧具體參數(shù),按照管道軸向、水平側(cè)向和豎向三個方向考慮土體與管道的相互關(guān)系,表 3列出土彈簧極限位移和對應(yīng)的土作用力值。
表 3 粉質(zhì)黏土三向土彈簧參數(shù)表
2.3 管道應(yīng)力分析
本次校核范圍為QAA108樁—QAA109-1樁段管道,如圖 3所示,據(jù)此建立管道有限元模型,并將不同管道節(jié)點的差異性沉降值作為位移荷載施加到土彈簧上。
根據(jù)有限元應(yīng)變計算結(jié)果,得到不同高度填方的管道關(guān)鍵節(jié)點處地表沉降值,如表 4所示。
計算得到土體固結(jié)之后(5年后)管道位移分布和應(yīng)力分布如圖 4、圖 5所示。
2.4 計算結(jié)果
高填方區(qū)管道除了受內(nèi)壓、溫差、走向變化影響外,同時受土體不均勻沉降的作用;輸氣管道最大位移范圍為0.04 m~0.17 m,最大應(yīng)力點組合應(yīng)力值為254 MPa(圖 5),最大組合應(yīng)力雖略有增高,但遠小于X80鋼管材質(zhì)允許極限應(yīng)力值(499.5 MPa),可判定管道運營處于安全狀態(tài)。
3 結(jié)論
本文通過有限元計算方法,對高填方區(qū)油氣管道安全性進行了校核。計算結(jié)果表明高填方雖然會引起土體產(chǎn)生超過10 cm以上的不均勻沉降,但管道仍然有很大的應(yīng)力余量,仍處于安全運行狀態(tài)。本案例對于平整場區(qū)的高填方管道安全性判定具有借鑒意義。但對于高填方管道同時處于不穩(wěn)定邊坡等特殊地災(zāi)風(fēng)險的工況,需要根據(jù)現(xiàn)場情況進行針對性分析。
作者簡介:韓桂武,1977年生,工學(xué)博士,高級工程師,現(xiàn)從事管道應(yīng)力分析及巖土工程、地下儲油庫工程設(shè)計及研究工作。聯(lián)系方式:15081677911,hanguiwu@cnpc.com.cn。
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