魏宇 李洪濤 賀小康

國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道貴陽輸油氣分公司

 

摘要：高陡邊坡是山區(qū)管道典型的敷設(shè)環(huán)境之一，在降雨及不良地質(zhì)條件的共同影響下極易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，進(jìn)而造成管道應(yīng)力集中甚至失效。利用地質(zhì)災(zāi)害的漸變特征，對管體進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變實時監(jiān)測是確保管道安全運行的有效方法。以貴州山區(qū)某管道一處高陡邊坡段的應(yīng)力預(yù)警處置過程為例，分析高陡邊坡段管道應(yīng)力預(yù)警處置要點。

關(guān)鍵詞：山區(qū)管道；地質(zhì)災(zāi)害； 應(yīng)力集中； 高陡邊坡； 預(yù)警處置

 

貴州境內(nèi)油氣管道具有明顯山地特征，即高落差、“V”字形、沿線途經(jīng)高陡邊坡段較為頻繁。同時，由于當(dāng)?shù)赜炅枯^為充沛，易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致管道受力甚至失效。運用應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)可以對管道本體受力情況進(jìn)行實時監(jiān)測，為管道安全狀態(tài)評價提供依據(jù)。本文以一處高陡邊坡段天然氣管道應(yīng)力預(yù)警處置為例，結(jié)合初期預(yù)警出現(xiàn)、監(jiān)測值持續(xù)增高、監(jiān)測值得到控制等不同處置過程進(jìn)行分析，討論應(yīng)力預(yù)警處置要點。

1  高陡邊坡概況

1.1  邊坡基本情況

該斜坡坡度約35°～45°，邊坡縱長150 m，橫寬50 m，管道整體為順坡敷設(shè)，管道埋深為2 m ～4 m�；靥钔镣临|(zhì)較松散，土體間空隙較大，因管道沿坡面建設(shè)導(dǎo)致坡體受到一定的擾動。

1.2  管道保護(hù)措施

該段管道建設(shè)時在斜坡上部修有伴行路，并通過擋土墻及截水墻對坡體進(jìn)行水工保護(hù)（圖 1）。

圖 1 高陡邊坡現(xiàn)場情況

為進(jìn)一步確保管道運行安全，投產(chǎn)前在斜坡中上部彎頭位置及坡腳處分別安裝X9及X8應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測截面，管道軸向拉壓應(yīng)力及監(jiān)測拉壓應(yīng)力閾值的計算方式如圖 2所示。

圖 2 應(yīng)力閾值計算過程

首先計算得出X9及X8截面的監(jiān)測壓應(yīng)力閾值為﹣261.2 MPa，監(jiān)測拉應(yīng)力閾值為360.3 MPa。其次再依據(jù)Q/SY 1673―2014《油氣管道滑坡災(zāi)害監(jiān)測規(guī)范》對預(yù)警值進(jìn)行設(shè)置，即當(dāng)應(yīng)力監(jiān)測值達(dá)到管道監(jiān)測軸向附加拉/壓應(yīng)力容許值的30%、60%、90%時分別啟動藍(lán)色預(yù)警、黃色預(yù)警、紅色預(yù)警。

2  預(yù)警情況

管道于2019年4月正式投產(chǎn)運營，運營初期監(jiān)測數(shù)據(jù)無明顯變化。當(dāng)年6月，由于強(qiáng)降雨導(dǎo)致X9截面上方漿砌石擋墻垮塌，直接壓覆管道上方，X9截面監(jiān)測值迅速增高，附加壓應(yīng)力值達(dá)到黃色預(yù)警級別（﹣173 MPa，為容許值的66%）。通過立即對垮塌擋墻進(jìn)行修復(fù)，監(jiān)測值逐步降至藍(lán)色預(yù)警級別并長時間處于穩(wěn)定狀態(tài)。2021年6月23日，受連續(xù)性強(qiáng)降雨的影響，X9截面監(jiān)測值出現(xiàn)大幅增高，附加壓應(yīng)力值再次達(dá)到黃色預(yù)警級別（﹣180 MPa，為容許值的68.9%）且處于持續(xù)增高狀態(tài)（圖 3）。X8截面監(jiān)測數(shù)據(jù)長期較為穩(wěn)定，不做分析。

圖 3 最大軸向拉壓應(yīng)力時程曲線

3  處置過程及分析

第一次預(yù)警原因及處置情況都較為簡單明了，處置也較為有效，不做詳述。重點對第二次監(jiān)測預(yù)警的處置情況進(jìn)行分析和解讀。

3.1  初期處置

6月23日X9截面應(yīng)力監(jiān)測值達(dá)到黃色預(yù)警級別后，立即組織地質(zhì)專家及監(jiān)測單位對現(xiàn)場情況進(jìn)行了踏勘，發(fā)現(xiàn)X9截面上方混凝土擋墻出現(xiàn)輕微沉降，擋墻頂部與伴行路連接處出現(xiàn)拉張裂縫。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，X9截面管道受最大壓應(yīng)力為近0點鐘方向，受最大拉應(yīng)力為近6點鐘方向，推斷該處管道有向下彎曲的變形跡象，初步判定為擋墻沉降導(dǎo)致附加應(yīng)力增大（圖 4）。

圖 4 X9截面應(yīng)力沿管道環(huán)向分布

綜合現(xiàn)場踏勘及分析得出整個邊坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)研究決定暫時先采取排水疏通及加密監(jiān)測的處置方案。為防止雨水沿著裂縫下滲，加劇擋墻下沉，對新增裂縫進(jìn)行了夯填，然后在坡頂位置利用防雨布及排水溝進(jìn)行排水疏通，將監(jiān)測頻次調(diào)整為每小時1次，并加強(qiáng)該監(jiān)測點的人工巡護(hù)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)和坡體變化情況進(jìn)行密切關(guān)注。

3.2  應(yīng)急處置

由于該區(qū)域降雨量持續(xù)較大，排水疏通后X9截面附加壓應(yīng)力仍處于持續(xù)增高態(tài)勢，于6月28日增至﹣205.1 MPa，為壓力容許值的78.6%。結(jié)合當(dāng)時氣象情況，認(rèn)為應(yīng)力值還有繼續(xù)增高的可能，立即啟動應(yīng)急響應(yīng)進(jìn)行處置，以保障管道安全運行。

通過開挖監(jiān)測截面上方覆土驗證監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性，開挖過程中截面壓應(yīng)力逐漸降低，反映了監(jiān)測設(shè)備仍處于正常工作狀態(tài)。隨后，局部開挖擋墻基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)其未嵌入穩(wěn)定巖層，核實了擋墻下沉的原因。

7月1日X9截面壓應(yīng)力值增至﹣240.1 MPa，為容許值的91.9%，達(dá)到紅色預(yù)警級別。對此，力學(xué)專家分析認(rèn)為，由于原容許值是根據(jù)設(shè)計運行壓力（10 MPa）計算的，當(dāng)前管道運行壓力僅為5 MPa，判斷管道目前仍處于安全狀態(tài)，若管道所受應(yīng)力進(jìn)一步增高，有可能出現(xiàn)管道失效的情況，決定在不停輸情況下進(jìn)行應(yīng)急處置。將監(jiān)測頻次緊急加密至每5分鐘1次，人工監(jiān)測坡體穩(wěn)定性及管道應(yīng)力變化情況，過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，考慮到天氣相對較好，決定采取拆除擋墻、對擋墻下方管道進(jìn)行開挖釋放應(yīng)力方案進(jìn)行處置。處置方案資金投入較高、工期相對較長，但從根本上解決了擋墻下沉的問題，便于后續(xù)應(yīng)力釋放。

應(yīng)急處置后，最大壓應(yīng)力值由紅色預(yù)警級別（最高﹣273 MPa，為容許值的104.52%）成功降至黃色預(yù)警（﹣187.1 MPa，為容許值的71.63%），管道應(yīng)力集中情況得以控制。

從表 1處置過程中的壓應(yīng)力變化情況分析可知，6月29日至7月3日均為強(qiáng)降雨過程，X9截面壓應(yīng)力明顯增高。伴行路路面及擋墻拆除過程中（7月2日至7月10日）X9截面壓應(yīng)力除了7月3日降雨導(dǎo)致增高外無明顯變化；擋墻下方管道開挖過程中（7月11日至16日）X9截面壓應(yīng)力顯著降低，取得較好的應(yīng)力釋放效果（圖 5）。

表 1 處置過程中X9截面最大壓應(yīng)力變化情況

圖 5 X9截面壓應(yīng)力變化趨勢

3.3  永久處置

為驗證應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用超聲波檢測方法對管體受力情況進(jìn)行檢測，與應(yīng)力監(jiān)測對比表明兩者數(shù)據(jù)基本吻合，當(dāng)前管體所受應(yīng)力情況比較可靠。

開挖過程中發(fā)現(xiàn)X9截面上方截水墻斷裂，截水墻上半部分沿管溝向下滑移約1.5 m，且存在管道防腐層脫落、光纜硅管局部拉斷現(xiàn)象，推斷地表水滲入管溝內(nèi)土體，管溝土體發(fā)生滑移也是造成管體應(yīng)力增加的因素之一。

分析認(rèn)為，當(dāng)前X9截面處管道所受應(yīng)力值（壓應(yīng)力值為﹣187.1 MPa，為容許值的71.63%）滿足管道的長期運行要求，但考慮到斜坡下部管道的防腐層、光纜硅管損壞的可能性較高，決定先采用抗滑樁及樁板墻對坡體上部及坡腳進(jìn)行支擋保護(hù)，然后再繼續(xù)開挖X9截面下方管道，進(jìn)一步釋放應(yīng)力并對防腐層及光纜硅管進(jìn)行驗證。由于該陡坡段土層較厚，混凝土截水墻可能會壓覆管道，造成應(yīng)力進(jìn)一步增高，因此采取草袋墻對上下兩道樁板墻之間的管溝土進(jìn)行分級支擋（圖 6）。

圖 6 永久處置治理效果

4  結(jié)語

（1）高陡邊坡段管道在回填土松散、降雨量充沛等不良因素的作用下，容易導(dǎo)致地下水沿管溝流動，帶動管溝土往斜坡前緣緩慢滑移，進(jìn)而影響原有水工設(shè)施（截水墻、擋墻等）失穩(wěn)，最終導(dǎo)致管道應(yīng)力集中。降雨是導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害加劇、管道受力增加的主要原因，應(yīng)合理設(shè)置并維護(hù)排水系統(tǒng)，盡可能減少雨水滲入坡體及管溝。

（2）應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測能夠有效反映管道受力變化情況，可通過開挖及超聲波應(yīng)力檢測進(jìn)行驗證，其數(shù)據(jù)可作為后續(xù)處置依據(jù)。

（3）監(jiān)測預(yù)警初期要及時分析原因，可采取加密監(jiān)測頻次及人工監(jiān)測的方式密切關(guān)注，監(jiān)測值若連續(xù)升高，應(yīng)及時啟動應(yīng)急處置。

（4）管道上方擋墻拆除過程中應(yīng)力監(jiān)測值幾乎沒有變化，而將受力段管道挖出后起到了較好的應(yīng)力釋放效果。

（5）高陡邊坡段管溝土滑移易導(dǎo)致防腐層失效及光纜硅管拉斷，考慮到保護(hù)管道及光纜達(dá)到永久治理效果，建議采取抗滑樁及樁板墻的方式進(jìn)行治理。

作者簡介：魏宇，1993年生，工學(xué)碩士，助理工程師，主要從事管道地質(zhì)災(zāi)害防治相關(guān)工作。聯(lián)系方式：13385116592，weiyu@pipechina.com.cn。