跨斷層埋地輸油氣管道抗震研究述評

張少春 范 鋒 豐曉紅

1.山東省天然氣管道有限責任公司，山東 青島 266300；2.西南石油大學研究生學院，四川 成都 610500

0 前言

近年來，我國實施的“西氣東輸”“川氣東送”“海氣登陸”以及“中亞管道”“中緬管道”等跨國天然氣長輸管道工程的建設，支撐著我國氣源的多元供應，形成了全國天然氣基干管網。 我國處于環太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，地震區域廣，地震強度大，發震頻率高，活動斷層分布廣泛，為世界上遭受地震災害最為嚴重的國家之一［1］。大量震害資料證明，埋地輸油氣管道地震破壞通常發生在活動斷層［2］。因此，有必要對跨斷層埋地輸油氣管道的地震反應進行研究，以避免或減輕跨斷層管道在未來地震中遭受破壞。

1 斷層錯動反應研究進展

1971 年美國San Fernando 地震對跨斷層或沿斷層一帶輸氣管道造成的嚴重破壞引起了美國研究者對埋地管道地震反應的重視，而在這之前，埋地輸油氣鋼質管道的設計是不考慮抗震要求的。 接著1972 年馬那瓜地震、1975 年海城地震、1976 年唐山大地震和1978 年日本Miyagi-ken-oki 地震中，埋地管道受到嚴重破壞，使得跨斷層埋地管道的研究成為全球熱點，并在歷經40 年的研究過程中取得了很多成果。

目前的研究方法大致可分為理論解析法、數值分析法及試驗研究法三類，本文將對近幾年來的研究進展進行綜述，比較不同方法的優缺點，指出各方法中存在的問題。

1.1 理論解析法

劉愛文和張素靈等人［3］基于Newmark 方法和Kennedy方法提出一種研究跨越走滑斷層埋地管道地震反應的計算方法，將遠離斷層的管段部分簡化為彈性地基梁模型來分析，斷層附近大變形管段部分看作受均布載荷的梁， 管材應力應變本構關系采用Ramberg-Osgood 模型，忽略了管道內壓及溫差引起的應力應變，同時假設斷層兩側土體性質相同。 該方法證明了斷層錯動較大時Kennedy 法的正確性， 得到斷層位移較小時不能把管道看作懸索［4］的結論。

蘇欣等人［5］對澀寧蘭輸氣管道復線進行了抗震計算，分析了管土約束狀態的兩種形式，指出實際埋地管線不是總處于彈性狀態，應在抗震設計前對管道的約束狀態進行復核。

Karamitros D K 等人［6］仍將斷層一側的管道分為兩部分，用彈性梁模擬管道的大變形段，用彈性地基梁模擬小變形段。 在計算管道的最大設計應力時考慮了管材和大位移的非線性關系，管道橫截面的實際應力分布以及彈性梁和彈性地基梁連接點處剪力的連續條件。 雖然該方法對Wang L K 方法［7］進行了改進，但沒有考慮到大變形段的管土作用力，文獻中也沒有對所提到的最大彎矩處即管道最可能的破壞位置予以說明或證明。 同時，該方法中所采用的彈性梁理論的彎曲應變以及受幾何二次項影響的彎曲應變二者的組合形式沒有任何物理意義。

Trifonov O V 等人［8］提出一種對穿越活動斷層的埋地鋼質管道非線性應力-應變分析的半解析法， 通過分析和計算取得如下成果：在斷層兩側管道曲率較大的管段的平衡方程中直接引入軸向力對彎曲剛度的影響；對平衡方程的求解過程顯示了隨斷層位移增大管道從梁到索的變化過程；提出了一個表征軸向力對彎曲剛度影響的參數，可以追蹤管道反應并對其他簡化模型的適用性進行評估；證明了橫斷面位移對軸向應變的影響。

以上介紹的方法是基于索模型和梁模型的理論分析方法， 管材的本構模型主要采用雙折線或三折線模型、線彈性模型以及Ramberg-Osgood 模型，這些方法存在以下的局限性：

a） 只能分析管道受拉伸作用的情況，也就是說這些方法只能用于穿越走滑斷層或正斷層的管道，無法對跨越逆斷層的管道屈曲進行計算。

b） 上述所有方法都是針對均一場地土進行分析的，沒有對非均一土體作相關研究。

c）不能分析管截面中的大變形情況。

d） 在斷層錯動量較大的情況下，管道和土體的變形均表現出其非線性特征， 從而使理論方法變得異常復雜。

1.2 數值分析法

隨著當今計算機技術的飛速發展及數值分析法的日益成熟，采用數值模擬可以較快地對跨斷層埋地管道的地震反應進行分析。 研究者們也在該領域開展了很多相關研究，并取得了許多成果。

Tohidi R Z 等人［9］將管道看作梁，用非線性彈簧模擬管道周圍的土體，對跨斷層管道進行了三維研究，并對管道與斷層的交角、管土摩擦角、斷層錯動量及管道埋深等影響參數進行了研究。

Kuwata Y 等人［10］使用離散單元法對鑄鐵管道在斷層作用下的安全性進行了分析，評估出允許的最大斷層錯動量，分析得知管道與斷層的交角較小時將威脅到管道的安全。

Cocchetti G 等人［11］通過建立殼模型，分別采用大位移和小位移法對跨斷層管道進行了研究，發現當管徑較大時采用大位移和小位移方法得到的結論沒有明顯差別（穿越角為90°的情況除外），但當管徑較小時，用小位移法分析得到的容許斷層錯動量則極其保守。

Liu M 等人［12］采用梁-殼混合模型對管道最大應變和管道與斷層的交角之間的關系進行了分析，并研究了管材和管道壁厚對管道完整性的影響。

Jiao Z L 等人［13］考慮了管道埋深、回填土特性以及管土非線性相互作用，建立了殼有限元模型，對跨斷層埋地管道進行了研究，并得出結論：管道軸向應力由彎曲應力和拉應力組成；管道與斷層的穿越角直接決定著管道模型是否失效，90°為最佳穿越角； 在理論分析與工程設計中回填土的密實度以及管道的橢圓現象是不可忽略的；應力、應變和位移按一定規律分布。

Gu X T 等人［14］用三個方向的土彈簧來模擬管-土相互作用，對“西氣東輸”工程中某跨斷層管道進行了分析，并提出一個可將管道應變降低到最小的合理設計方案。 Zhao L 等人［15］采用接觸單元建立了三維管土非線性有限元模型，分析了基巖上覆土層的破裂模式、厚度以及剛度對埋地管線的影響，數值分析結果顯示，土體破裂模式確定了管道大變形或失效的位置，管道塑性變形發生在覆土層塑性變形或破裂的區域，當斷層傾角接近90°時，管道的塑性變形隨覆土層的破裂而發生，覆土層越厚，管道塑性變形區域越長，而應變越來越小，隨著覆土層剛度的增大，管道塑性變形長度將變短，而最大應變會增大。

金瀏等人［16］將跨斷層埋地管道及其周圍土體從半無限地球介質中取出，分別以空間薄殼單元對管道進行模擬，用實體單元對土體進行模擬，管土相互作用則采用非線性接觸方法模擬，斷層錯動通過對土體施加線性位移來實現，在考慮管道初始應力應變的基礎上，對斷層作用下并未開裂的土體，埋設其中的管道以及管土的相互作用進行了數值分析，得出一些有益結論。

閆相禎等人［17］針對地震斷層兩側場地相同和相異以及中間含有破碎帶等不同條件建立了管土耦合的組合模型，即用V lazov 模型模擬法向力，用摩擦片模擬剪應力，在該模型基礎上將管道模型簡化為薄殼單元，管土間連接三個定向土彈簧。

Vazouras P 等人［18］對穿越走滑斷層的埋地鋼質管道進行了研究。 文獻中假設管道水平鋪設，并與斷層面垂直， 利用ABAQUS 模擬軟件基于殼有限元模型對管、土力學性能及管土相互作用進行了模擬。 通過對土體和管道的不同參數的分析， 得到管道失效的斷層臨界錯動量，得出結論：斷層破碎帶寬度并不影響管道力學性能；管道內壓會輕度影響管道的變形能力； 管材強度越大，變形能力越強；厚壁管道通常不會發生屈曲，在過度拉應變的作用下可能發生斷裂；土壤特性也會在一定程度上影響管道的變形能力。

Bolvardi V 等人［19］建立三維模型對跨斷層埋地鋼質管道的抗震性能進行研究，其中管道選擇殼單元，土體選擇實體單元，管土間采用接觸模型來模擬。 通過對管徑、穿越角、壁厚、埋深及錨固長度等不同參數的影響以及不同模型間計算結果的比較，得出相關結論。

趙雷等人［20］通過有限元程序建立了埋地管道地震反應的有限元模型，用擬動力方法分析了管道跨逆斷層時的失效模式。 管道兩側邊界采用劉愛文［21］的等效彈簧邊界，管道采用殼單元模擬，用三個定向土彈簧模擬管土作用并得出結論： 當逆斷層傾角接近90°時等效彈簧失去作用，計算結果不收斂。

Joshi S 等人［22］用梁單元模擬管道，離散非線性彈簧模擬管道周圍土體， 對穿越逆斷層的埋地管道進行分析，考慮了與管材和土體有關的材料非線性，與大變形有關的幾何非線性。 用所建三維有限元模型對斷層作用下的管道反應進行模擬，研究了不同參數的影響，最后得出結論：對于穿越逆斷層的管道，最大總壓縮應變總比最大總拉伸應變起到更為關鍵的作用；管道穿越角是管道最大壓應變和管道屈曲最重要的影響因素；當穿越角較小時，管道局部屈曲由管壁褶皺引起；管道以垂直或近乎垂直的方向穿越斷層帶時在很小的斷層位移下便會產生梁屈曲，并導致管道早期失效的發生；逆沖斷層容許的斷層錯動量要比陡峭的逆斷層容許錯動量??；通過選擇較松散的粗粒回填土，較淺的管道埋深，光滑而堅硬的表面覆蓋層，增加管壁厚度或使用屈服強度較大的管材都可以增大斷層容許位移量。

從以上對跨斷層埋地管道反應的研究歷程可以發現，埋地管道模型從最初較為簡單的線彈性解析模型發展為目前的非線性殼有限元模型。 其中，梁模型構造簡單，節省計算時間，殼模型雖然分析過程復雜，計算時間長，但可以對管道的大變形如管道屈曲進行模擬，因此，在分析過程中要分情況對模型進行選擇。 對跨斷層埋地管道的研究方法則經歷了由最初的半理論、半經驗分析方法發展為如今的理論與數值模擬相結合的綜合解決問題的方法。 但是，在目前的研究方法中，多數學者沒有考慮管道內壓、溫度等參數的影響，因此建議在今后研究中，應考慮到埋地輸氣管道在高壓荷載與斷層錯動耦合作用下的反應。

1.3 試驗研究法

目前，由于各種局限性，國內外對跨斷層管道的抗震試驗的研究工作較少［23-26］， 對跨斷層埋地管道進行的試驗主要有土箱模型試驗和離心試驗兩種。 由于受試驗中管道模型尺寸的限制， 以及試驗裝置中加載同步性、設備造價及維護等的影響，土箱模型試驗的局限性主要體現在試驗規模上，無法進行管道的足尺試驗，同時也無法滿足比尺試驗的相似性。 離心試驗憑借設備的重力加速度很容易實現彈力和重力的相似性，但由于試驗設備尺寸較小，故也不能滿足邊界條件的相似性，只能進行小比尺試驗，而且在模擬土體剪切破壞的時候若采取與原型相同的砂土，將會使剪切帶寬度變大，使試驗結果產生較大誤差。 因此，鑒于上述局限性，目前跨斷層管道的試驗只能得到定性結論，為理論研究提供相應的參考或驗證，并不能得到精確的結果，同時由于試驗過程不能保證土壤密實度的一致性，也會造成較大誤差。

以上為近幾年跨斷層埋地管道斷層錯動反應不同方法的研究進展，此外，目前使用的GB 50470-2008《油氣輸送管道線路工程抗震技術規范》雖然規定對重要區段的管道和位于強震區的一般區管道應使用有限元方法進行管道的抗震校核，但其他情況下的管道抗震校核仍然沿用Newmark N M 等人［27］在1975 年提出的高度簡化模型，盡管采用Newmark-Hall 計算結果的2 倍作為修正值， 但由于管道埋設場地土壤環境的不確定性等原因，仍然不確定能夠保證管道設計的安全性，而且管道受壓時也無法計算。 規范推薦的有限元方法為劉愛文［21］提出的含等效非線性彈簧邊界的分析方法，管土間的作用采用三向土彈簧進行模擬， 無法對管道與土體的滑移、分離和閉合等現象進行模擬。 因此提出能夠合理模擬跨斷層管道斷層錯動反應特性的計算模型是當前迫切需要研究的課題。

2 抗震措施

經多年研究，我國學者對跨斷層埋地管道的抗震措施主要從新建管道項目和已建管道兩方面著手，對新建管道項目采取的抗震措施主要考慮選擇合適的管道穿越斷層的位置，選擇合適的穿越角度， 特殊的管溝敷設，減小管土間的摩擦系數，選擇合適的管材，合理確定管道尺寸，選擇合適的管道埋深，使用大口徑的套管；設置一定數目的彎頭或采用大曲率半徑彈性敷設方式。 對已建管道的抗震改造，則主要從降低管土相互作用的角度出發。 如回填土的松散，采用光滑的外包層，為管道設置套管，淺埋（去掉部分覆蓋土層），不埋（清除全部覆蓋土層），采用管溝敷設，管溝用可壓縮或破碎的填料進行回填等。 此外，以下通用措施也適用于跨斷層管道的抗震改造。

2.1 常見措施

a）加固管道本體。 對斷層附近的管道進行環焊縫、損傷、腐蝕檢測，如發現缺陷則進行修復，加固管道，確保管體的強度和變形性能。 這可能是最簡單但實用性有限的抗震改造手段。

b）管道改線。 盡量避開產生大位移的活動斷層區。由于管道路權常會受地方經濟社會發展規劃的限制，有些斷層分布較長， 管道繞避將會使管道長度大幅度增加，不經濟。

c）更換管道。 用等級較高或壁厚更厚的管道置換原管道。 鋼材等級越高，抗應變能力越強；另外，同樣的斷層位移，管壁越厚管道發生的變形越小。

d）設置截斷閥室。 在斷層區一端設置截斷閥室，以降低管道事故發生破裂后天然氣泄漏引起的損失及次生災害。

2.2 加強管道的智能監測

雖然采取以上措施可以減輕管道在斷層錯動時所受到的破壞，但是在地震發生后，管道產生的應變值是否超過了最大容許應變值，管道是否需要停輸或降低輸量？ 哪些管段需要重點檢修等問題則必須采用地震監測預警系統來作答。 在當今信息化時代，隨著科技進步和新技術的廣泛應用，加強對管道的智能監測，建立管道的地震監測預警系統，適時發現管道的薄弱環節，為在第一時間采取措施提供數字依據，已經成為評估已建和在建管道系統抗震能力的最有效手段。 然而目前，管道設計人員對地震監測預警系統并不熟悉，下面將目前管道地震監測預警系統的應用及采用的方法和技術進行總結，以期在我國的油氣管道事業中得到更為廣泛的應用。

管道地震監測預警系統的目的在于緊急地震速報，采用的技術手段主要有大地強烈震動加速度計，SI 地震傳感器，GPS 位移監測，基于光纖傳感的管道應變和溫度監測， 中心控制站或SCADA 系統集成技術以及相關的軟件技術。 對于跨斷層管道，系統主要通過GPS 位移監測系統對管道所穿越的斷層位移進行監測，在斷層兩側各設置一套高精度GPS 監測系統，可以得到斷層的水平和豎直位移量。

目前，國內外比較著名的幾條輸油氣管道已經建立了管道地震預警系統。 冀寧管道工程首次在國內建立了管道地震監測預警系統。 該工程穿越19 條主要斷裂帶，為確保地震發生后能夠及時有效地為應急管理部門提供決策依據并實現輸氣閥門的遠程關閉， 在部分輸氣站布設了數字強震動儀， 同時在2 條全新世活動斷裂兩側設置高精度GPS 檢測系統， 根據地震時斷層的相對位移量的大小進行報警。此外，阿拉斯加管道、俄羅斯薩哈林2號管道工程、東京煤氣公司等也建立了地震檢測系統［28］。

3 結論

本文對跨斷層埋地輸氣管道抗震方法的沿革進行了綜述，指出了前人在理論方法和試驗研究方面取得的研究成果，對不同方法進行了比較，同時總結了目前常用的抗震措施，并指出管道智能檢測的必要性。 今后對跨斷層埋地管道的研究主要應從以下幾個方面開展：

a） 提出更加符合實際的高精度數值計算模型模擬管土的接觸作用。

b）斷層錯動引發的地震會伴隨有砂土液化、滑坡等其他地震災害的發生，地震波對鋼制管道也存在一定的影響。 在分析過程中應綜合考慮各方面的影響因素展開研究。

c） 針對斷層錯動作用下的下臥基巖位移引起的土體反應進行研究，從而計算地面的永久變形量。

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