滑坡災害對油氣長輸管道的內(nèi)力和變形分析

譚威(中國石油西氣東輸管道公司蘇浙滬管理處，江蘇 南京 210002)

滑坡災害對油氣長輸管道的內(nèi)力和變形分析

譚威(中國石油西氣東輸管道公司蘇浙滬管理處，江蘇 南京 210002)

地質(zhì)災害對油氣管道的安全運行帶來了巨大的潛在風險，滑坡、泥石流、塌陷、地質(zhì)等地質(zhì)災害都對管道的安全生產(chǎn)運行帶來了嚴峻的考驗，在這些較大影響的地質(zhì)災害當中，滑坡是最為常見的一種類型；本文以滑坡地質(zhì)災害為例，深入分析了滑坡情況下對油氣長輸管道帶來的內(nèi)力和變形影響，建立了數(shù)值分析模型，為開展日常風險管控和事故情況下應急監(jiān)測及應急搶修提供了很好的判別準則。

滑坡；油氣管道；內(nèi)力；變形

1 滑坡的特點

滑坡災害具有突發(fā)性，對工程建設危害性很大。從作用形式來說，土體滑塌的原理和危害情況的方式類似于土體崩塌、滑坡，土體在長期的自然環(huán)境作用下，并在一些人為因素的作用下，通常就會發(fā)生土體滑塌；并且，這種滑塌的作用效果是非常可怕的，兼具“滑”和“塌”兩種特點；不同地區(qū)的滑塌的特點是不同的，一般情況下在以下條件下發(fā)生可能性較高：

a.在一些自然條件下，山川和大型沖溝兩側(cè)的因河水側(cè)向侵蝕，或洪水沖刷黃土坡腳而發(fā)生;b.夏天雨季發(fā)生的概率最高；c.豎直高度在15m以上，由厚土層組成的斜坡帶，坡度通常在500以上的;d.在黃土的源邊或其他黃土的斜坡地帶，因為坡高或者坡比過大，在人工作業(yè)時容易產(chǎn)生；e.在山川、大型沖溝中的，因為修筑水庫引起的水位上升、水庫的水浸潤黃土的坡腳等也很有可能導致滑坡發(fā)生。

2 滑坡情況下管道的力學模型

如圖1所示，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學相關理論，我們假設，在在收到滑坡作用下，管道受到的力看做是軸力，軸力記做 ，把管道看做一段梁。可以看到，由于管道在滑坡作用下，這個“梁”受到到撓度值是比較大的；結(jié)合力學彎曲理論進行研究，用“幾何方程”和“非線性”法來整體研究管道的受力變形情況。我們假設作用在管道上的力是均布荷載 ， 值的大小可以通過上面的分析計算結(jié)果得出。另外，不考慮滑坡體對管道的縱向摩擦力，使得管道的繞度比實際情況下偏大。

圖1 滑坡體內(nèi)的管道受力情況示意圖

圖2 滑坡體外的管道受力示意圖

同時，我們假設把滑坡體外面的管段看作是一個小變形的，或者半無限長的梁或者是桿，在不考慮彎曲或者拉伸的變形的藕合作用，可以認為管段的橫向土壤的受力情況是基本符合溫克勒假定理論的；管道的雙向受力情況基本符合雙線性的理論假設，也就是說管道縱向的受力和管道縱向的位移關系，可以用彈性和塑性理論來解釋。

為了便于理解，我們可以假設土壤的性質(zhì)，以及管道的變形情況和受力情況是關于中線對稱的。在圖1中，坐標xy平面標示管道的受力以及變形，x和沒有發(fā)生滑坡的管道的軸線是水平重合的，而y軸表征的是沒有下滑的土體和滑坡土體的分界面。在x為0處，可以看到管道截面轉(zhuǎn)角不大，我們可以認為該截面的當量軸力和剪力，兩種力分別是喝x,y軸相互平行的。

并且，在溫差以及內(nèi)力和滑坡體下滑推力的共同作用下，使得管道所受的力有時為壓力，有時候為拉力。在沒有溫差或者內(nèi)力作用的下，當量軸力為拉力；根據(jù)線性代數(shù)理論知識可以知道，非線性問題多少情況下是不滿足線性疊加的，所以不能簡單的吧溫差、內(nèi)力和滑坡推力q荷載分別作用下的內(nèi)力和位移相疊加。并且要根據(jù)實際情況下，油氣管道是有溫差變化和內(nèi)力的，所以必須先對軸力So是拉力還是壓力的情況進行有針對性的判別。

3 滑坡狀態(tài)下管道的內(nèi)力分析

3.1 當量軸力So為拉力時的情況

如圖1，對滑坡段管道L段來分析，管段的彎曲微分方程為：

式中：E為管材的彈性模量，pa;I為管道的截面慣性矩，m4；Y為管道的繞度，m；Mo為管道在x=0處的截面彎矩，N.m；υ0為管道在x=0處的繞度，m；q為下滑土體對管道的推力，N；L為滑坡管段長度，m；So為滑坡體中管道的當量軸向拉力，N。

式中：No為管道在x=0截面處軸力，N；P為管道內(nèi)部介質(zhì)壓力，

pa；d為管道內(nèi)徑，m；

由三式得出管道在x=L/2截面處的管道撓度f為：

對滑坡體外的管道，如圖2 所示，剪力Qo，彎矩Mo，共同作用引起的x=0截面處的管道的撓度υ0，轉(zhuǎn)角φ0分別為：

式中：cy,0標示如果管道在x，y平面發(fā)生了位移情況下的阻力

綜合系數(shù)，N/m3；D為管道的外徑；

由滑坡體內(nèi)、外管道在x=0截面處的轉(zhuǎn)角相等得出：

管道在滑坡段中點x=L/2 處的彎矩Mc為：

3.2 當量軸力So為壓力時的情況

當So為壓力時，滑坡段管道的彎曲微分方程為：

L段中點撓度：

υ0和θ0扔按式(4)、（5)進行求解 ；

4 縱向上的位移求解

假設不管軸力是拉力或者壓力，上面的理論計算過程只能得出f和So的管線特征，我們還需要利用到滑坡段內(nèi)、外管道的縱向位移，以及位移的連續(xù)特征，推到出f、So之間的方程式，這樣才可以求解。

先以滑坡體內(nèi)管道為研究對象，利用管段L的軸向應變的幾何非線性：

式中:εx為軸向應變；μ為軸向位移，m；

式中：F為橫截面積，m2； 為線性膨脹系數(shù)； 為操作溫度與敷設溫度之差； 為泊松系數(shù)； 為內(nèi)壓P引起的環(huán)向應力；聯(lián)立式(8)、(9)得出：

對式(10)進行定積分，將管段的撓度近似取為 。對式(10)的兩邊關于x在[0，L]得出：其中 為管道在x為0處的縱向位移；

除此之外，把滑坡體外的情況進行研究。根據(jù)縱向位移的連續(xù)性，方程(11)當中的解可以按如下方式確定：

cx0為滑坡體外土壤的阻力綜合系數(shù)N/m3；tf為滑坡體外土壤的極限抗剪強度，N/m；

因此，可用由(11)、(12)、(13)推導得出一個關于f和So的關系式，f和So得出后，No、Mo、Mc即可以確定，管道的縱向應力也可以確定。

5 結(jié)論

由此，通過以上的分析計算，就以推導得出滑坡情況下管道的內(nèi)力和相應的位移變化，通過現(xiàn)場測量值與理論分析值的對比，可以確定管道的危險等級，從而采取有效的措施保證油氣管道的安全運行。