淺層滑坡對天然氣管道的應力影響研究

國家管網集團重慶天然氣管道有限責任公司

天然氣作為重要的資源是我國當代經濟發展的基礎能源，與人們生活息息相關。天然氣管道作為天然氣的運輸載體，其重要性也不言而喻，特別是長輸天然氣管道更是關系到上億人民的基本生活[1-2]。天然氣管道不僅容易受管道內燃氣燃爆的破壞，而且也容易受外部環境的影響，特別是外部地質災害的影響，其帶來的不僅是管道本身的破壞，更容易帶來次生災害和對社會經濟的影響[3]。長輸管道沿線的地形地質和其他外部條件極為復雜。滑坡是天然氣管道常見的地質災害[4-5]，特別是對于穿越山區的長輸管道。2016年7月“川氣東送”管道恩施市崔家壩鎮段山體發生滑坡，造成2 人死亡，9人受傷，101戶200余人受災，直接經濟損失近3 000萬元，間接經濟損失2 300余萬元[6]。

由于天然氣輸送管道本身的重要性，滑坡地質災害對其破壞的嚴重性，有必要對滑坡進行分析研究。隨著有限元技術的快速發展，利用有限元分析滑坡體的技術也比較成熟[7-10]，求解步驟為：選取坐標系，劃分單元，建立離散化有限元計算模型；給定材料參數，計算單元剛度矩陣；由單元剛度矩陣形成總剛度矩陣，建立系統平衡方程；引入邊界條件（荷載和位移邊界）；根據平衡方程求節點位移；根據幾何方程求單元應變等[11]。本文對某具體滑坡體進行有限元分析，并介紹其過程。

1 有限元模型的建立

涪陵—王場輸氣管道起于重慶市涪陵區白濤鎮工業園區，與焦石壩頁巖氣田1#、2#脫水站相連，終于重慶市石柱縣王場鎮，與川氣東送主管道相連。管道途徑地區多為山區地段，沿線地形地貌、地質構造復雜。全線均為中低山和丘陵地貌區，山巒起伏、溝壑縱橫，局部經過三峽庫區；分布碎屑巖和碳酸鹽巖兩大類，軟硬相間；構造眾多，巖層傾角較大，屬于我國地質災害較頻發地區，在持續暴雨的作用下，可能發生大規?；?，危及管道安全[12]。

具體滑坡點為王場輸氣管道工程西南部滑體，滑坡的滑體主要由崩坡積土組成，管道保護帶為人工填土。根據地表工程地質測繪，滑坡的平面呈不規則的“圈椅狀”，后緣及側緣以基巖為界，前緣出口位于沖溝南側，滑坡區橫寬約330 m，縱長約80～140 m，面積約28 600 m2?；麦w面積較大，如果全部進行建模模擬，則需要較大的計算資源。由圣維南原理可知，荷載只對具體作用點局部范圍內應力影響較大，對遠處影響較小，因此可以選取有限范圍內的滑坡體和管道進行模擬。根據監測結果，本次以圖1所示的轉彎段右側10 m，左側30 m，共計40 m 的滑坡段范圍進行模擬。從計算結果（橫向敷設的管道在距離轉彎段25 m以外受滑坡滑動影響較?。┛芍M范圍是合理的。

根據王場輸氣管道工程西南部滑體東側3'-3'和4'-4'剖面埋設的深部位移監測設備（SBWYJC3-3、SBWYJC4-4）（圖1）位移監測值的規律分析，SBWYJC3-3的3個測點的監測值符合埋深越大位移量數值越小的規律，因此選擇3'-3'剖面建立平面有限元模型，根據監測值開展該剖面管道位移計算，基于3'-3'剖面的管道位移作為管道三維模型的位移邊界條件開展管道應力分析[13-16]。

圖1 位移監測設備位置示意圖Fig.1 Location diagram of displacement monitoring equipment

根據3'-3'剖面滑體區域的地形地質條件，以及管道結構與邊坡空間相對位置，建立平面有限元計算模型，計算中考慮計算域的邊界效應，有限元模型自管道結構分別向坡內和坡外延伸至適當的范圍以外，鉛直方向底面取至基巖以外適當范圍。有限元計算坐標系統X軸為水平垂直管道軸線方向，指向坡外為正；Y軸鉛直向上；有限元計算模型建立時充分考慮滑坡材料分區界限。計算域采用空間四節點等參單元進行離散（局部考慮材料介質過渡和地形變化等因素退化為三角形單元），計算模型分為多個材料區域，有限元計算網格如圖2所示。邊界條件主要考慮監測點位的位移邊界條件。

圖2 平面有限元模型Fig.2 Plane finite element model

根據管道結構尺寸及空間位置，建立管道及填土的三維有限元計算模型，計算中考慮計算域的邊界效應，管道模型兩邊延伸至滑坡體以外適當范圍，具體模擬轉彎段管道在內的40 m 滑坡體范圍。有限元計算坐標系統定X軸為正東方向為正；Y軸為正北方向為正；Z軸與X和Y垂直，且Z=X×Y，鉛直向上。管道為薄壁結構，管道三維有限元模型采用四邊形shell 單元，填土采用實體單元進行離散[17]，考慮輸氣管厚度及力學參數，有限元計算網格如圖3所示。邊界條件主要考慮平面有限元計算得出的管道位移及管道的荷載組合。

圖3 管道-填土三維有限元模型Fig.3 Three dimensional finite element model of pipeline and filling

2 有限元計算分析

2.1 基于3'-3'剖面的管道位移分析

根據深部位移監測設備SBWYJC3-3 的監測值，在平面模型中監測點對應部位施加位移邊界條件，計算管道的位移值，圖4給出了回填土及管道的位移值，從分布云圖可知，管道和回填土在滑坡體現狀條件下的位移值約為0.05 m。

圖4 滑坡體SBWYJC3-3監測值條件下的管道及回填土的位移云圖Fig.4 Displacement nephogram of pipeline and backfill under the condition of SBWYJC3-3 monitoring value of landslide mass

2.2 滑坡體滑動條件下的管道應力分析

2.2.1 應力計算工況及荷載組合

基于SBWYJC3-3 的監測值的3'-3'剖面管道位移分析，得出3'-3'剖面填土及管道的位移約為5 cm，以此為位移邊界條件，在三維模型中的3'-3'剖面位置施加5 cm 的合位移約束，進行滑坡體中輸氣管道的應力分析。

為分析滑坡體在不同滑動狀態下管道的應力變化情況，主要進行了以下5種工況的有限元計算：

工況1：根據SBWYJC3-3的實際監測值計算得出，3'-3'剖面填土及滑塊位移為5 cm。荷載組合：填土及管道自重+氣壓8 MPa+3'-3'剖面填土及滑塊位移為5 cm。

工況2：3'-3'剖面填土及滑塊位移為10 cm。荷載組合：填土及管道自重+氣壓8 MPa+3'-3'剖面填土及滑塊位移為10 cm；滑坡體外的管道考慮為固端。

工況3：3'-3'剖面填土及滑塊位移為20 cm。荷載組合：填土及管道自重+氣壓8 MPa+3'-3'剖面填土及滑塊位移為20 cm；滑坡體外的管道考慮為固端。

工況4：3'-3'剖面填土及滑塊位移為30 cm。荷載組合：填土及管道自重+氣壓8 MPa+3'-3'剖面填土及滑塊位移為30 cm；滑坡體外的管道考慮為固端。

工況5：荷載僅考慮管道自重，滑坡體外的管道考慮為固端，滑坡失穩破壞，輸氣管道處于懸空狀態。

2.2.2 不同斷面的應力分布規律

根據不同計算工況下的管道-填土三維有限元計算，得出不同斷面的管道應力分布。輸氣管道的斷面位置如圖5所示。

圖5 王場輸氣管道典型斷面示意圖Fig.5 Typical section diagram of Wangchang Gas Transmission Pipeline

通過計算分析，在前述五種工況下工況5輸氣管道不同典型斷面的主應力較大，0-0、1-1、2-2、3-3、2'-2'、3'-3'、4'-4'、5'-5'、6'-6'斷面最大主應力均超過了L485 型輸氣管道的屈服強度。其中3-3斷面主應力分布如圖6所示。

圖6 在工況5條件下王場輸氣管道3-3斷面主應力分布Fig.6 Main stress distribution of section 3-3 of Wangchang Gas Transmission Pipeline under working condition V

2.2.3 在滑坡不同滑動條件下的應力分布規律

圖7～圖10 給出了輸氣管道在滑坡不同滑動條件下管道特征部位沿管道軸線的小主應力曲線。從圖中可知，滑坡體滑動對管道縱向敷設及靠近彎管橫向敷設的管道應力有較大影響[18]，橫向敷設的管道在距離轉彎段25 m 以外受滑坡滑動影響較小。隨著滑坡體滑動位移的增大，輸氣管道的拉應力量值也在相應增加，當3'-3'斷面填土及管道的位移達到30 cm時，管道左右側壁的拉應力量值已達到450 MPa，接近管道屈服極限485 MPa。

圖7 不同計算工況下FW100-2滑坡體內輸氣管道頂部特征點小主應力曲線Fig.7 Small principal stress curve of top characteristic point of gas transmission pipeline in FW100-2 landslide under different calculation conditions

圖8 不同計算工況下FW100-2滑坡體內輸氣管道底部特征點小主應力曲線Fig.8 Small principal stress curve of bottom characteristic point of gas transmission pipeline in FW100-2 landslide under different calculation conditions

圖11 給出了滑坡不同滑動條件下管道的拉應力極值曲線，從圖中可知，在滑坡滑動條件下，管道較危險的部位出現在管道轉彎部位，隨著破壞滑動的增大，對管道的影響增加，拉應力也相應增加。

圖12 給出了管道在滑坡失穩后完全懸空條件下管道特征部位延管道軸線的拉應力曲線，從圖中可知，在外露管道自重和滑坡體外管道的固端約束作用下，管道產生了較大的拉應力，縱向敷設的管道頂部拉應力均超過了500 MPa，橫向敷設中部區域管道的底部拉應力也超過了管道的屈服極限[19]。

圖9 不同計算工況下FW100-2滑坡體內輸氣管道左側特征點小主應力曲線Fig.9 Small principal stress curve of left characteristic point of gas transmission pipeline in FW100-2 landslide under different calculation conditions

圖10 不同計算工況下FW100-2滑坡體內輸氣管道右側特征點小主應力曲線Fig.10 Small principal stress curve of right characteristic point of gas transmission pipeline in FW100-2 landslide under different calculation conditions

圖11 不同計算工況FW100-2滑坡體內輸氣管道拉應力極值曲線Fig.11 Extreme value curve of tensile stress of gas transmission pipeline in FW100-2 landslide under different calculation conditions

圖12 在工況5（管道懸空）條件下FW100-2滑坡體內輸氣管道特征部位小主應力曲線Fig.12 Small principal stress curve of gas transmission pipeline in fw100-2 landslide under working condition V(pipeline suspended)

3 結論

通過對滑坡體內的管道及回填土的三維有限元分析計算得出，滑坡滑動對輸氣管道轉彎部位較大范圍內的應力影響較大，拉應力均有不同程度提高，且隨著滑坡滑動位移的增大，管道拉應力量值增大。在充分考慮各種危險狀態下，可以將滑坡體某一位移量作為管道斷裂的閾值，當滑動量大于閾值時，管道存在撕裂的風險?；麦w的蠕變變形均會使管道拉應力增加，尤其是管道轉彎部位，應加強滑坡位移監測和隱患排查；對于位移量較大的滑坡除加強監控外還應采取必要的工程措施來治理滑坡。

對于王場輸氣管道工程西南部滑體東側3'-3'剖面管道及回填土部位的變形量約30 cm，管道轉彎局部部位的拉應力達到450 MPa，再考慮到管土相互作用回填土的剪切破壞，或滑坡失穩滑動后，輸氣管道會外露懸空，在管道自重和滑坡體外管道的約束作用下，管道兩端未出露部位和滑坡體中橫向敷設管道的中部較大范圍都會產生較大的拉應力，遠大于L485 輸氣管道的抗拉強度。因此可將30 cm作為3'-3'剖面管道及回填土部位的管道斷裂的閾值，當滑動量大于30 cm，管道存在撕裂的風險。