斷層作用下埋地管道力學響應及變形特征

韓淑琳

（國能誠信招標有限公司 北京 100161）

近年來，隨著我國基礎建設的加快，管道設施也逐步完善。地下管道是鋪設在地下用于輸送氣體、液體或者松散固體的管道，隨著城市規模的不斷擴大，城市中的供水、供氣、通訊、熱力、電力和排污等管網系統是城市的基礎設施，發揮著重要的輸送作用，也被稱為城市地下生命線工程。

實際工程中，管道不可避免的會出現缺陷或裂紋，使得管道發生斷裂，從而造成惡性事故[1-5]。楊光和谷凱[6]以城市高壓輸氣管道的安全性現狀為背景，建立了數學模型，對泄漏量及沖擊波損害半徑進行了分析。周敏等[7]以埋地HDPE管道為研究對象，通過大尺寸模型試驗，研究了地層沉陷對埋地管道變形及受力的影響。陳利瓊[8]以輸氣管道穿越滑坡地段為研究背景，采用了數值方法分析了管道的應力分布規律并給出了建議措施。馮啟民和趙林[9]考慮了埋地管道與土體的相互作用，研究了大位移斷層作用下埋地管道的反應特征。金瀏和李鴻晶[10]研究了逆斷層作用下埋地管道的屈曲行為并分析了其相應的屈曲模態。

本文以位于斷層處的埋地管道為研究對象，通過數值分析方法，分析了斷層對埋地管道的應力影響及破壞情況。

1 工程背景

潛江—韶關段輸氣管道工程，北起湖北省潛江市，南至廣東省韶關市。埋地管道穿越溶洞、溶腔、突泥、突水、涌水、斷層、可溶巖、斷裂及破碎帶等復雜地層，具有地質復雜、山高路險，坡陡溝深的特點。潛江—韶關地下管網工程，為天然氣輸氣管道，管道幾何尺寸為：半徑0.4 m，管道壁厚0.02 m，管道長度為10 m，管道埋深1.6 m。

以某一段斷層破碎帶為例，工程所在地區主要為粉質土及石灰巖，圍巖等級以Ⅳ級、Ⅴ級為主。埋地管道處存在斷裂破碎，斷層線傾角為45°，如圖1所示。

圖1 管道位置及斷層示意圖

2 計算模型及參數

2.1 模型建立

針對工程方案，建立三維有限元模型，為消除邊界條件影響，模型長10.0 m，寬為7.0 m，高為8.0 m，模型底面設置固定約束，并施加重力荷載，三維有限元模型見圖2。

圖2 有限元三維模型

采用Adina有限元軟件，Adina有兩種斷裂算法，分別是Rupture和Frature算法。本工程實例通過建立結構地層和管道的三維Rupture模型，來模擬管道的破裂。

Rupture算法利用的技術是材料的應力-應變關系曲線圖，即當結構的材料應變值超過規定的材料應變值后，模型會自動刪除單元，從而模擬管道的破裂情況。

2.2 模型參數

土體采用修正摩爾-庫倫模型，該模型考慮了土體的雙硬化準則，對于大體量的隧道、管道開挖較為適用。該模型主要強度參數為內摩擦角φ、黏聚力c及剪脹角ψ。c、φ值可依據相關地質資料并結合當地經驗取值。

土體分為兩層，工程所在區存在斷裂破碎帶，土體斷層傾角為45°，每層土體的材料參數見表1。

表1 模型參數統計

管道假定為彈塑性材料，其彈性模量可取E=200GPa ，泊松比μ=0.3，密度ρ=7800kg/m3，管道多線性塑性材料的應力-應變關系曲線見圖3。

圖3 管道材料應力-應變關系曲線

2.3 邊界條件與荷載條件

土層底部為固定約束，考慮到為使管道受到剪切作用的荷載而發生破壞，在管道的兩端施加固定約束，以模擬不利工況。

整個模型施工重力荷載，為模擬管道破壞，假設斷層沿傾角有較小的位移，從而施加位移荷載。其位移函數假定為隨時間線性增加的函數，斷層最大位移為1 m，函數圖像見圖4。

圖4 斷層位移函數圖像

3 計算結果分析

針對埋地管道的受力及變形進行分析，埋地管道各時刻的應力分布云圖及破壞情況如圖5所示，表2為各時刻下管道的計算結果統計。

表2 埋地管道計算結果統計

圖5 斷層位移函數圖像

由圖5及表2計算結果可知：

（1）隨著斷層處位移的增大，管道中的應力明顯增加，且管道的Z向位移增大；

（2）T=0.4時刻，埋地管道的應變值超過材料限值，管道開始發生破壞；

（3）受斷層作用影響，管道的破壞位置基本在斷層滑移處。

隨著斷層處位移增大，管道翹曲現象越為明顯，T=1時刻，最小位移為0.002 m，最大位移為0.117 m。

4 結語

埋地管道時常出現斷裂或破壞現象，其設計參數合理與否直接影響到工程質量，本文以斷層地段的輸氣管道為研究對象，研究了斷層作用下管道的受力及變形情況，主要結論有下：

（1）隨著斷層處位移增大，管道應力增加，T=0.4時刻，管道材料應變值超限，開始發生破壞現象；

（2）斷層處管道有明顯的翹曲現象，且隨著斷層位移的增大，管道翹曲現象越為明顯，最大位移為0.117 m，斷層破碎帶的存在，會對埋地管道造成嚴重的影響。

（3）受斷裂構造影響，管道的破壞位置基本在斷層滑移處，工程建設應避免在斷層破碎帶，埋地管道穿越斷層破碎帶時，需要采取相應的保護措施。應通過勘測與采樣，查明斷層破碎帶地貌特征與規模、地層巖性、構造等，從而為工程建設創造基礎。