橫穿滑坡天然氣管道失效機制研究

韓俊杰 黃迪文 汪海超 王正鴻 鄧清祿

摘要：中緬天然氣管道在貴州省晴隆縣境內橫穿蔣壩營滑坡。該管道兩端邊界巖土性質具有不對稱性，一端為土-土邊界，另一端為土-巖邊界。考慮到管道兩端邊界巖土性質存在差異，建立了靜力學模型，對管道的內力和變形進行分析，以揭示滑坡推力作用下該管道的力學響應特征。結果表明：① 管道橫穿的滑坡段處于不安全或破壞狀態，不安全或破壞位置位于土-巖邊界端;② 管道的撓度分布曲線呈近似正態分布曲線形態，最大撓度位于中心偏土-土邊界端一側;③ 管道的彎矩分布曲線呈拋物線形態，管道中部外側受拉，兩端內側受拉，土-巖邊界端彎矩絕對值最大，管道最易發生破壞。研究成果可為類似存在敷設邊界差異的管道橫穿滑坡的安全評價及防治方案的論證提供參考。

關 鍵 詞：天然氣管道; 邊界差異; 靜力學模型; 強度校核; 蔣壩營滑坡

中圖法分類號： X43 ? 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.032

0 引 言

長距離輸送石油或天然氣管道（長輸油氣管道）是典型的線性工程，是國家不可或缺的能源輸送渠道。管道在敷設過程中會穿越不同的地形地貌單元，穿越區域的地質條件具有復雜性，其獨特的敷設方式將導致這些區域發育的各類地質災害不可避免地威脅長輸油氣管道的建設及安全運營。其中，滑坡災害引起的管道安全事故在管道地質災害中所占比例較高且危害性突出，管道敷設地段遇滑坡，會使管道發生變形乃至斷裂燃爆，也會對國家造成巨大的經濟損失以及環境影響[1]。

針對滑坡災害對油氣管道的危害，國內外學者均有一定的研究。林冬等[2]和吳銳等[3]根據管道走向與滑坡的滑向關系，將管道敷設方式分為橫穿滑坡、縱穿滑坡和斜穿滑坡3類，其中，橫穿滑坡即橫向滑坡對管道的危害最大。對橫向滑坡作用下管道內力和變形的研究，勃洛達夫金[4]和貝卡夫等[5]對橫向和縱向滑坡作用下管道的不同受力狀態進行了研究;Rajani等[6]在未考慮管-土相互作用的情況下，利用簡化法研究了無限寬橫向滑坡作用下管道的力學響應行為;Chan等[7]在考慮管-土相對位移的情況下，得出了3種典型滑坡作用下管線的應變模型;Challamel等[8]利用一種復合的模型探討了管-土相互作用;王滬毅[9]結合朗肯土壓力理論與地基學原理，建立了橫穿滑坡作用下管道的受力模型;梁政[10-11]、鄧道明等[12]、吳銳等[12]和王磊等[13]將滑坡體外的管道假設為半無限長梁，將滑坡體內的管道假設為大撓度梁，求導出了管道在橫向滑坡作用下內力和撓度的計算表達式;黃坤等[14]、唐正浩等[15]、Yatabe等[16]和Evans[17]采用數值模擬的方法對埋地管道的受力及變形特性開展了研究。

前人研究所取得的關于橫向滑坡作用下管道受力及變形狀態的認識，可為滑坡區域管道保護提供科學的指導。但已有的研究均將管道橫穿滑坡的模型簡化為對稱模型考慮，而對可能存在的不對稱條件，即管道橫穿滑坡兩側邊界處的巖土性質差異，未予以考慮。

本文以中緬天然氣管道橫穿蔣壩營滑坡為研究實例展開研究，其管道穿越滑坡體敷設的兩端邊界處巖土性質具有不對稱性，一端為土-土邊界，另一端為土-巖邊界。2018年6月10日，該滑坡滑動變形，導致管道土-巖邊界端發生斷裂爆燃。通過建立管道橫穿滑坡且兩端敷設條件存在差異情況下的力學模型，來分析管道的內力和變形特征，并認識了蔣壩營滑坡作用導致管道變形破壞的機理。本文研究成果可為具有不對稱巖土邊界條件的類似管道滑坡開展安全評價及防治方案的論證提供指導與參考。

1 滑坡作用下管道的靜力學模型

在橫向滑坡中，將滑坡體外的管道假設為半無限長梁，將滑坡體內的管道假設為受當量軸力S0作用的大撓度梁。引入縱橫彎曲和管梁幾何方程的非線性問題，對管道的內力和變形特征進行研究[3，10-13]。本研究中，假設滑坡體作用在管道上的推力q沿滑坡寬度L均布[4]。管道穿越滑坡體兩側的敷設條件存在差異，一側為土-土邊界，另外一側為土-巖邊界。本文在考慮管溝回填土參數相似的前提下，假設滑坡體兩側的管道縱向拉伸保持對稱性[12]，土-巖邊界端一側限制管道橫向變形及轉動。為此，建立了兩端邊界巖土性質存在差異的管道橫穿滑坡情況下的力學模型，如圖1所示。

圖1中各符號所代表示含義如表1所列，其中，x=L處截面的轉角和撓度均為0。

由于受溫差和內壓以及滑坡體作用在管道上的推力q等因素的綜合作用，S0有時為拉力，有時為壓力[12]，需分別考慮S0為拉力和壓力時進行求解。

求出N0后即可求出S0，進而求出M0，Q0，ML和QL及撓度最大點f處截面的彎矩Mf。上述力學模型下管梁的最大撓度f不易求得，本文采用MATLAB軟件建立了管道撓度y與S0的函數關系式和縱向位移連續性中f與S0的函數關系式，通過列出一系列N0代入y與S0的函數關系式，利用求極值函數可求得ymax=f與S0的關系曲線，與代入縱向位移連續性中f與S0的另一關系曲線的交點即為所求結果。

2 蔣壩營滑坡管道受力分析

2.1 滑坡基本特征

蔣壩營滑坡位于貴州省晴隆縣沙子鎮三合村蔣壩營北。滑坡為一蠕滑型推移式土質滑坡，縱長約200 m，橫寬約130 m，滑向約300°，平均坡度約8°。滑坡區地勢北西低南東、東高，北西側溝谷區高程約1 238～1 247 m，南東、東側為建筑棄土堆積形成的2處平臺，平臺后緣處高程約1 290 m，高差約40～50 m，屬于低中山地貌區。滑坡體物質主要由第四系全新統殘坡積（Qel+dl4）粉質黏土組成，滑坡體北東側管道穿越處為第四系全新統殘坡積（Qel+dl4）碎石土和二疊系上統龍潭組（Pl2）碳質頁巖、灰巖交界處。蔣壩營滑坡概貌如圖2所示。E5411BA3-6736-4231-8262-B0A17A3C61C0

中緬天然氣管道從滑坡前緣橫坡穿越，由于滑坡后部建筑棄土堆載和持續降雨引發滑坡持續蠕動變形，導致前緣中緬天然氣管道擠斷燃爆，管道最大垂向偏移距離達1.8 m。管道破壞位置位于滑坡北東側基巖體與松散堆積碎石土的交界位置，管道受到橫向約束難于發生橫向位移和轉動。滑坡體主要由粉質黏土組成，具有較好的塑性和變形條件。滑坡作用下的管道現狀如圖3所示。

2.2 管道受力計算分析

中緬天然氣管道晴隆縣境內鋼材為X80型鋼，鋼材對應的最小屈服強度σs=555 MPa，管道規格為1 016.0 mm×12.8 mm（外徑×壁厚），管道輸送壓力根據兩閥室出站和進站壓力取為p=7.34 MPa。滑坡段管道的穿越長度L=130 m，管道的平均埋深h=2.0 m。公式中其他計算參數選取如表2所列，其中，滑坡體作用在管道上的推力q根據參考文獻[4]下塌泥土作用在管線上的壓力公式求取。

根據第1節所建立的力學公式，利用MATLAB軟件聯立方程，即可求得f和S0，并帶入相應的彎矩及剪力方程中，可求得在滑坡體推力的作用下該管道的內力和變形，詳見表3，圖4～5。

根據表3和圖4可知：管道的變形y（撓度）分布曲線呈近似正態分布曲線形態，由于管道穿越滑坡體敷設的兩端邊界處巖土性質具有不對稱性，滑坡體中管道的最大撓度f位于x=59.616 2 m處，即位于中心偏土-土邊界端一側，向兩端撓度逐漸變小，左側（土-土邊界端一側）減小至v0，右側（土-巖邊界端一側）減小至0，且最大撓度f=1.715 m與管道實際最大垂向偏移距離較為接近。

根據表3和圖5可知：管道彎矩分布曲線呈拋物線形態，彎矩由左側（土-土邊界端一側）的正值變為中部的負值然后變為右側（土-巖邊界端一側）的正值。根據第1節靜力學模型彎矩方向的假設，彎矩為正代表管道內側即靠近滑坡體一側受拉，彎矩為負代表管道外側即遠離滑坡體一側受拉，由此可判斷管道中部外側受拉，兩端內側受拉。但右側邊界（土-巖邊界端）彎矩ML=3 424.4 kN·m大于左側邊界（土-土邊界端）彎矩M0=1 553.7 kN·m，且均大于最大撓度f點彎矩Mf=1 333.7 kN·m，因此管道位于土-巖邊界端位置最易發生破壞。

3 蔣壩營滑坡管道強度校核

3.1 強度校核理論

管道在滑坡體推力作用下會產生軸向應力，在輸送天然氣壓力作用下會產生徑向應力和環向應力。需將產生的應力根據第三強度理論[19]或第四強度理論進行疊加，然后與管道的許用應力進行比較，對管道的安全狀態進行判斷。對小于許用應力，判斷管道處于安全狀態;相反，考慮到焊縫可能存在缺陷以及鋼材缺陷，管道處于不安全或破壞狀態。

根據第三強度理論和第四強度理論驗算結果，在滑坡推力作用下，管道土-土邊界端環向應力和軸向應力的組合應力小于許用應力，由此可判斷土-土邊界端管道處于安全狀態。土-巖邊界端環向應力和軸向應力的組合應力大于許用應力，由此可判斷土-巖邊界端處于不安全或破壞狀態。蔣壩營滑坡管道實際破壞發生斷裂燃爆位置位于土-巖邊界端，土-土邊界端未發生破壞，強度校核結果較好地符合了管道實際破壞情況。

4 結 論

（1） 蔣壩營滑坡管道的變形（撓度）分布曲線呈近似正態分布曲線形態，由于管道穿越滑坡體敷設的兩端邊界處巖土性質具有不對稱性，滑坡體中管道的最大撓度位于中心偏土-土邊界端一側，向兩端撓度逐漸減小，左側（土-土邊界端一側）減小至v0，右側（土-巖邊界端一側）減小至0，且最大撓度f=1.715 m，與實際管道最大垂向偏移距離較為接近。

（2） 蔣壩營滑坡管道的彎矩分布曲線呈拋物線形態，彎矩由左側（土-土邊界端一側）的正值變為最大撓度f點的負值然后變為右側（土-巖邊界端一側）的正值。管道中部外側受拉，兩端內側受拉。右側邊界（土-巖邊界端）彎矩ML大于左側邊界（土-土邊界端）彎矩M0且均大于最大撓度f點彎矩Mf，管道位于土-巖邊界端位置最易發生破壞。

（3） 強度校核計算表明，在滑坡體的推力作用下，管道土-土邊界端的組合應力小于許用應力，由此可判斷土-土邊界端管道處于安全狀態。土-巖邊界端的組合應力大于許用應力，由此可判斷土-巖邊界端處于不安全或破壞狀態，這與蔣壩營滑坡實際管道破壞位置相符合。

（4） 區別于對稱模型下管道內力和變形具有對稱性，對于兩端邊界處巖土性質具有不對稱性的管道，關注重點位于強約束端，即土-巖邊界一端，也是管道建設和運營期間進行監測和防護的重點位置。

（5） 在滑坡體的推力作用下，兩端邊界處巖土性質具有不對稱性的管道在位于強約束端，即土-巖邊界一端更易破壞，在建設期過程中，可以采用擴大管溝開挖范圍、增加回填土體積等措施弱化土-巖邊界影響，以降低管道破壞失效風險。

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（編輯：趙秋云）E5411BA3-6736-4231-8262-B0A17A3C61C0