滑坡對縱向埋地管道的變形特征與減災對策

唐俊杰， 樊曉一， 姜元俊

(1.西南科技大學土木工程與建筑學院， 綿陽 621010； 2.西南石油大學土木工程與測繪學院， 成都 610500； 3.中國科學院成都山地災害與環境研究所， 成都 610041)

隨著國民需求以及經濟社會的發展，管道以其高效性越來越廣泛應用于石油和天然氣的運輸，受區域地形地貌以及地質條件的限制，管道的埋設不可避免地穿越地勢復雜，地質災害頻發地段，而滑坡作為主要的地質災害之一，嚴重威脅著管道的安全運營。通常情況下，小規模滑坡會導致管道發生彎曲、拉伸等變形，影響管道的正常運行，災難性滑坡則會導致管道發生泄露、爆炸等重大事故，對管道安全運營及沿線人民生命財產安全造成嚴重威脅。

埋地管道遭受滑坡變形破壞也一直是中外眾多學者關注和研究的重點。蔣宏業等[1]采用光滑粒子流體動力學與有限元耦合算法研究了成品油管道遭受滑坡作用的力學響應；文獻[2-4]建立了橫向滑坡作用下埋地管道受力變形的簡化力學模型， Vasseghi等[5]采用有限元分析(finite element analysis,FEA)方法計算了管道對地面位移的響應；Zhang等[6]研究了滑坡與管道的相互作用。文獻[7-8]進行了橫向滑坡作用下管道受力計算；林冬等[9]建立了大尺度的土質滑坡與管道相互作用模型，并分析了滑坡作用下管道的應力變化規律；Han等[10]采用有限元法模擬了不穩定邊坡運動下管道的應力和變形的變化規律；Katebi等[11]采用有限元軟件對三個典型管道滑坡案例進行了模擬，并將模擬結果與實測數據進行了對比；鄧道明等[12]推導了橫穿管道受到滑坡作用的內力和位移計算表達式；陳利瓊等[13]對比分析了CAESAR II軟件和ANSYS軟件計算的管道遭受滑坡作用的應力變化結果；李華等[14]利用ANSYS軟件探討了管道在發生滑坡作用時的受力特征。

綜上表明，近年來對埋地管道遭受滑坡作用響的研究主要集中于滑坡作用橫向布置管道(即滑坡主滑方向與管道走向垂直)的研究，而當管道翻越地形起伏的山地區域時，管道的走向會沿斜坡的坡向布置。當斜坡失穩發生滑動時，滑坡位移導致縱向布置管道受到土體推擠，在坡頂及坡腳段產生應力集中，從而使管道發生變形甚至彎曲破裂，如西氣東輸、忠武管道等典型管道滑坡案例[15-16]。滑坡對縱向布置的埋地管道作用也是滑坡的主要災害模式之一，其與滑坡對橫向布置埋地管道的變形破壞機制與應力變化規律存在顯著差異，而目前對這類災害模式的研究相對缺乏。

采用ABAQUS軟件開展滑坡作用于縱向埋地管道變形破壞規律研究，分析滑坡幾何形態對管道變形破壞規律的影響，以及改變管道徑厚比、埋深、內壓值對減小滑坡作用下管道變形破壞的效果，以期為石油天然氣管道防災減災提供參考。

1 有限元模型

采用ABAQUS有限元軟件模擬埋地管道遭受縱向滑坡作用變形破壞過程，采用強度折減法開展靜態力學性能模擬的研究。模型尺寸參考岙冊線、儀長線、甬寧線三條輸油管線近兩年的管道滑坡實例，根據滑坡實例的工程地質條件，采用飽和狀態下的粉質黏土、天然下的粉質黏土以及花崗閃長巖作為模型滑坡區、滑坡兩側的支撐區和基巖的材料，L320鋼管作為管道材料，土體和管道具體材料參數見表1。基于理想彈塑性模型，土體材料遵循莫爾-庫侖強度準則，埋地管道采用Ramberg-Osgood 本構，管道與管周土體選用表面與表面的接觸；同時采用四結點曲面殼單元對管道進行網格劃分，管道環向為24個單元，近似尺寸為0.086，共42 840個殼單元；八結點正六面體單元對滑坡體和滑床進行網格劃分，滑坡區長寬單元尺寸分別為1.5和1.0，厚為12個單元，支撐區長度和厚度劃分與滑坡區相同，寬度單元尺寸為3.0，基巖全局尺寸為10，土體模型共97 800個單元。計算時固定基巖底部X、Y、Z三個方向、模型前后面X方向以及左右面Z方向位移，并限制管道兩端X方向(模型見圖1)。

表1 材料參數取值表

圖1 滑坡模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of landslide model

2 縱向滑坡對管道變形的影響

2.1 管道形變規律

為說明縱向滑坡作用下管道形變規律，以滑坡長度90 m、厚度6 m、坡度40°，管道縱向穿越滑坡模型計算結果為例，分別分析滑坡作用下管道軸向應變、軸向位移變化規律以及滑坡土體位移與管道應變、管道位移關系，模型得到的滑坡和管道位移云圖如圖2和圖3所示。設定模型管道位于坡腳平臺末端為起點，位于坡頂平臺末端為終點，滑坡體內管道主要集中在管道軸向距離30～120 m段。

圖2 滑坡位移變形云圖Fig.2 Landslide displacement deformation nephogram

圖3 管道位移變形云圖Fig.3 Cloud map of pipeline displacement and deformation

由圖4可知，埋地管道遭受縱向滑坡作用下，管道應變主要發生在滑坡坡腳和滑坡后緣部位，其中坡腳處管道應變最大，同時滑坡坡腳以及滑坡后緣管道均發生較大位移，而縱向滑坡作用下管道的最大位移發生在滑坡體內距離坡腳10 m左右的范圍。雖然滑坡坡腳處管道位移不是最大，但是由于坡腳上方滑坡土體強度不斷減小，坡腳平臺受到的上方土體壓力不斷加大，從而導致坡腳處管道受到的土壓力變大，管道應變最大，所以坡腳處管道主要是受到坡腳上方土體壓力加劇導致的變形。滑坡后緣管道主要由于滑坡體內管道受到管周土體摩擦力，從而隨滑坡土體變形發生較大位移，致使滑坡后緣管道受到拉伸變形，發生較大的應變。滑坡體形變過程中受到地形影響，土體會在滑坡體內距離坡腳10 m左右范圍堆積，從而土體向外推擠管道，致使管道發生變形。

圖4 滑坡位移1.2 m時管道位移和應變圖Fig.4 Displacement and strain diagram of pipeline when landslide displacement is 1.2 meters

由圖5可知，在縱向滑坡作用下，埋地管道的應變和位移都隨滑坡土體形變位移加大而增大，同時管道應變和位移與滑坡土體位移的關系都在滑坡土體位移為0.7 m時發生轉折，在滑坡土體位移達到0.7 m后，管道的應變變化受土體位移影響程度減小，而管道的位移受滑坡土體位移變形程度加大。

圖5 管道應變和位移與滑坡位移關系Fig.5 Relationship between pipeline strain and displacement and landslide displacement

2.2 滑坡幾何形態參數對管道變形的影響

滑坡體的幾何形態是影響埋地管道遭受縱向滑坡作用變形及破壞程度的重要原因，本文中采用單一影響因素對滑坡體形態的滑坡坡度、滑坡長度、滑坡厚度三個方面分別研究，討論其值改變對縱向滑坡作用下管道應變變化的影響。表2為單一影響因素的滑坡形態取值表。

表2 滑坡幾何形態取值

由圖6～圖8可知，滑坡體位移相同的距離，滑坡體的坡度、長度、厚度變大都會加大管道遭受縱向滑坡作用發生的應變。滑坡體形態不同因素的改變對管道變形破壞規律不同，滑坡體位移相同的距離，滑坡體的坡度越大，管道受縱向滑坡作用下變形程度越明顯；滑坡體長度的改變并不影響管道初期應變變形速率，當土體位移超過1.0 m時，滑坡體越長管道應變的變形速率會越大；滑坡體的厚度不同，管道應變變形差異較大。

圖6 滑坡坡度對管道應變影響Fig.6 Influence of landslide slope on pipeline strain

圖8 滑坡厚度對管道應變影響Fig.8 Influence of landslide thickness on pipeline strain

圖7 滑坡長度對管道應變影響Fig.7 Influence of landslide length on pipeline strain

為比較滑坡體幾何形態的滑坡坡度、滑坡厚度、滑坡長度三個因素值改變對埋地管道遭受縱向滑坡作用應變變形的重要性影響，采用正交實驗三個因子(A:坡度，B：厚度，C:長度)三個水平，共9組實驗，選取各工況滑坡土體位移1.6 m時管道的應變為對比指標。由表3可知，埋地管道遭受縱向滑坡作用下，滑坡體厚度改變對管道應變變化最大，其次是滑坡體長度的改變，最后是滑坡體坡度的改變。

表3 滑坡幾何形態正交實驗

3 管道要素對管道變形特征的影響

受中國山地地形及地質條件影響，管道不可避免會穿越滑坡災害易發區，為增加管道遭受縱向滑坡的抗災能力，從管道埋設深度、管道徑厚比、以及管壓三方面展開研究，討論單一影響因素下各種值的改變對管道抗災能力的影響，為管道穿越滑坡災害區設計提供參考。

現有研究表明依據管道的應力作為評判管道狀態過于保守，導致資源浪費，本研究采用管道應變分析，并選取管道應變達到2%即判斷管道破壞。

3.1 徑厚比

由圖9可知，管道的徑厚比越大，縱向滑坡作用下管道的應變變形越大，且滑坡體位移相同的距離，不同徑厚比管道遭受縱向滑坡作用應變、差異明顯。設定管道應變達到2%即為破壞失效，管徑比分別為77.2、64.2、55.5的三種管道達到管道破壞閾值需要的滑坡土體位移距離分別為1.575、1.764、1.945 m，相較徑厚比為77.2的管道，后兩種徑厚比管道抵抗縱向滑坡作用應變變形破壞分別增強12%和23%。因此，減小管道的徑厚比有利于增強埋地管道遭受縱向滑坡作用的抗災能力。

圖9 管道徑厚比對管道應變影響Fig.9 Influence of diameter-thickness ratio on pipeline strain

3.2 管道埋深影響

由圖10可知，管道的埋深越小，縱向滑坡作用下管道的應變越小，相同滑坡位移下，不同埋深的管道遭受縱向滑坡作用應變變形差異不大。選取管道應變達到2%即為破壞失效，管道埋深0.9、1.2、1.5 m三種情況下遭受縱向滑坡作用達到破壞閾值需要的土體位移分別為1.678、1.575、1.494 m，相較管道埋深1.5 m，前兩種埋深的管道抵抗縱向滑坡作用破壞增強12%和5%。因此，減小管道的埋深有助于提高埋地管道遭受縱向滑坡作用的抗災能力。

圖10 管道埋深對管道應變影響Fig.10 Influence of buried depth on pipeline strain

3.3 管道內壓影響

由圖11可知，管道的內壓值越大，縱向滑坡作用下埋地管道的應變越大，相同滑坡位移下，管道內壓對埋地管道遭受縱向滑坡作用的應變變形影響明顯。設定管道應變達到2%即認為管道失效，管道2.4、4.8、7.2、9.6 MPa四種不同內壓情況下遭受縱向滑坡作用達到破壞閾值需要的土體位移分別為1.575、1.459、1.333、1.248 m，相較管道內壓9.6 MPa,前三種管道內壓強、抵抗縱向滑坡作用變形破壞提高26%、17%和6%。因此，減小管道內壓有助于提高管道抵抗縱向滑坡作用的抗災能力。

圖11 管道內壓對管道應變影響Fig.11 Influence of pipeline internal pressure on pipeline strain

3.4 減災方案分析

為管道穿越縱向滑坡選取最佳的設計方案，本文中采用優劣解距離法對減小管道埋設深度、徑厚比、以及管壓三種方案從管道施工難易程度、成本、減災效果以及運營管理4個方面進行評價，選取管道穿越縱向滑坡的最佳設計方案。

優劣解距離法是一種常用的綜合評價方法，其結果能精確地反映各評價方案之間的差距。本文中采用數字1～10對各個方案的指標評分，并將施工難易程度、成本和運營管理與結果負相關轉化為正相關，采用優劣解距離法處理數據，最后對三個方案的結果按大小進行對比評價，結果越高代表方案越佳，結果見表4。

表4 方案對比

由表4可知，從施工難易程度、成本、運營管理以及減災效果四個尺度對埋地管道遭受縱向滑坡作用的減小管道埋深、徑厚比以及管道三種減災方案對比，發現為增強埋地管道遭受縱向滑坡作用的抗災能力最佳方案是減小管道徑厚比，其次是減小管壓，最后是減小管道的埋深。

4 結論

采用ABAQUS軟件展開埋地管道遭受縱向滑坡作用下，管道變形規律、滑坡幾何形態對管道變化規律影響研究以及討論和對比了減小管道埋深、徑厚比以及管道三種減災方案得出以下結論。

(1)縱向滑坡作用下埋地管道在坡腳和滑坡后緣管道應變變形較為突出，其中坡腳處管道應變變形最大；管道在滑坡體內距離坡腳10 m左右管段發生最大位移；管道應變和位移都隨滑坡體位移加大而變大。

(2)滑坡體的坡度、長度、厚度越大，埋地管道遭受縱向滑坡作用應變變形越大，且滑坡體的厚度對管道遭受縱向滑坡作用變形影響最大，其次是長度，最后是坡度。

(3)減小管道的徑厚比、埋深、管壓都能有效提高埋地管道遭受縱向滑坡作用的抗災能力，從施工難易程度、費用、運營成本、減災效果四個方面考慮，減小管道徑厚比方案最佳，其次是管壓，最后是改變管道埋深。