崩塌落石沖擊埋地輸氣管道數值模擬研究

趙 偉，肖 芳

（1.四川嵐強石油天然氣工程勘察設計有限責任公司，四川成都 610000；2.中國石油工程建設有限公司西南分公司，四川成都 610000）

崩塌的發生與地質、地貌、氣候水文以及人類活動等許多環境因素密切相關，是各種因素綜合作用的結果。在輸氣管道途徑崩塌落石地區時，由于落石的大小不同，落到地面后對埋地輸氣管道的沖擊作用也不相同，在不同沖擊作用下，落石對埋地輸氣管道的影響也不相同，嚴重時將發生管道失效，因此研究落石沖擊埋地輸氣管道尤為重要。

1 落石沖擊埋地管道的有限元模型建立及參數設置

1.1 有限元模型建立

建立落石沖擊埋地輸氣管道的有限元模型，由于對稱性，為了節約計算機時長建立1/4 有限元模型。該有限元模型共涉及三種材料：土體、落石和管道。落石從高處下落到地面時，由于有重力勢能所以具有能量，假設土體為均質、各向同性的介質。落石下落至地面時，落石與土體表面之間的接觸取面面接觸，接著采用罰函數方法計算該動力接觸問題。由于該埋地輸氣管道有限元模型的對稱性，因此選擇LSDYNA 程序中提供的3D solid 六面體單元對落石、土體和埋地管道分別進行網格劃分，將落石與土體、土體與管道面之間的接觸方式設置為面面自動接觸方式。

1.2 模擬參數設置

數值模型中分別考慮落石直徑為0.5m、1m、1.5m，落石下落高度5m、10m、15m，埋地管道埋深1m、2m、3m，計算工況27個，具體如表1所示。

表1 計算工況條件及編號

2 數值模擬結果及分析

重點分析10-5-2工況，得到如下的結果。

2.1 數值模擬結果

通過對上述五種工況進行落石沖擊埋地輸氣管道數值模擬后得到模擬結果，如圖1所示。

圖1 工況10-5-2在Y方向的位移和總位移

從圖1可看出：在相同落石直徑及落距的條件下，隨著埋深的增加，輸氣管道受到影響的程度減小；在相同輸氣管道埋深及落距的條件下，隨著落石直徑和重量的增大，埋地輸氣管道受到影響的程度增加；在相同埋深和落石直徑、重量的條件下，隨著落距的增大，埋地輸氣管道受到影響的程度增加。

2.2 數值模擬結果分析

2.2.1 落石沖擊力分析

以落石下落高度為10m，管道埋深為2m 的工況（10-5-2）為例進行數值模擬，最終得到落石向下沖擊過程中落石沿豎直方向上的速度時間關系圖、位移時間關系圖，分別如圖2、圖3所示。

圖2 工況10-5-2落石的速度時間關系圖

圖3 工況10-5-2落石的位移時間關系圖

從圖2可知，在落石下落碰撞到土體后的0.28s，落石的速度減小為0；從圖3可知，此時刻對應的落石位移達到最大值0.70048m。該時刻后落石有一小段是向上逐漸增大的速度，但是該速度很快達到峰值然后衰減為0，此時段被稱為落石的反彈階段，隨后落石一直停止在0.68m 處。碰撞后落石向下貫入土體，土體的反作用迫使落石逐漸減速，向下的位移逐漸增大。

2.2.2 土體應力分析

以工況10-5-2為例說明落石沖擊作用下埋地管道上覆土層土體應力情況。為了使觀測更加直觀，將有限元模型關于X-Y 平面鏡像，得到1/2有限元模型。不同時刻土體豎向應力等值線圖如圖4所示。

圖4 不同時刻土體豎向應力等值線圖

從圖4可看到：由于動應力的傳播是一個過程，各深度出現最大沖擊力是隨著深度而延遲，反映了土應力在土體中的衰減，其衰減速度比布辛尼克斯法計算地小。同時沖擊應力在管土接觸面出現了應力集中現象。對比圖4a 與圖4b：在（a）圖20ms 時豎向應力尚未傳遞到埋地管道，此時應力分布與強夯下土體應力分布相似；在（b）圖中，40ms 時豎向應力已經傳遞到埋地管道，由于管道的存在，迫使豎向應力的分布形式發生改變，豎向應力在管道表面集中，與靜力學荷載分布形式相似，但是應力更加集中。這是由于埋地管道剛度遠大于土體，管道的位移小于土體產生的位移，在管頂平面出現沉降差，從而導致土體豎向應力向管道頂部轉移，造成管頂豎向應力集中現象。

2.2.3 管體應力分析

在相同落石直徑及落距的條件下，隨著埋深的增加，管體受到的有效應力越小；在相同輸氣管道埋深及落距的條件下，隨著落石直徑和重量的增大，管體受到的有效應力增加；在相同埋深和落石直徑、重量的條件下，隨著落距的增大，管體受到的有效應力增加。

以管道埋深為1m，速度為15.1m/s 時情況為例分析落石沖擊下管體應力情況。管體應力時程曲線如圖5所示。

圖5 管體應力時程曲線

圖5（a）為29ms 時管體有效應力沿管周分布曲線，在管道頂部產生最大有效應力，在管體兩側處有效應力最小，在管體底部出現另一個極值，但小于管頂應力。

管體頂部單元有效應力時程曲線見圖5（b），最大Mises 應力已達485MPa，管道材料已經發生屈服。管頂出現應力的時間是9ms，表明沖擊荷載在土體中的傳播需要時間，管體出現最大有效應力的時間是29ms。

3 結論

1）落石沖擊荷載作用時間很短，一般為10-3～10-2s。在巖土體材料、落石體積確定的情況下，崩塌落石最大沖擊力與速度近似成正比關系。

2）落石沖擊力在土層中的傳播有一個過程，各深度出現最大沖擊力的時間隨著深度增加而增加，表明沖擊應力在土體中的衰減，其衰減速度比布辛尼克斯法計算的小。

3）在落石沖擊作用下，土體豎向應力在埋地管道表面將出現應力集中現象，其分布形式與靜力學荷載分布形式相似，但是應力更加集中。

4）在落石沖擊埋地輸氣管道的整個過程中，沖擊中心正下方為管道最危險截面處，最大位移出現在管道頂部，管道底部和兩側的位移量均小于頂部，最大有效應力也出現在管道頂部。