城鎮高壓燃氣管道地質災害監測預警技術分析

吳文林

(貴州燃氣集團股份有限公司, 貴州 貴陽 550004)

1 概述

我國城市燃氣事業發展迅速,燃氣管網建設日趨完善,2022年全國城市天然氣管道長度超過98×104km,管道燃氣普及率達到98.06%。燃氣管道在服役過程中面臨著外部干擾風險和管道本體風險,可能發生斷裂、變形、腐蝕、機械損傷等失效,嚴重影響管道安全運行和人民生命財產安全。因此,預測管道風險,避免惡性事故發生,提升管道本質安全,是燃氣行業亟待解決的難題[1]。本文針對城鎮高壓燃氣管道地質災害監測預警技術進行研究,就西南地區山區高壓燃氣管道地質災害監測必要性、地質災害監測預警技術類型及特點、地質災害監測預警技術應用等方面進行分析探討。

2 實施管道地質災害監測預警必要性

2.1 特殊的地質條件

貴州省境內山脈眾多,重巒疊嶂,綿延縱橫,山高谷深,是全國唯一沒有平原的內陸省份。貴州省屬于亞熱帶高原季風氣候,常年雨量充沛,具有降水集中、強度大、降水時間分布不均勻、局部小氣候明顯的特征,汛期暴雨、大暴雨等極端天氣多發,滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、水毀等地質災害時有發生,地質環境十分脆弱。地質災害點多面廣,具有隱蔽性、突發性、危害性強等特點,是我國易發多發地質災害的省份之一,地質災害防控壓力巨大[2-3]。

2023年上半年貴州省共發生地質災害24起,其中20起發生在入汛(4月15日)后。24起地質災害中,滑坡災害11起,崩塌災害10起,地面塌陷3起。從發生災害的時間看,汛期是地質災害主要發生時段;從發生災害的類型看,滑坡地質災害數量最多,造成的直接經濟損失最大;從誘發因素看,23起是降雨影響,1起是工程建設影響。

2.2 管道完整性管理要求

山區管道完整性管理中需嚴控3個主要風險,具體為管道本體質量隱患、地質條件變化及異常載荷、人類活動。在應對地質條件變化及異常載荷的方法和過程中,應用管道完整性管理技術可以大大提高管道地質災害預防和治理系統的安全性。基于完整性管理系統的各類管道基礎數據是應對地質災害、風險評價、決策支持的基礎,利用管道應力監測和地表裂縫監測可為預防地質災害損傷管道提供有效手段。

城鎮燃氣管道完整性管理是在長輸油氣管道完整性管理的基礎上提出的,借鑒長輸油氣管道的做法,城鎮燃氣高壓管道在數據采集與管理、風險識別、風險評價、風險控制等環節實施完整性管理。地質災害監測預警技術作為山區管道地質災害風險管控的信息化方法,是構建人防、物防、技防、信息防等體系重要技術之一。將地質災害監測預警管理與管道完整性管理相融合,成為目前保證管道安全的重要發展方向。

3 地質災害監測預警技術類型與特點

管道地質災害監測預警技術按照空間分布可分為天基監測預警技術、空基監測預警技術、陸基監測預警技術。按照監測設施復雜程度,可分為直接監測預警技術、間接監測預警技術、直接與間接聯合監測預警技術。按照監測對象分為管道本體監測預警技術、地質環境監測預警技術。

直接監測預警技術主要針對管道本體風險,監測參數主要為管道應力應變。間接監測預警技術主要針對管道外部干擾風險,監測參數主要為土壤壓力、土體變形(沉降)、地層水壓力等管道周圍地質災害環境因素,依靠光學影像或衛星雷達技術的天基監測預警技術、無人飛行器低空遙感的空基監測預警技術同樣屬于間接監測預警技術。直接與間接聯合監測預警技術綜合了前兩者技術特點,結合大數據處理技術,采用管道智能一體化監測系統[4],主要進行應力監測、變形監測、溫度監測、位移監測、陰極保護電位監測、泄漏監測、視頻監測等。

3.1 管道本體監測預警技術

① 技術分析

為避免管道在滑坡地質災害地段發生應力集中,誘發安全事故,開展管道應變監測。采用直接測量法,在管道外表面安裝應變傳感器測量應變,比較常用的應變傳感器包括振弦式應變計、電阻式應變計[5-6]。對于管道災害規模較大、災害變形特征不明顯、對管道的影響難以確定的災害點,通過安裝在管道上的應變傳感器,監測特定部位管道應變,為管道地質災害風險監測、位移監測等提供準確的判定依據,佐證地質災害對管道的影響程度。

② 預警標準

一般管道間隔50～100 m布置1個監測截面,每個監測截面粘貼3組應變片(每組由3個應變片構成),3組應變片(共9個應變片)分別布置在管道截面3:00位置、9:00位置、12:00位置。9個應變片通過電纜將信號傳至1臺應變監測儀,應變監測儀通過計算得到管體附加應力,通過無線通信將管體附加應力上傳至監測預警系統平臺。平臺對比管體附加應力與管材許用應力的比例,進行不同級別預警[7],具體如下。

a.提示級,管體附加應力達許用應力的30%～50%,發布藍色信號。

b.關注級,管體附加應力達許用應力的50%～70%,發布黃色信號。

c.警示級,管體附加應力達許用應力的70%～90%,發布橙色預警。

d.警報級,管體附加應力超過許用應力的90%,發布紅色預警。

3.2 地質環境監測預警技術

地質環境監測預警技術的測量方法很多,包括災害體(指斜坡變形體、崩滑體等)變形測量、物理與化學場測量、地下水測量、誘發因素測量等。無人飛行器遙感技術屬于該類監測預警技術,主要用于高分辨率照相或視頻錄制技術及反演分析,高分辨率照片解譯后分辨率可以達到10 cm。

① 地表位移測量。測量對象為災害體重點變形部位的位移,也是目前災害體變形測量中的常用技術。在測量過程中,主要對災害體及其邊緣位置發生較大位移的位置進行分析,常用的測量工具包括千分尺、鋼卷尺等,可對某些裂縫進行直接測量[8-9]。此外,還有專門的裂縫測量設備,如裂縫計、伸縮儀、數字化近景攝影設備以及激光位移測量設備等。

② 深部位移測量。主要用于測量災害體內部的位移,針對不穩定斜坡可能存在的滑動形面進行動態測量。比較常見的測量方法包括塑料管配合鋼棒的簡易測量方法、應變管測量方法、鉆孔測斜儀測量方法、多點位移計測量方法[10]。

③ 沉降監測。地面沉降或塌陷監測,主要采用靜力水準儀和激光位移傳感器。靜力水準儀主要埋置在靠近油氣管道一側,監測地質體的沉降。當監測區為硬化路面不利于靜力水準儀埋置時,可在地表安裝激光位移傳感器,監測地表高程的變化,從而實現該區域的管道安全監測。

4 地質災害監測預警技術應用實例

某高壓燃氣管道長61 km,管道外直徑711 mm,設計壓力4.0 MPa,2014年投產運行,為主要氣源通道。為了掌握管道沿線地質災害情況,按照企業制定的《高壓燃氣管道地質災害識別響應規程》開展了地質災害風險識別與評估,對4種地質災害進行監測。

監測采用DZ/T 0221—2006《崩塌、滑坡、泥石流監測規范》附錄F推薦的綜合預報系統,進行表面水平位移監測、裂縫監測。表面水平位移監測采用全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)地表位移監測一體機,裂縫監測采用拉繩式裂縫計。

可以通過監測預警系統平臺、APP軟件對以上監測點信息進行實時查看。汛期可根據實際需要獲得監測半月報表。地質風險段變形劇烈時,可根據實際需要獲得監測周報表、日報表。

4.1 災體工程地質特征及監測設施布置

① 地質災害類型1:不穩定斜坡

a.地質特征

斜坡組成巖土體軟硬相間,受管道施工開挖及長期風化影響,斜坡巖土體結構松散,強降雨情況下易產生牽引式滑坡,管道縱向穿越不穩定斜坡,滑坡可能導致管道變形破壞,嚴重威脅管道安全。

b.監測設施布置

共布置2處GNSS地面位移監測點、1處GNSS基準站。GNSS地面位移監測點布置于管道南側,沿滑坡主軸布置,GNSS地面位移監測點1布置于最上一級水保擋墻墻腳,GNSS地面位移監測點2布置于不穩定斜坡坡肩平緩部位。基準站布置于坡頂穩定地段。

② 地質災害類型2:棄土場邊坡

a.地質特征

該地為棄土場邊坡,坡腳采用抗滑樁板墻支護,坡面已分級放坡處理,管道由抗滑樁板墻前橫向穿過棄土區域。由于棄土本身結構松散,堆砌土方量大,堆砌高度高(超過30 m),局部放坡較陡,排水設施不完善,強降雨情況下可能出現滑移破壞,會橫向擠壓管道,或者填方體翻越樁頂占壓燃氣管道,嚴重威脅管道安全。

b.監測設施布置

該棄土場邊坡穩定性監測應由棄土場建設相關部門負責,本次監測僅在最可能發生較大變形的坡段布置1處GNSS地面位移監測點,以了解邊坡變形幅度。布置GNSS基準站1個,布置于坡頂基巖出露的穩定部位。

③ 地質災害類型3:滑坡

a.地質特征

為覆蓋層滑坡,滑面為巖土分界面,管道橫向從滑坡體上通過。

b.監測設施布置

共布置2個裂縫監測點(監測裂縫1、裂縫2),1號拉繩式裂縫計布置在滑坡后緣,橫跨裂縫1、裂縫2;2號拉繩式裂縫計布置在滑坡北側邊界,橫跨裂縫2。

④ 地質災害類型4:地面塌陷

a.地質特征

地面塌陷坑(位于管道西側,外觀為橢圓形,南北方向長2.5 m,東西方向長2.0 m,深度1.5 m,已經過回填處理)位于煤礦采空影響區,可能出現區域沉降變形。管道(走向為南北向)從煤礦采空影響區通過,塌陷坑東側邊緣與管道最近水平距離約2 m,嚴重威脅管道安全。

b.監測設施布置

共布置2個GNSS地面位移監測點,結合現場環境條件及采空影響區情況,2個監測點分別布置在塌陷坑西南、西北側,2個監測點與塌陷坑邊緣間距均為10 m。布置1個GNSS基準站,基準站設置在管道東側,位于管道采空影響區外的區域,距離管道較遠。

4.2 監測預警系統報警實例

2022年,貴州省經歷了近10輪強降雨和4次區域性暴雨過程,累計降雨量較常年偏多近30%,5月降雨量更是較常年偏多近50%,且降雨時空分布不均,地質災害防治形勢嚴峻。

2022年6月18日1:50,該高壓燃氣管道地質災害監測預警系統發出報警信息,地質災害點3滑坡處2號拉繩式裂縫計報警,2號拉繩式裂縫計監測到當日累計位移大于等于預警值(為30.0 mm),達到433.0 mm。接報警后,相關人員于當日4:30到達現場檢查,發現2號拉繩式裂縫計已被滑坡土體損壞,繼續排查發現位于該地的國家管網管道山體滑坡(見圖1),滑坡土方將2號拉繩式裂縫計損壞后觸發報警,立即將該情況報給國家管網屬地管理企業。后邀請地質災害專家現場辨識、評估,認為該高壓燃氣管道處于安全狀態,未受國家管網管道山體滑坡影響。

圖1 國家管網管道山體滑坡現場

5 結束語

采用地質災害監測預警技術對山區管道進行地質災害監測,與在管體上采用應力應變監測相比,能夠更及時、更準確地監測并預警管體附近地質災害,為管道地質災害治理提供寶貴的緩沖時間。在以管道自身安全為重點的災害治理中,可綜合采用管道本體監測與地質環境監測技術,實時定量掌握受災管段應力應變情況,進一步用于地質災害治理效果評價。