基于滑坡区域的不同土质埋地输气管道安全评价

修林冉 王子 张明程 石蕾 孙明源 张宇 刘鹏

1国家管网集团西气东输公司

2中国石油天然气股份有限公司青海油田分公司采油一厂生产保障中心

3中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院

我国地域辽阔，地貌复杂，各类地质灾害分布广泛，种类多样。埋地油气管道作为生命线工程，横跨东西、纵贯南北、覆盖全国、连通海外，沿线不可避免穿越各种地貌，遭遇各类地质灾害。滑坡是最常见的地质灾害之一，据部分统计，仅兰成渝输油管道、中贵输气管道及西气东输管道的沿线地质灾害就多达282 处，涉及崩塌（落石）、滑坡、采空塌陷（沉降）、泥石流等，其中滑坡灾害高达107 处，占比近38%[1]。忠武输气管道沿线山区地段的滑坡灾害分布也比较密集，需要关注的滑坡灾害点有114 处[2]。埋地管道穿越滑坡区域时会对管道的安全造成严重威胁，一旦发生滑坡，轻则导致管道裸露、悬空，当管道承受的最大附加应力超过其许用应力时会产生过量的位移及变形，重则导致管道发生塑性屈曲甚至失稳破裂，造成油气泄漏及重大经济损失。油气泄漏有可能导致爆燃事故，从而危及人民生命及财产安全。因此，预测滑坡作用下油气管道的变形受力特征并评价其安全性能，对保障埋地油气管道的安全运行至关重要。

目前探究滑坡作用下埋地管道变形受力特征的方法有解析法、数值模拟法及实验模拟法。如梁政[3]采用纵横弯曲弹性地基梁模型对横向滑坡下的管道强度进行了分析；张东臣[4]结合滑坡实例分析了滑坡方向不同时管道的应力应变分布；谢强等[5]研究了牵引式滑坡和推移式滑坡作用下埋地管道的受力变形，并推导了管道的弯矩、剪力、位移及最大应力公式；ZHENG等[6]分析了滑坡作用下导致埋地管道失效的原因，并基于最大主应变理论对管道安全性进行评价；ZHANG等[7]采用弹塑性半解析法分析了滑坡作用下埋地管道的力学行为，得到管道在滑坡作用下轴向、径向塑性变形要大于环向塑性变形的结论；张会远等[8]结合滑坡工程实例，利用ANSYS 及FLAC3D 软件模拟研究了管道的受力变形，得到了管道临界破坏时的应力应变和滑坡位移等；ZHANG J[9]、王联伟[10]、ZHANG SZ[11]、赵 志超[12]等采用有限元分析法研究了考虑管-土相互作用时埋地管道穿越滑坡区的力学行为，并分析了滑坡土参数、管道参数及滑坡尺度等对埋地管道力学行为的影响；林冬[13]、FENG[14]等采用人工堆积的办法构建了全尺寸土质滑坡实验模型，监测管道应力和变形，研究滑坡作用下埋地管道的应力变形规律。

基于某碎石土管道滑坡实例，采用考虑滑坡土体和埋地管道特点的三维数值分析模型，对滑坡土体采用不同的土质参数，并将不同滑坡土质下管道临近屈服强度时模拟得到的滑坡体位移及管道位移进行比较，探讨不同滑坡体土质对管道变形受力的影响，以期为滑坡作用下油气管道安全评价及预防对策提供依据。

1 滑坡实例

该滑坡实例管道周边地形为中山地貌，风化破碎严重，呈碎片状，出露地层为泥页岩，地层产状240°∠25°。该滑坡体表面由多级台坎构成（图1），上部台阶多为浆砌石，下部台阶为干砌石，地表无植被。据现场调查，滑坡体主要由修路时堆积的松散碎石土组成，结构松散，滑坡坡角35°，主滑方向55°，滑坡长179 m，后缘宽260 m，前缘100 m，厚度5～9 m，体积约23.94×104m3。管道位于道路堤边坡体中，横坡铺设，管道走向225°，与道路并行，影响管道长度260 m（如图2）。埋地管道管径D=711 mm，管材为X65（L450），设计压力7.0 MPa。

图1 碎石土滑坡剖面图Fig.1 Landslide sectional view of gravelly soil

图2 碎石土滑坡卫星遥感影像图Fig.2 Satellite remote sensing image of gravel soil landslide

诱发滑坡的主要因素有：①坡体坡角相对较陡，为滑坡的发生提供了必要的地形条件。；②碎石土结构松散，在有水流渗入的情况下，碎石土与原生岩土体接触面易形成滑动结构面；③该处降水量相对较大，据调查该处年降雨量为1 500 mm，雨季常有中到大暴雨出现，加之降水入渗使坡体土层含水量增加，饱和土重度增大，增大下滑力与孔隙水压力，当下滑力大于抗滑力时容易引发滑坡发生。

据现场调查，滑坡体各台坎处已开展浆砌石及干砌石挡墙等治理工程，但因为时间久远，均有不同程度的坍塌毁坏，目前现场已采取埋桩等简易的监测措施。由于该处滑坡体后缘紧邻国道，一旦滑动，不仅对管道运营安全存在较大威胁，还会造成一定的社会风险，失效性后果比较高，因此急需对其开展研究。

2 方法选取与模型确定

2.1 研究方法

随着计算机技术不断普及，越来越多的人开始采用数值模拟方法对不同地质灾害作用下埋地油气管道变形破坏特征及发展趋势进行研究。边界元法、有限元法、有限差分法是目前最常用的数值方法，其中有限差分法能很好地模拟计算各类材料的受力与变形形态，尤其具有能够模拟岩土体大变形的显著优势[15]。连续介质快速拉格朗日分析（FLAC，Fast Lagrangian Analysis of Continua）是目前国内外岩土大变形数值模拟中最受欢迎的有限差分商业软件，它能够模拟土质、岩石和其他材料的三维结构受力特性，并且能进行塑性流动分析[16]。滑坡和埋地管道变形均属于典型的大变形问题，在此选取基于有限差分方法的FLAC 3D软件来模拟滑坡作用下埋地管道的变形受力。

2.2 计算模型与单元类型

对于滑坡作用下埋地油气管道力学特性的数值模拟，其计算模型包括两部分：滑体及滑床模型和埋地管道模型。此计算模型为典型的三维模型，并且存在显著的管-土相互作用。因此，本模拟采用管道-土体一体化的三维计算模型，依据实测工程地质图和钻孔资料以及管道竣工资料建模，在此基础上对地层进行了简化，滑坡三维模型如图3 所示。为了提高模型计算精度，模型网格在埋地管道所在区段适当加密，埋地管道周圆网格加密如图4所示。

图3 滑坡三维模型图Fig.3 3D model of landslide

图4 埋地管道周围网格加密图Fig.4 Grid encryption diagram around buried pipeline

由于岩土体为实体结构，数值模拟采用实体单元进行分析。管道属于薄壳构件，假设管道为均匀材料构成的无限长构件，不考虑管道接口问题，其相对于岩土体来说属于长细单元，因此将管道看作薄壳更符合实际[14]，研究建立的管道模型采用薄壳单元（图5）。

图5 管道壳模型Fig.5 Pipe shell model

滑体和滑床之间加入非线性面状接触单元（图6），允许接触面脱离、滑移，用来模拟滑体与滑床之间可能出现的滑移、分离、闭合等。

图6 滑体与滑床非线性接触面Fig.6 Nonlinear contact surface between sliding body and sliding bed

2.3 本构模型与计算参数

滑坡岩土本构模型采用摩尔-库伦模型。模型坡面设为自由边界，底部及四周均施加法向约束。滑坡岩土不同土质的计算参数依据勘察实测资料或经验值确定（表1）。

表1 岩土物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

埋地管道采用FLAC 3D软件的壳单元对管道进行网格划分，具体计算参数见表2。管道屈服强度为485 MPa。

表2 管道物理力学参数Tab.2 Physical and mechanical parameters of pipeline

3 数值模拟结果分析

为了比较不同滑坡土质下埋地管道的变形破坏情况，对滑坡土质分别为黏土、黄土、砂土工况下管道临近屈服强度时的管道位移及土体位移进行计算，通过比较管道达到屈服强度时管道位移及土体位移的大小判断哪种土质下埋地管道更容易发生破坏失效，从而得到不同土质下埋地管道的可靠程度。

3.1 滑坡体及管道变形特征

3.1.1 滑坡土质为黏土工况

根据滑坡土质为黏土时的数值模拟结果可知：滑坡整体变形较大，最大变形位于滑床后缘靠近公路的位置，此处合位移量约3.87 m，滑坡整体的位移量大致沿滑动方向逐渐减小（图7）。由于管道材料的变形模量远大于岩土变形模量，管道所在部位岩土变形明显受到管道的支撑作用，因此管道上方滑坡整体的合位移量相对较小。

图7 黏土工况下滑坡整体合位移Fig.7 Overall resultant displacement of landslide under clay conditions

滑体合位移最大处位于埋地管道上方偏滑坡后缘处，最大值约1.48 m（图8）。滑坡土体沿滑动方向滑至管道处时由于埋地管道的支撑作用阻挡了土体的滑动，因此滑体的合位移在此处达到最大，而在埋地管道上方的土体变形较小。此外，在滑床与滑体的交界处，由于埋地管道的存在限制了此处土体的位移，因此边界处土体位移很小。

图8 黏土工况下滑体合位移Fig.8 Resultant displacement of sliding body under clay conditions

埋地管道在滑坡作用下的合位移大小及分布如图9所示。管道最大合位移约为4.84 cm，出现在管道穿越滑体的中间部位，在此处，由于管道受到下滑土体的冲击而容易出现较大变形。

图9 黏土工况下管道合位移Fig.9 Pipeline resultant displacement under clay conditions

3.1.2 滑坡土质为黄土工况

根据滑坡土质为黄土时的数值模拟结果可知：滑坡整体变形较土质为黏土工况时明显增大，最大变形发生的位置没有变化，仍位于滑床后缘靠近公路处，最大合位移量约4.71 m，滑坡整体的位移量大致沿滑动方向逐渐减小。其中埋地管道所在部位上方土体由于受到管道的支撑作用，合位移量相对较小（图10）。

图10 黄土工况下滑坡整体合位移Fig.10 Overall resultant displacement of landslide under loess conditions

滑体合位移最大处仍然位于埋地管道上方偏滑坡后缘处，最大值约1.72 m。由于埋地管道的支撑作用使得滑体的合位移在此处达到最大，而埋地管道上方的土体变形较小（图11）。此外，在滑体后缘处由于地势较高造成土体下滑，使得此处合位移也处于较高水平。

图11 黄土工况下滑体合位移Fig.11 Resultant displacement of sliding body under loess conditions

埋地管道在滑坡作用下的合位移大小及分布如图12 所示。由于管道受到下滑土体的冲击，最大变形仍然出现在管道穿越滑体的中间部位，此处管道合位移约为6.86 cm。

图12 黄土工况下管道合位移Fig.12 Pipeline resultant displacement under loess conditions

3.1.3 滑坡土质为砂土工况

根据滑坡土质为砂土时的数值模拟结果可知：滑坡整体变形较土质为黄土工况时进一步增大，最大变形仍然位于滑床后缘靠近公路的位置，此处合位移量约6.51 m，滑坡整体的位移量大致沿滑动方向逐渐减小。其中埋地管道所在部位上方土体由于受到管道的支撑作用，合位移量相对较小（图13）。

图13 砂土工况下滑坡整体合位移Fig.13 Overall resultant displacement of landslide under sandy soil conditions

滑体合位移最大处发生了改变，最大值位于滑坡体后缘处，约2.09 m（图14）。同时由于埋地管道的支撑作用，管道上方偏滑坡后缘处的土体位移量也较大，而埋地管道上方土体位移量较小。

图14 砂土工况下滑体合位移Fig.14 Resultant displacement of sliding body under sandy soil conditions

埋地管道在滑坡作用下的合位移大小及分布如图15 所示。由于管道受到下滑土体的冲击，最大变形仍然出现在管道穿越滑体的中间部位，此处管道合位移约为6.48 cm。

图15 砂土工况下管道合位移Fig.15 Pipeline resultant displacement under sandy soil conditions

3.2 不同工况下管道可靠性分析

由上述分析可知，滑坡灾害发生后，当管道临近屈服强度时，滑体的合位移情况为：砂土工况>黄土工况>黏土工况，也就是说当土体位移相同时，埋地管道的受力情况为：黏土工况>黄土工况>砂土工况。从埋地管道的位移情况来看，当管道临近屈服强度时，管道的合位移情况为：黄土工况>砂土工况>黏土工况，也就是说当管道位移相同时，埋地管道的受力情况为：黏土工况>砂土工况>黄土工况。综上所述，当管道滑坡地质灾害发生时，对于同样的滑坡，土质为黏土的滑坡埋地管道承受的应力更容易达到极限，更容易发生变形破坏。另外，从砂土和黄土两种土质滑坡模拟结果来看，当管道临近屈服强度时，虽然砂土的滑坡体位移要大于黄土，但是黄土的管道位移却大于砂土，导致当两者滑体位移相同时，黄土的管道变形位移更大，管道更加危险。

4 结论

本文结合工程实例，通过对滑坡体不同土质情况下土体及埋地管道的位移进行对比，研究了不同滑坡土质下管道的可靠性，得出如下结论。

（1）滑坡体整体最大变形处位于滑床后缘靠近公路的位置，滑坡体整体的位移量大致沿滑动方向逐渐减小，管道上方滑坡体的合位移量相对较小；埋地管道的最大变形出现在管道穿越滑体的中间部位。

（2）当发生滑坡灾害时，三种滑坡土质中黏土滑坡情况下的埋地管道最为危险，管道承受的应力更容易达到极限应力。

（3）对于砂土和黄土滑坡来说，当管道临近屈服强度时，虽然砂土的滑坡体位移要大于黄土，但是黄土的管道位移却大于砂土，导致当两者滑体位移相同时，黄土的管道变形位移更大，管道更加危险。