横穿滑坡天然气管道失效机制研究

韩俊杰 黄迪文 汪海超 王正鸿 邓清禄

摘要：中缅天然气管道在贵州省晴隆县境内横穿蒋坝营滑坡。该管道两端边界岩土性质具有不对称性，一端为土-土边界，另一端为土-岩边界。考虑到管道两端边界岩土性质存在差异，建立了静力学模型，对管道的内力和变形进行分析，以揭示滑坡推力作用下该管道的力学响应特征。结果表明：① 管道横穿的滑坡段处于不安全或破坏状态，不安全或破坏位置位于土-岩边界端;② 管道的挠度分布曲线呈近似正态分布曲线形态，最大挠度位于中心偏土-土边界端一侧;③ 管道的弯矩分布曲线呈抛物线形态，管道中部外侧受拉，两端内侧受拉，土-岩边界端弯矩绝对值最大，管道最易发生破坏。研究成果可为类似存在敷设边界差异的管道横穿滑坡的安全评价及防治方案的论证提供参考。

关 键 词：天然气管道; 边界差异; 静力学模型; 强度校核; 蒋坝营滑坡

中图法分类号： X43   文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.032

0 引 言

长距离输送石油或天然气管道（长输油气管道）是典型的线性工程，是国家不可或缺的能源输送渠道。管道在敷设过程中会穿越不同的地形地貌单元，穿越区域的地质条件具有复杂性，其独特的敷设方式将导致这些区域发育的各类地质灾害不可避免地威胁长输油气管道的建设及安全运营。其中，滑坡灾害引起的管道安全事故在管道地质灾害中所占比例较高且危害性突出，管道敷设地段遇滑坡，会使管道发生变形乃至断裂燃爆，也会对国家造成巨大的经济损失以及环境影响[1]。

针对滑坡灾害对油气管道的危害，国内外学者均有一定的研究。林冬等[2]和吴锐等[3]根据管道走向与滑坡的滑向关系，将管道敷设方式分为横穿滑坡、纵穿滑坡和斜穿滑坡3类，其中，横穿滑坡即横向滑坡对管道的危害最大。对横向滑坡作用下管道内力和变形的研究，勃洛达夫金[4]和贝卡夫等[5]对横向和纵向滑坡作用下管道的不同受力状态进行了研究;Rajani等[6]在未考虑管-土相互作用的情况下，利用简化法研究了无限宽横向滑坡作用下管道的力学响应行为;Chan等[7]在考虑管-土相对位移的情况下，得出了3种典型滑坡作用下管线的应变模型;Challamel等[8]利用一种复合的模型探讨了管-土相互作用;王沪毅[9]结合朗肯土压力理论与地基学原理，建立了横穿滑坡作用下管道的受力模型;梁政[10-11]、邓道明等[12]、吴锐等[12]和王磊等[13]将滑坡体外的管道假设为半无限长梁，将滑坡体内的管道假设为大挠度梁，求导出了管道在横向滑坡作用下内力和挠度的计算表达式;黄坤等[14]、唐正浩等[15]、Yatabe等[16]和Evans[17]采用数值模拟的方法对埋地管道的受力及变形特性开展了研究。

前人研究所取得的关于横向滑坡作用下管道受力及变形状态的认识，可为滑坡区域管道保护提供科学的指导。但已有的研究均将管道横穿滑坡的模型简化为对称模型考虑，而对可能存在的不对称条件，即管道横穿滑坡两侧边界处的岩土性质差异，未予以考虑。

本文以中缅天然气管道横穿蒋坝营滑坡为研究实例展开研究，其管道穿越滑坡体敷设的两端边界处岩土性质具有不对称性，一端为土-土边界，另一端为土-岩边界。2018年6月10日，该滑坡滑动变形，导致管道土-岩边界端发生断裂爆燃。通过建立管道横穿滑坡且两端敷设条件存在差异情况下的力学模型，来分析管道的内力和变形特征，并认识了蒋坝营滑坡作用导致管道变形破坏的机理。本文研究成果可为具有不对称岩土边界条件的类似管道滑坡开展安全评价及防治方案的论证提供指导与参考。

1 滑坡作用下管道的静力学模型

在横向滑坡中，将滑坡体外的管道假设为半无限长梁，将滑坡体内的管道假设为受当量轴力S0作用的大挠度梁。引入纵横弯曲和管梁几何方程的非线性问题，对管道的内力和变形特征进行研究[3，10-13]。本研究中，假设滑坡体作用在管道上的推力q沿滑坡宽度L均布[4]。管道穿越滑坡体两侧的敷设条件存在差异，一侧为土-土边界，另外一侧为土-岩边界。本文在考虑管沟回填土参数相似的前提下，假设滑坡体两侧的管道纵向拉伸保持对称性[12]，土-岩边界端一侧限制管道横向变形及转动。为此，建立了两端边界岩土性质存在差异的管道横穿滑坡情况下的力学模型，如图1所示。

图1中各符号所代表示含义如表1所列，其中，x=L处截面的转角和挠度均为0。

由于受温差和内压以及滑坡体作用在管道上的推力q等因素的综合作用，S0有时为拉力，有时为压力[12]，需分别考虑S0为拉力和压力时进行求解。

求出N0后即可求出S0，进而求出M0，Q0，ML和QL及挠度最大点f处截面的弯矩Mf。上述力学模型下管梁的最大挠度f不易求得，本文采用MATLAB软件建立了管道挠度y与S0的函数关系式和纵向位移连续性中f与S0的函数关系式，通过列出一系列N0代入y与S0的函数关系式，利用求极值函数可求得ymax=f与S0的关系曲线，与代入纵向位移连续性中f与S0的另一关系曲线的交点即为所求结果。

2 蒋坝营滑坡管道受力分析

2.1 滑坡基本特征

蔣坝营滑坡位于贵州省晴隆县沙子镇三合村蒋坝营北。滑坡为一蠕滑型推移式土质滑坡，纵长约200 m，横宽约130 m，滑向约300°，平均坡度约8°。滑坡区地势北西低南东、东高，北西侧沟谷区高程约1 238～1 247 m，南东、东侧为建筑弃土堆积形成的2处平台，平台后缘处高程约1 290 m，高差约40～50 m，属于低中山地貌区。滑坡体物质主要由第四系全新统残坡积（Qel+dl4）粉质黏土组成，滑坡体北东侧管道穿越处为第四系全新统残坡积（Qel+dl4）碎石土和二叠系上统龙潭组（Pl2）碳质页岩、灰岩交界处。蒋坝营滑坡概貌如图2所示。E5411BA3-6736-4231-8262-B0A17A3C61C0

中缅天然气管道从滑坡前缘横坡穿越，由于滑坡后部建筑弃土堆载和持续降雨引发滑坡持续蠕动变形，导致前缘中缅天然气管道挤断燃爆，管道最大垂向偏移距离达1.8 m。管道破坏位置位于滑坡北东侧基岩体与松散堆积碎石土的交界位置，管道受到横向约束难于发生横向位移和转动。滑坡体主要由粉质黏土组成，具有较好的塑性和变形条件。滑坡作用下的管道现状如图3所示。

2.2 管道受力计算分析

中缅天然气管道晴隆县境内钢材为X80型钢，钢材对应的最小屈服强度σs=555 MPa，管道规格为1 016.0 mm×12.8 mm（外径×壁厚），管道输送压力根据两阀室出站和进站压力取为p=7.34 MPa。滑坡段管道的穿越长度L=130 m，管道的平均埋深h=2.0 m。公式中其他计算参数选取如表2所列，其中，滑坡体作用在管道上的推力q根据参考文献[4]下塌泥土作用在管线上的压力公式求取。

根据第1节所建立的力学公式，利用MATLAB软件联立方程，即可求得f和S0，并带入相应的弯矩及剪力方程中，可求得在滑坡体推力的作用下该管道的内力和变形，详见表3，图4～5。

根据表3和图4可知：管道的变形y（挠度）分布曲线呈近似正态分布曲线形态，由于管道穿越滑坡体敷设的两端边界处岩土性质具有不对称性，滑坡体中管道的最大挠度f位于x=59.616 2 m处，即位于中心偏土-土边界端一侧，向两端挠度逐渐变小，左侧（土-土边界端一侧）减小至v0，右侧（土-岩边界端一侧）减小至0，且最大挠度f=1.715 m与管道实际最大垂向偏移距离较为接近。

根据表3和图5可知：管道弯矩分布曲线呈抛物线形态，弯矩由左侧（土-土边界端一侧）的正值变为中部的负值然后变为右侧（土-岩边界端一侧）的正值。根据第1节静力学模型弯矩方向的假设，弯矩为正代表管道内侧即靠近滑坡体一侧受拉，弯矩为负代表管道外侧即远离滑坡体一侧受拉，由此可判断管道中部外侧受拉，两端内侧受拉。但右侧边界（土-岩边界端）弯矩ML=3 424.4 kN·m大于左侧边界（土-土边界端）弯矩M0=1 553.7 kN·m，且均大于最大挠度f点弯矩Mf=1 333.7 kN·m，因此管道位于土-岩边界端位置最易发生破坏。

3 蒋坝营滑坡管道强度校核

3.1 强度校核理论

管道在滑坡体推力作用下会产生轴向应力，在输送天然气压力作用下会产生径向应力和环向应力。需将产生的应力根据第三强度理论[19]或第四强度理论进行叠加，然后与管道的许用应力进行比较，对管道的安全状态进行判断。对小于许用应力，判断管道处于安全状态;相反，考虑到焊缝可能存在缺陷以及钢材缺陷，管道处于不安全或破坏状态。

根据第三强度理论和第四强度理论验算结果，在滑坡推力作用下，管道土-土边界端环向应力和轴向应力的组合应力小于许用应力，由此可判断土-土边界端管道处于安全状态。土-岩边界端环向应力和轴向应力的组合应力大于许用应力，由此可判断土-岩边界端处于不安全或破坏状态。蒋坝营滑坡管道实际破坏发生断裂燃爆位置位于土-岩边界端，土-土边界端未发生破坏，强度校核结果较好地符合了管道实际破坏情况。

4 结 论

（1） 蒋坝营滑坡管道的变形（挠度）分布曲线呈近似正态分布曲线形态，由于管道穿越滑坡体敷设的两端边界处岩土性质具有不对称性，滑坡体中管道的最大挠度位于中心偏土-土邊界端一侧，向两端挠度逐渐减小，左侧（土-土边界端一侧）减小至v0，右侧（土-岩边界端一侧）减小至0，且最大挠度f=1.715 m，与实际管道最大垂向偏移距离较为接近。

（2） 蒋坝营滑坡管道的弯矩分布曲线呈抛物线形态，弯矩由左侧（土-土边界端一侧）的正值变为最大挠度f点的负值然后变为右侧（土-岩边界端一侧）的正值。管道中部外侧受拉，两端内侧受拉。右侧边界（土-岩边界端）弯矩ML大于左侧边界（土-土边界端）弯矩M0且均大于最大挠度f点弯矩Mf，管道位于土-岩边界端位置最易发生破坏。

（3） 强度校核计算表明，在滑坡体的推力作用下，管道土-土边界端的组合应力小于许用应力，由此可判断土-土边界端管道处于安全状态。土-岩边界端的组合应力大于许用应力，由此可判断土-岩边界端处于不安全或破坏状态，这与蒋坝营滑坡实际管道破坏位置相符合。

（4） 区别于对称模型下管道内力和变形具有对称性，对于两端边界处岩土性质具有不对称性的管道，关注重点位于强约束端，即土-岩边界一端，也是管道建设和运营期间进行监测和防护的重点位置。

（5） 在滑坡体的推力作用下，两端边界处岩土性质具有不对称性的管道在位于强约束端，即土-岩边界一端更易破坏，在建设期过程中，可以采用扩大管沟开挖范围、增加回填土体积等措施弱化土-岩边界影响，以降低管道破坏失效风险。

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（编辑：赵秋云）E5411BA3-6736-4231-8262-B0A17A3C61C0