劉鵬1 李玉星1 張宇1 王子2 孫明源1

1.中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院； 2.國家管網(wǎng)集團西氣東輸管道分公司

摘  要：長(cháng)輸管道敷設不可避免會(huì )經(jīng)過(guò)地形復雜的山區，各種地質(zhì)災害會(huì )威脅管道的安全運營(yíng)。復雜山區管道地質(zhì)災害數值模擬是評估地質(zhì)災害發(fā)生時(shí)管道安全與否的重要技術(shù)手段。以某山區輸氣管道滑坡災害為例，基于Rhino軟件建立了三維管道滑坡災害模型，結合FLAC 3D進(jìn)行數值模擬計算，模擬結果顯示了未來(lái)滑坡發(fā)育情況，得到了滑坡發(fā)育下的管道力學(xué)響應，給出了管道可能的應力集中位置，為現場(chǎng)采取針對性措施、保障管道安全運行提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：復雜山區；輸氣管道；滑坡災害；數值模擬

我國輸氣管網(wǎng)規模大、分布廣，沿途地形和地質(zhì)環(huán)境復雜多樣，特別是山區管道會(huì )受到各種地質(zhì)災害的威脅和侵害。輸氣管道通常采用高壓輸送，并且天然氣具有易燃易爆的特性，一旦發(fā)生事故，將對生命財產(chǎn)及能源供給造成重大危害[1]。近年來(lái)，由地質(zhì)災害引發(fā)的輸氣管道泄漏事故時(shí)有發(fā)生，使之成為管道管理的重點(diǎn)。在地質(zhì)災害對管道的影響研究方面，國內外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了大量科學(xué)研究[2-8]，但是現有研究大多是基于簡(jiǎn)化的管道地質(zhì)災害模型，將管道抽象為梁模型，分析得到簡(jiǎn)化的地質(zhì)災害下管道力學(xué)計算公式，通過(guò)開(kāi)展簡(jiǎn)化的直管道地質(zhì)災害實(shí)驗和數值模擬，得到在簡(jiǎn)化地質(zhì)災害下的管道力學(xué)響應規律。而在實(shí)際工程中，管道的走向往往十分復雜，因而目前得到的地質(zhì)災害下管道力學(xué)解析公式的計算結果不能夠反映整個(gè)災害發(fā)育過(guò)程中的管道受力變化情況。數值模擬能夠準確反映地質(zhì)災害發(fā)生過(guò)程中的管道受力變化情況，但是目前基于A(yíng)BAQUS和ANSYS的有限元數值模擬軟件在三維管道地質(zhì)災害建模方面難度很大，計算很慢，需要耗費大量的時(shí)間成本以及計算資源。因此，為了能夠快速、準確、有效地評價(jià)復雜地質(zhì)災害下的管道安全，提出了基于三維建模軟件Rhino建立三維管道地質(zhì)災害模型，采用有限差分軟件FLAC 3D進(jìn)行求解計算的數值模擬方法，以期能夠相對快速地得到特定地質(zhì)災害發(fā)育下的管道受力變化，為地質(zhì)災害下的管道安全防控提供重要技術(shù)支撐。

1 模型建立

復雜地形下的三維管道地質(zhì)災害模擬一直是困擾數值模擬應用于管道工程的難題，埋地管道與地質(zhì)災害土體尺寸相差巨大，直接限制了模型網(wǎng)格劃分以及計算求解速度。以某山區管道滑坡災害為例，開(kāi)展了三維管道地質(zhì)災害數值模擬。該滑坡體的坡面傾角為10°～12°，從坡腳至坡頂共分為五級坡坎。坡體主要有①層新黃土（粉土為主，稍濕，松散，透水），②層新黃土（粉土為主,濕～很濕，稍密～中密，液性指數＞1.0，局部呈流塑狀態(tài)，透水）。該滑坡體為牽引式滑坡，滑面位于 第②層新黃土中，管道埋深2 m左右。黃土參數如下：第①層黃土：土體體積模量Κ＝65 MPa，內聚力c＝14.5 kPa，密度ρ ＝1950 kg/m3，內摩擦角φ＝22.5°，剪切模量G＝30 MPa；第②層黃土：土體體積模量Κ＝65 MPa，內聚力c＝18.23 kPa，密度ρ＝1960 kg/m3，內摩擦角φ＝20°，剪切模量G＝30 MPa。模擬管道鋼材為X70，彈性模量E＝210 GPa，泊松比μ＝0.3，密度ρ ＝7.98×103 kg/m3，最小屈服強度σ s＝4.85×108 Pa，運行壓力P＝10 MPa，管道規格Φ＝1016 mm×28 mm。通過(guò)Rhino軟件，采用完全耦合的方式建立雙地層的埋地管道三維地質(zhì)模型，整體模型長(cháng)度400 m左右，寬度300 m左右，在管道位置處進(jìn)行局部加密，并實(shí)現網(wǎng)格大小的平穩過(guò)渡。由Griddle工具生成FLAC 3D網(wǎng)格，導入FLAC 3D設置單元屬性、邊界條件以及根據實(shí)際情況設置位移監測點(diǎn)進(jìn)行數據監測。通過(guò)數值求解計算，得到了滑坡發(fā)育過(guò)程中的土體變形以及管道力學(xué)響應。三維地質(zhì)災害模型如圖 1、圖 2所示。

2 模擬結果分析

2.1 滑坡變形分析

FLAC 3D數值模擬滑坡發(fā)育過(guò)程，在管道應力接近管材屈服應力時(shí)停止計算，得到滑坡整體位移以及位移監測點(diǎn)的數據變化如圖 3、圖 4所示�；�坡整體縱向位移呈現坡度大、位移大的基本規律。由于該滑坡上半部分坡度最大，故最大位移位于滑坡體上半部分，在管道局部應力接近屈服極限時(shí)，滑坡體最大縱向位移下降可達8.65 m左右。在該滑坡中部位置，由于地下輸氣管道的存在，阻礙了滑坡土體的下滑，上部下滑土體在此發(fā)生堆積，該位置土體出現了隆起，地表縱向位移最大增加2.2 m左右，與此同時(shí)，管道也因此發(fā)生變形，管道應力迅速增加。該滑坡區域布置的三處縱向位移監測點(diǎn)都位于管道上部，在滑坡發(fā)育過(guò)程中，監測數據都先顯著(zhù)減小，然后略微反彈，維持一段平穩狀態(tài)，然后監測位移迅速下降；在三處位移監測點(diǎn)中，粉色監測點(diǎn)維持平穩狀態(tài)最久，中間紅色監測點(diǎn)后期縱向位移變化最劇烈。因此在工程實(shí)際中，當三處監測點(diǎn)的位移迅速降低時(shí)，需要密切關(guān)注管道安全狀況，對該處滑坡管道采取緊急防護措施，防止管道發(fā)生損壞。

2.2 管道力學(xué)響應

埋地管道在滑坡發(fā)育過(guò)程中的變形以及應力響應如圖 5、圖 6所示。從管道接近屈服應力時(shí)的管道變形圖可知，在該滑坡發(fā)育過(guò)程中，穿過(guò)滑坡體的管道中間部位整體變形較為明顯，并且在其中的一些部位出現明顯應變，應變甚至達到0.1 m左右。此外，管道整體變形情況呈現非均一性，與直管道的拋物線(xiàn)形分布具有明顯差別，這是因為實(shí)際工程管道走向復雜，管土相互作用也十分復雜，對于不同的滑坡都要具體問(wèn)題具體分析，很難一概而論。模擬過(guò)程中，在管道接近最小屈服應力σs＝485 MPa 時(shí)停止求解計算，管道整體應力處于250 MPa附近，但是管道局部最大應力達到451 MPa左右，經(jīng)查找，管道最大應力集中于滑坡邊界以及土層交界附近，但并不直接位于邊界上，同樣也需要針對具體滑坡災害建立模型確定，不能一概而論。根據該滑坡模擬結果，可以得到滑坡發(fā)育過(guò)程中的位移監測點(diǎn)變化情況以及可能存在的管道損壞準確位置，為該處管道地質(zhì)災害的防控提供重要數據參考，可大大降低災害治理的人力物力成本。

3 結論

提出了一種基于Rhino三維建模軟件建立的管道地質(zhì)災害模型，實(shí)現了復雜地形下三維管道地質(zhì)災害的相對快速數值模擬，能夠為地質(zhì)災害下的管道安全防控提供有力的技術(shù)支撐。通過(guò)實(shí)際工程滑坡案例模擬，得到了該地質(zhì)災害發(fā)育下埋地管道的應力集中準確位置，這便于現場(chǎng)人員采取針對性的治理措施來(lái)保證管道的運行安全，減少人力物力的投入。此外還發(fā)現，在管道滑坡地質(zhì)災害中，管道在穿越地層分界以及滑坡邊界附近由于位移不均，更容易導致管道產(chǎn)生應力集中，是應力監測以及管道應力安全校核重點(diǎn)位置，但是該位置并不嚴格位于邊界處，確定具體位置還得根據災害區建立模型開(kāi)展數值模擬計算分析。

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基金項目：國家重大研發(fā)計劃資助項目“油氣管道及儲運設施安全風(fēng)險評價(jià)技術(shù)研究”， 2016YFC0802104。

作者簡(jiǎn)介：劉鵬， 1995年生，在讀博士生， 2018年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣儲運工程專(zhuān)業(yè)獲得學(xué)士學(xué)位，現主要從事天然氣管道安全研究工作。聯(lián)系方式： 17854227668，b18060022@s.upc.edu.cn。

通訊作者：李玉星，男，1970年生，教授，博士生導師， 1997 年博士畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣儲運專(zhuān)業(yè)，現主要從事油氣長(cháng)距離管輸技術(shù)方向的研究工作。聯(lián)系方式： 0532-86981818， liyx@upc.edu.cn。