鄭磊 鄧豐林 馬燁 劉偉 張婷

國家管網(wǎng)集團西南管道公司蘭州輸油氣分公司

摘  要：為實(shí)現管道地質(zhì)災害預防性監測與預警，從管道沿線(xiàn)地域環(huán)境出發(fā)，探討了地質(zhì)災害主要影響因素及致災形式、管道受災后的漸變特征和管道失效力學(xué)判據，提出地質(zhì)災害風(fēng)險監測與預警在理論及技術(shù)上的可行性。選址布設管道地質(zhì)災害監測預警網(wǎng)，經(jīng)實(shí)際應用表明，能夠監測管道應力應變以及管道周邊地層蠕變情況，為管道地質(zhì)災害風(fēng)險的前期監測與預警提供了可能。

關(guān)鍵詞：油氣管道；地質(zhì)災害； 滑坡；力學(xué)判據； 預防性監測預警

隨著(zhù)油氣管道里程的逐年增加，沿線(xiàn)人類(lèi)工程活動(dòng)擾動(dòng)和自然環(huán)境突發(fā)事件的頻繁發(fā)生，管道地質(zhì)災害已呈多發(fā)態(tài)勢，管道運行安全與沿線(xiàn)地質(zhì)災害頻發(fā)之間的矛盾日益凸顯，近年來(lái)，國內發(fā)生多起由于山體滑坡造成的管道損毀事件。西南山區管道沿線(xiàn)地質(zhì)、地貌和水文條件復雜，崩塌、泥石流、水毀、黃土陷穴、不穩定斜坡等地質(zhì)災害較為活躍，尤其不穩定斜坡出現滑坡的災害風(fēng)險較高，對管道安全運營(yíng)威脅較大。為了管控地災風(fēng)險、確保管道安全，建設地質(zhì)災害風(fēng)險監測預警體系勢在必行。

1 管道地質(zhì)災害及監測預警原理

1.1 主要地質(zhì)災害及致災形式

管道地質(zhì)災害主要影響因素有地質(zhì)因素、氣象條件、人類(lèi)工程活動(dòng)、風(fēng)化侵蝕及地震等。

常見(jiàn)地質(zhì)災害主要包括滑坡和水毀，前者會(huì )造成管道剪切破壞、拉伸破壞和壓覆破壞；后者會(huì )使管道外露、懸空、漂管以及導致水工設施破壞等。

1.2 地質(zhì)災害的漸變特征

延緩發(fā)育性管道地質(zhì)災害具有明顯的“因果型災害鏈”，只要能夠掌握致災體與承災體之間的因果聯(lián)系，就有可能及時(shí)預警，提前采取治理措施。圖 1以致災體與承災體之間的關(guān)系，描述了管道地質(zhì)災害發(fā)生的演變過(guò)程。

管道地質(zhì)災害的發(fā)生是由于致災體的變形、失穩而導致的管道應力集中和管體變形，最終管體應變超出許用范圍，使得管道發(fā)生彎曲變形、管體失效。由于管道力學(xué)分析模型理論相對較為完善，只要建立了合理的管道力學(xué)模型，摸清管道變形、失效的臨界應力應變數據，便可準確定量描述災害條件下管道的臨災力學(xué)狀態(tài)，進(jìn)而為管道災害的預警預報提供可能性。

1.3 管道應力判據

管道受外界荷載時(shí)，管體自身應力隨之增加，管道變形處于彈性區間時(shí)，受約束管道的強度應同 時(shí)滿(mǎn)足兩個(gè)條件。一是管道軸向應力之和不高于0.8σs（σ s為管道標準屈服強度）；二是當管道軸向應力之和為負值時(shí)，管道組合當量應力不高于0.9σs。應力滿(mǎn)足這兩個(gè)指標，管道不會(huì )發(fā)生應力集中破壞。

2 預防性監測預警網(wǎng)布設

2.1 布設基本原則

（1）以承災體管道管體的應力應變監測為主，致災體地表位移、雨量監測為輔，綜合判斷管道地質(zhì)災害的發(fā)生及災害情況。

（2）實(shí)現災前預警，以較小代價(jià)或者零代價(jià)換取管道長(cháng)久安全，使災害治理成本降到最低。

（3）實(shí)現管道地質(zhì)災害長(cháng)時(shí)間、全方位監測，避免短期監測不連續和單一性缺陷。

2.2 布設案例

2019年，在甘肅境內管道風(fēng)險較高的不穩定斜坡區域實(shí)地勘察后，在蘭成渝管道K004+400米段選址安裝了地表位移、應力應變、雨量檢測三類(lèi)自動(dòng)化監控設備。結合管道地質(zhì)災害普查對監測工作進(jìn)行現場(chǎng)踏勘和復核，對該處高風(fēng)險不穩定斜坡開(kāi)展實(shí)時(shí)監測。

2.2.1 工程概況及區域穩定性評價(jià)

蘭成渝管道K004+400米管段斜穿7米寬溝道，以大開(kāi)挖方式通過(guò)溝道右岸斜坡進(jìn)入斜坡上側，斜坡坡度約45°～60°，斜坡高60米。管道上坡后沿斜坡橫向鋪設，鋪設長(cháng)度約150米，距離斜坡邊沿距離約5米。管道穿越的河道為排洪溝，四周山體雨水匯集后通過(guò)該河道進(jìn)行排洪，下雨時(shí)河道內水流較大。此外，在管道通過(guò)高速公路的兩個(gè)橋墩處，暴雨時(shí)容易發(fā)生回流，會(huì )沖刷溝底，可能引起邊坡失穩誘發(fā)滑坡，危及在斜坡上方橫向鋪設的管道安全。

2.2.2 監測方案及監測點(diǎn)布置

（1）斜坡體地表位移監測方案。在管道通過(guò)沖溝兩側斜坡段布置地表位移監測點(diǎn)GNSS（GlobalNavigation Satellite System，全球衛星導航定位系統），對監測點(diǎn)的水平方向和垂直方向的位移開(kāi)展自動(dòng)測量。通過(guò)數據傳輸系統將同一時(shí)刻的GNSS基準站及GNSS監測站的原始觀(guān)測數據發(fā)送到數據中心，由專(zhuān)業(yè)變形監測軟件對數據進(jìn)行自動(dòng)解算處理，得到監測點(diǎn)實(shí)時(shí)的毫米級坐標值。

（2）管道應變監測方案。在管道本體潛在剪切處、管道轉角應力集中處采用應變計對管道的變形進(jìn)行監測。

（3）雨量監測方案。應用雨量計對斜坡監測區域的降雨情況進(jìn)行自動(dòng)化監測。通過(guò)實(shí)時(shí)采集區域降水量，為綜合分析斜坡體變形發(fā)展趨勢，提供數據支撐。

（4）監測點(diǎn)布置。在存在形變斜坡坡腳上方、坡頂各設置1個(gè)管道應變監測站，共布設2個(gè)（圖 2）。在坡頂沿斜坡方向布設2座GNSS監測站，在坡體外穩定區域布置1座地表位移基準站和1個(gè)雨量自動(dòng)監測站，構成1條監測剖面（圖 3）。

2.2.3 系統組成及監測頻率

蘭成渝管道K004+400米段自動(dòng)監測系統主要組成設備清單如表 1所示。報警狀態(tài)分別為正常級、關(guān)注級、警示級、警報級，自動(dòng)監測頻率依次為4.0次/h、2.0次/h、 1.0次/h、 0.5次/h。

2.2.4 數據傳輸及預警閾值

所 有 監 測 數 據 均 采 用 無(wú) 線(xiàn) 傳 輸 方 式 ， 利 用GPRS/4G網(wǎng)絡(luò )作為主信道進(jìn)行實(shí)時(shí)數據傳輸；同時(shí)將北斗衛星通信作為備用信道。所有原始數據直接上傳 指定服務(wù)器，通過(guò)部署于服務(wù)器上的軟件進(jìn)行數據解算。自動(dòng)監測初始閾值設置參照表 2。

2.3 數據采集情況

目前，已在蘭成渝管道、蘭成管道、蘭鄭長(cháng)管道干線(xiàn)和支線(xiàn)管道災害高風(fēng)險區域共布設17處預防性監測點(diǎn)，每處監測點(diǎn)均包括管道應力應變監測、地表位移監測及降雨量監測等，初步形成甘肅區域管道地質(zhì)災害預防性監測預警網(wǎng)。監測到關(guān)注級預警20多次，成功消除各類(lèi)中、小型地質(zhì)災害隱患30多處，預先避免了管道地質(zhì)災害的惡化及發(fā)生。

3 效果評價(jià)

（1）準確監測預警。預防性監測預警網(wǎng)能準確監測管道地質(zhì)災害隱患點(diǎn)，發(fā)出預警，提前預防及治理，為管道完整性管理奠定了良好的基礎。

（2）提供原始數據。通過(guò)不間斷監測，積累了大量原始數據，包括管道地質(zhì)災害點(diǎn)的變形過(guò)程、應力集中趨勢、應變變化大小，以及管道地質(zhì)災害成型的主要原因等。對后期管道地質(zhì)災害治理提供了不可或缺的數據支撐，節約災害治理費用。

（3）評價(jià)治理效果。通過(guò)監測預警網(wǎng)收集的數據，對比災害治理前、治理后的數據，有效度量治理效果，檢驗治理效果是否達到預期目的，為今后災害治理工程的設計和方案比選、監護、維修、檢測等提供依據。

作者簡(jiǎn)介：鄭磊， 1982年生，工程師，畢業(yè)于西安交通大學(xué)機械工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，從事油氣管道的陰極保護、水毀及地災防治、完整性管理等工作。聯(lián)系方式： 13519445269，308365099@qq.com。