韓桂武1 邱光友2 熊健1 王麒1

1.中國石油天然氣管道工程有限公司；2.國家管網(wǎng)集團西南管道公司

 

摘要：高填方地區由于土質(zhì)邊坡不穩、土層不均勻沉降等問(wèn)題，極易影響敷設管道的穩定性，嚴重時(shí)會(huì )導致管道失效。以西南某管道高填方地質(zhì)災害點(diǎn)為例，針對地形地貌特點(diǎn)，首先對周?chē)�土體滑坡可能性進(jìn)行了預判，其次根據土層物理特性和管道現狀對可能發(fā)生管道不均勻沉降的管道最大位移值和最大應力值分別進(jìn)行了計算和校核，判定管道在高填方土層敷設中處于安全運營(yíng)狀態(tài)，提出了管道回填和持續監測建議。

關(guān)鍵詞：油氣管道；并行敷設管道；地層沉降；高填方區；應力分析

 

西南某油氣長(cháng)輸管道并行敷設于云南瑞麗某水果批發(fā)市場(chǎng)內，屬于Ⅱ級高后果區。2021年在管道環(huán)焊縫開(kāi)挖檢測過(guò)程中，發(fā)現該處管道埋深超過(guò)10 m以上，存在管道上方荷載過(guò)大的風(fēng)險（圖 1）。為保證管道運行安全，隨即進(jìn)行了管道穩定性校核。

根據現場(chǎng)踏勘情況，油氣管道同溝敷設間距約為6 m，管道覆土厚度12 m～15 m，分兩級開(kāi)挖，土體為粉質(zhì)黏土。其中一條輸氣管道管徑1016 mm，壁厚15.3 mm，輸送壓力6.4 MPa，溫差變化28.1℃，管道材質(zhì)X80。

該管道本次環(huán)焊縫檢測合格。由于管道處于地勢較高處，不存在積水風(fēng)險，周?chē)鸁o(wú)邊坡或地質(zhì)滑坡體等其他地質(zhì)災害風(fēng)險。據此判斷發(fā)生地質(zhì)風(fēng)險的可能性不大，主要存在的風(fēng)險為覆土高填方風(fēng)險。

1  管道徑向穩定性校核

GB 50251―2015《輸氣管道工程設計規范》根據經(jīng)典土壓力計算理論，將管頂土荷載按照垂直土柱的重力進(jìn)行計算，豎向土層壓力等于管頂上土柱的全部重力值，未考慮土壤的內摩擦力，主要適用于淺埋管道的穩定性校核。如果通過(guò)了校核，說(shuō)明管道徑向穩定性在保守條件下符合要求。如未通過(guò)校核，則應采用基于極限平衡理論的土柱滑動(dòng)面模型（馬斯頓模型），更接近實(shí)際管土狀態(tài)再次進(jìn)行驗算。

式中：γ為土層重度，N/m3；B為溝槽寬度，m；W0為單位管長(cháng)的豎向永久荷載，N/m；Cd為土壓力集中系數；D為管徑，m；H為管頂覆土厚度，m；Kf為土壤吸附作用強度系數，砂土及腐殖土（干燥）0.192，砂土、腐殖土（濕的和飽和的硬黏土）0.165，塑性黏土0.148，流動(dòng)性黏土0.132。表 1取砂土及腐殖土（干燥）Kf為0.192進(jìn)行計算。

通過(guò)馬斯頓模型計算可知，在各種敷設條件下，管道最大變形值為2.01%，小于規范 3%變形允許值，管道徑向穩定性滿(mǎn)足安全要求。

2  不均勻沉降的管道安全校核

2.1  土體不均勻沉降值

由于管道下部欠固結土的不均勻沉降，將引起其中敷設管道的受力不均。對于填方4 m（H1）和14 m（H2）的土體，其沉降值有明顯差異，如表 2所示。本文采用有限元計算方法（圖 2），計算不同高度回填土的土體沉降值和由此產(chǎn)生的管道附加應力值。

表 2 不同高度填方的輸氣管道應力結果對比

2.2  管土作用參數

GB/T 50470―2017《 油氣輸送管道線(xiàn)路工程抗震設計規范》附錄E “通過(guò)活動(dòng)斷層埋地管道有限元方法的彈簧參數”規定，根據土體的特性確定土彈簧具體參數，按照管道軸向、水平側向和豎向三個(gè)方向考慮土體與管道的相互關(guān)系，表 3列出土彈簧極限位移和對應的土作用力值。

表 3 粉質(zhì)黏土三向土彈簧參數表

2.3  管道應力分析

本次校核范圍為QAA108樁—QAA109-1樁段管道，如圖 3所示，據此建立管道有限元模型，并將不同管道節點(diǎn)的差異性沉降值作為位移荷載施加到土彈簧上。

根據有限元應變計算結果，得到不同高度填方的管道關(guān)鍵節點(diǎn)處地表沉降值，如表 4所示。

計算得到土體固結之后（5年后）管道位移分布和應力分布如圖 4、圖 5所示。

2.4  計算結果

高填方區管道除了受內壓、溫差、走向變化影響外，同時(shí)受土體不均勻沉降的作用；輸氣管道最大位移范圍為0.04 m～0.17 m，最大應力點(diǎn)組合應力值為254 MPa（圖 5），最大組合應力雖略有增高，但遠小于X80鋼管材質(zhì)允許極限應力值（499.5 MPa），可判定管道運營(yíng)處于安全狀態(tài)。

3  結論

本文通過(guò)有限元計算方法，對高填方區油氣管道安全性進(jìn)行了校核。計算結果表明高填方雖然會(huì )引起土體產(chǎn)生超過(guò)10 cm以上的不均勻沉降，但管道仍然有很大的應力余量，仍處于安全運行狀態(tài)。本案例對于平整場(chǎng)區的高填方管道安全性判定具有借鑒意義。但對于高填方管道同時(shí)處于不穩定邊坡等特殊地災風(fēng)險的工況，需要根據現場(chǎng)情況進(jìn)行針對性分析。

 

作者簡(jiǎn)介：韓桂武，1977年生，工學(xué)博士，高級工程師，現從事管道應力分析及巖土工程、地下儲油庫工程設計及研究工作。聯(lián)系方式：15081677911，hanguiwu@cnpc.com.cn。