陳騰輝，阿發(fā)友，黑明昌，代學(xué)剛

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650093)

1 前言

在西南地區(qū)，管道運(yùn)輸是石油、天然氣等液態(tài)或氣態(tài)物質(zhì)最重要的運(yùn)輸方式之一，截至2020年，我國(guó)管道運(yùn)輸里程已達(dá)16.9×104km，隨著管道建設(shè)里程的不斷增加，一部分管道不可避免地鋪設(shè)在地質(zhì)條件較復(fù)雜的地區(qū)，由于地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性而威脅管道的安全運(yùn)營(yíng)[1]。由于管道建設(shè)里程的不斷增加及地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的不可預(yù)測(cè)性，地質(zhì)災(zāi)害已成為管道安全運(yùn)營(yíng)的頭號(hào)威脅。新建管道時(shí)應(yīng)繞開(kāi)滑坡區(qū)域，如果無(wú)法繞開(kāi)，在滑坡的影響下管道可能會(huì)經(jīng)歷長(zhǎng)期、大規(guī)模的蠕動(dòng)，管-土相互作用也可能導(dǎo)致管道發(fā)生彎曲變形，拉裂或整體斷裂，從而帶來(lái)不可估計(jì)的損失[2]。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)滑坡作用下油氣管道的成災(zāi)機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，其中始于20世紀(jì)70年代的管-土相互作用研究是研究成災(zāi)機(jī)理的核心部分。研究管-土相互作用主要有數(shù)值模擬法、實(shí)驗(yàn)法和解析法，雖然近年來(lái)各種方法發(fā)展迅猛，但是仍未取得統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[3]。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，數(shù)學(xué)力學(xué)、地質(zhì)力學(xué)理論的快速發(fā)展，使管道滑坡的研究從過(guò)去的定性分析逐漸過(guò)渡到定量評(píng)價(jià)及成災(zāi)機(jī)理研究，數(shù)值模擬技術(shù)-有限元法、邊界元法、離散元法在分析輸油管道滑坡成災(zāi)機(jī)理方面已得到廣泛應(yīng)用[4]。馮文凱等[5]從滑坡地質(zhì)背景、變形特征及形成機(jī)制入手，通過(guò)定性分析和定量評(píng)價(jià)計(jì)算，確定了滑坡的穩(wěn)定性及其控制因素并對(duì)管道的易損性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。趙旭陽(yáng)、趙宇[7]采用ANSYS有限元軟件建立了管道橫向通過(guò)滑坡模型，考慮土體間的相互作用并分析滑坡寬度、管道壁厚及管道埋深對(duì)管道軸向應(yīng)變的影響。劉慧[6]根據(jù)理想彈塑性土體本構(gòu)關(guān)系和彈性梁撓曲理論建立橫向管道滑坡。得到管道在滑坡作用下不同參數(shù)對(duì)管道響應(yīng)狀態(tài)的影響。

以上前人研究成果為滑坡作用下管道的成災(zāi)機(jī)理提供了借鑒，但是，所研究?jī)?nèi)容對(duì)管道穿越滑體且與滑坡滑向平行的情況研究較少，值得進(jìn)一步深入研究。本文以中石化廣西輸油部百色站NB169+950滑坡為例，在大量野外調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用FLAC3D分析了天然及暴雨工況下，滑坡-管道相互作用的數(shù)值模擬研究，重點(diǎn)分析管道在滑坡中的受力問(wèn)題和穩(wěn)定性問(wèn)題，為類似管道滑坡災(zāi)害提供借鑒，具有重要的理論意義和實(shí)踐意義。

2 工程地質(zhì)條件

中石化廣西輸油部百色站NB169+950滑坡位于百色市田東縣思林鎮(zhèn)那厄屯東側(cè)約350 m處?；挛挥诤拥雷蟀?，岸坡高約23 m，坡度大約35°?；麦w長(zhǎng)約40 m，寬約40 m，滑體厚平均約6 m，滑坡體積9 600 m3，管道穿越滑坡沿滑向順坡敷設(shè)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)岸坡坡頂有地面裂縫，水保擋墻出現(xiàn)開(kāi)裂，滑坡正處于蠕動(dòng)變形階段，嚴(yán)重威脅輸油管道安全(如圖1～圖3)。

圖1 NB169+950滑坡-管道全貌簡(jiǎn)圖

研究區(qū)位于田東縣城東南，思林鎮(zhèn)西北側(cè)，屬構(gòu)造侵蝕、剝蝕的低山地貌單元?；滤谛逼驴傮w東高西低，地面高程為64～86 m，地形坡度約30°～40°，坡向約325°?；聟^(qū)內(nèi)地表覆蓋層為第四系殘坡積(Q4dl+el)碎石土，硬-塑狀，結(jié)構(gòu)較為致密，碎石塊徑多在2～5 cm，土石比8∶2～7∶3，厚度1～2.5 m。

區(qū)內(nèi)下伏基巖為三疊系中統(tǒng)平而關(guān)群(T2b)頁(yè)巖，巖層產(chǎn)狀52°∠32°，與滑坡所在斜坡整體呈斜交關(guān)系。層間多夾有泥化層，分布于整塊場(chǎng)地，多呈黃褐色及淺紅色，呈砂狀及碎塊狀。

研究區(qū)地下水類型主要為基巖裂隙水，以大氣降水補(bǔ)給及河流滲透為主，水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，場(chǎng)地地層透水性較好，富水性較差，地下水水量貧乏，隨季節(jié)變化較大。調(diào)查期間測(cè)得跛腳那厄河水流量約為1.35 m3/s。

Q4al+pl.第四系沖洪積層；Q4el+pl.第四系殘坡積層；T2b.三疊系中統(tǒng)平而關(guān)群；1.剖面線；2.地質(zhì)界線；3.滑坡范圍；4.水保擋墻；5.碎石路；6.輸油管道圖2 工程地質(zhì)平面圖

Q4al+pl.第四系沖洪積層；Q4el+pl.第四系殘坡積層；T2b-Sh.三疊系平而關(guān)群頁(yè)巖；1.潛在滑動(dòng)面；2.風(fēng)化界限；3.鉆孔編號(hào)及高程；4.鉆孔；5.輸油管道；6.那厄河水面圖3 工程地質(zhì)剖面圖

3 管-土相互作用模型的建立及參數(shù)選擇

3.1 管土相互作用力學(xué)模型的選擇

管道與滑坡滑向平行時(shí)管道-滑坡模型簡(jiǎn)圖如圖4所示，本節(jié)將采用理想彈塑性土彈簧方法對(duì)輸油管道的變形特征進(jìn)行分析。理想彈塑性模型的線性關(guān)系(如圖5)反映了單位長(zhǎng)度管道軸向力t與滑體相對(duì)位移的關(guān)系。該模型主要由管土接觸面處的單位管道長(zhǎng)度的最大摩擦力tm,管土最大相對(duì)位移DL和初始剛度KL確定(式1)。若管道發(fā)生最大位移，管道軸向位移與土體軸向反力極限關(guān)系公式(式2)如下：

圖4 管道與滑坡滑向平行管道-滑坡模型

圖5 管土相互作用關(guān)系

t=KL(uL-δL)πd

(1)

tu=KLDLπd

(2)

式中,t為單位長(zhǎng)度軸向力；tu為土體軸向反力極限；uL為管道軸向位移；δL為管道軸向土體位移；d為管道外徑；DL為管土相對(duì)位移。

3.2 管-土相互作用模型的建立

根據(jù)滑坡的形態(tài)特征及管道與滑坡的相對(duì)位置，使用FLAC3D6.0建立管-土相互作用模型。為了消除模型邊界條件的影響，建立的滑坡模型的長(zhǎng)寬高比實(shí)際尺寸略大，其中模型長(zhǎng)為54.6 m，寬為39.2 m，高為29 m。整個(gè)滑坡采用三角形網(wǎng)格單元，合計(jì)15 400個(gè)節(jié)點(diǎn)，5 591個(gè)單元。

管道模型在天然滑坡模型的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際埋深進(jìn)行開(kāi)挖，采用殼體單元結(jié)構(gòu)。工勘報(bào)告顯示，管道最小埋深為1.13 m，最大埋深為4.38 m。管道殼體單元模型在滑坡影響范圍內(nèi)。滑坡巖土體采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，凌空面采用自由邊界，底面固定，四周施加法向約束。并并以此為依據(jù)搜尋滑面的位置及滑面的形狀(圖6)。

圖6 滑坡-管道相互作用模型

3.3 管-土相互作用模型參數(shù)的選擇

管道-滑坡巖土體計(jì)算參數(shù)在經(jīng)驗(yàn)值的基礎(chǔ)上，根據(jù)滑坡在天然及暴雨工況下的參數(shù)反演得出。天然及暴雨工況下巖土體參數(shù)及管道參數(shù)如表1、表2和表3所示。

表1 天然工況下滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 暴雨工況下滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

表3 管道相關(guān)參數(shù)

4 不同工況下管土相互作用力學(xué)響應(yīng)狀態(tài)及對(duì)比分析

4.1 天然工況下埋地管道在滑坡作用下力學(xué)響應(yīng)狀態(tài)分析

埋地管道響應(yīng)狀態(tài)是指管道受滑坡作用而被推擠、拉壓或者復(fù)合作用產(chǎn)生的變形、變位甚至被拉裂破壞的作用。天然工況下管道滑坡數(shù)值模擬結(jié)果如圖7～圖10所示。如天然工況下管道滑坡位移速度圖所示，圓弧滑動(dòng)面已經(jīng)出現(xiàn)，結(jié)果顯示，滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.02，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。由于上部滑體已經(jīng)開(kāi)始滑動(dòng)，導(dǎo)致埋地管道被滑體推擠并拉伸。在上部滑體的作用下，管道最大位移為1.42 m，管道最大位移與上部滑體最大位移高度重合，該結(jié)果表明滑體位移對(duì)輸油管道的變形變位起到了決定性影響。

圖7 天然工況滑坡地表速度位移

圖8 天然工況滑坡穩(wěn)定性

圖9 天然工況下管道總位移

如圖10所示，管道在上部滑體的推擠拉壓作用下在上部彎曲部位產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，下部最大彎曲部位產(chǎn)生最大壓應(yīng)力，即最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別出現(xiàn)在滑坡后緣和滑坡前緣。其中所受最大拉應(yīng)力為1.480 4e7 Pa，最大壓應(yīng)力為1.620 4e7 Pa。管道抗拉強(qiáng)度為9.86e6 Pa，天然工工況下輸油管道的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均超過(guò)管道的抗拉強(qiáng)度而破壞。

圖10 天然工況下管道應(yīng)力

4.2 暴雨工況下埋地管道在滑坡作用下力學(xué)響應(yīng)狀態(tài)分析

在暴雨工況下滑坡由于雨水的作用導(dǎo)致滑體和滑帶土物理力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)下降。如圖12所示，在暴雨工況下，管道滑坡的安全穩(wěn)定性系數(shù)為0.998，圓弧滑動(dòng)面已然出現(xiàn)，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11 暴雨工況下管道速度位移

圖12 暴雨工況下管道滑坡穩(wěn)定性

如暴雨工況下管道總位移(圖13)和管道速度位移所示(圖11)，與天然工況下相比，滑體的位移進(jìn)一步加大，圓弧滑動(dòng)面進(jìn)一步發(fā)展，此時(shí)滑坡最大位移為3.145 3 m，且以管道為中心近似呈對(duì)稱分布。管道最大位移為1.863 1 m。在上部滑體的作用下輸油管道的最大位移比天然工況下最大位移加大且與滑體最大位移高度一致。

圖13 暴雨工況下管道總位移

根據(jù)管道受力圖(圖14)可知，暴雨工況下輸油管道的所受最大拉壓應(yīng)力仍然位于滑坡前后緣，所受應(yīng)力比天然工況下進(jìn)一步加大。上部彎曲部位受到最大拉應(yīng)力為2.155 0e7 Pa，下部彎曲部位受到最大壓應(yīng)力為2.227e7 Pa。輸油管道的抗拉強(qiáng)度為9.86e6 Pa,該工況下管道的最大拉應(yīng)力及最大壓應(yīng)力均超過(guò)其抗拉強(qiáng)度，管道進(jìn)一步被破壞。

圖14 天然工況下管道應(yīng)力

4.3 天然及暴雨工況下滑坡管道力學(xué)響應(yīng)狀態(tài)對(duì)比分析

在天然及暴雨工況下對(duì)管道的上部彎曲部位及下部彎曲部位進(jìn)行橫向位移，豎向位移，總應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)比(如圖15)。

圖15 管道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

如圖16、圖17所示，在天然及暴雨工況下管道橫向位移和縱向位移總是隨著計(jì)算的進(jìn)行而呈先增加后穩(wěn)定的趨勢(shì)。天然工況及暴雨工況下管道橫向最大位移分別為1.18 m和1.76 m，縱向位移最大值分別為-0.98 m和-0.64 m。結(jié)果顯示暴雨工況下管道位移比天然工況下管道位移明顯加大，且無(wú)論是天然還是暴雨工況下管道最大位移總是和上部滑體最大位移點(diǎn)高度重合并位于滑體中部。

圖16 監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫向位移的變化情況

圖17 監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移的變化情況

由計(jì)算結(jié)果可知，管道的橫向位移在天然及暴雨工況下變化趨勢(shì)相同，但是縱向位移坡腳管道彎曲部位的豎向位移較小且位移方向與坡頂?shù)南喾矗烊还r及暴雨工況下豎向位移最大值僅為0.01 m和0.05 m，說(shuō)明坡腳位置管道受擠壓發(fā)生向上彎曲變形。

圖18 監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的變化情況

如圖18所示，在天然及暴雨工況下的水平向應(yīng)力和豎直向應(yīng)力總是為壓應(yīng)力最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨工況下的壓應(yīng)力總是比天然工況下的壓應(yīng)力大。暴雨工況下穩(wěn)定狀態(tài)的豎向應(yīng)力為6.80e5 Pa，水平向應(yīng)力為2.75e5 Pa。天然工況下穩(wěn)定狀態(tài)的豎直向應(yīng)力為2.74e5 Pa, 水平向應(yīng)力為0.92e5 Pa。在暴雨工況下管道將會(huì)受到更大應(yīng)力的影響而威脅管道的安全運(yùn)營(yíng)。

5 結(jié)論

以廣西輸油一部百色站NB169+950滑坡為例，采用FLAC3D6.0建立管-土相互作用數(shù)值分析模型，并對(duì)天然及暴雨工況下滑坡的穩(wěn)定性及管道受力特征進(jìn)行分析，所得結(jié)論如下：

(1) 滑坡對(duì)管道的受力特征有決定性影響，滑體對(duì)管道的推擠、拉壓或者復(fù)合作用明顯?；w位移與管道位移基本一致，在滑坡后緣和坡腳對(duì)應(yīng)形成管道的拉應(yīng)力分布區(qū)和壓應(yīng)力分布區(qū)。

(2) 對(duì)于順坡鋪設(shè)管道的情況，無(wú)論是暴雨工況還是天然工況，管道在滑坡的作用下總是上部彎曲部位受到最大拉應(yīng)力，下部彎曲部位受到最大壓應(yīng)力。因此，在管道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中應(yīng)對(duì)滑坡后緣坡頂和坡腳彎曲部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

(3) 降雨對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響大，進(jìn)而加大對(duì)管道的影響。在降雨的作用下，滑坡的穩(wěn)定性出現(xiàn)明顯的降低，管道上下彎曲部位的拉壓應(yīng)力明顯加大，加劇威脅管道的安全。