趙 偉，肖 芳

（1.四川嵐強(qiáng)石油天然氣工程勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，四川成都 610000；2.中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司，四川成都 610000）

崩塌的發(fā)生與地質(zhì)、地貌、氣候水文以及人類活動(dòng)等許多環(huán)境因素密切相關(guān)，是各種因素綜合作用的結(jié)果。在輸氣管道途徑崩塌落石地區(qū)時(shí)，由于落石的大小不同，落到地面后對(duì)埋地輸氣管道的沖擊作用也不相同，在不同沖擊作用下，落石對(duì)埋地輸氣管道的影響也不相同，嚴(yán)重時(shí)將發(fā)生管道失效，因此研究落石沖擊埋地輸氣管道尤為重要。

1 落石沖擊埋地管道的有限元模型建立及參數(shù)設(shè)置

1.1 有限元模型建立

建立落石沖擊埋地輸氣管道的有限元模型，由于對(duì)稱性，為了節(jié)約計(jì)算機(jī)時(shí)長建立1/4 有限元模型。該有限元模型共涉及三種材料：土體、落石和管道。落石從高處下落到地面時(shí)，由于有重力勢能所以具有能量，假設(shè)土體為均質(zhì)、各向同性的介質(zhì)。落石下落至地面時(shí)，落石與土體表面之間的接觸取面面接觸，接著采用罰函數(shù)方法計(jì)算該動(dòng)力接觸問題。由于該埋地輸氣管道有限元模型的對(duì)稱性，因此選擇LSDYNA 程序中提供的3D solid 六面體單元對(duì)落石、土體和埋地管道分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將落石與土體、土體與管道面之間的接觸方式設(shè)置為面面自動(dòng)接觸方式。

1.2 模擬參數(shù)設(shè)置

數(shù)值模型中分別考慮落石直徑為0.5m、1m、1.5m，落石下落高度5m、10m、15m，埋地管道埋深1m、2m、3m，計(jì)算工況27個(gè)，具體如表1所示。

表1 計(jì)算工況條件及編號(hào)

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

重點(diǎn)分析10-5-2工況，得到如下的結(jié)果。

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果

通過對(duì)上述五種工況進(jìn)行落石沖擊埋地輸氣管道數(shù)值模擬后得到模擬結(jié)果，如圖1所示。

圖1 工況10-5-2在Y方向的位移和總位移

從圖1可看出：在相同落石直徑及落距的條件下，隨著埋深的增加，輸氣管道受到影響的程度減?。辉谙嗤敋夤艿缆裆罴奥渚嗟臈l件下，隨著落石直徑和重量的增大，埋地輸氣管道受到影響的程度增加；在相同埋深和落石直徑、重量的條件下，隨著落距的增大，埋地輸氣管道受到影響的程度增加。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 落石沖擊力分析

以落石下落高度為10m，管道埋深為2m 的工況（10-5-2）為例進(jìn)行數(shù)值模擬，最終得到落石向下沖擊過程中落石沿豎直方向上的速度時(shí)間關(guān)系圖、位移時(shí)間關(guān)系圖，分別如圖2、圖3所示。

圖2 工況10-5-2落石的速度時(shí)間關(guān)系圖

圖3 工況10-5-2落石的位移時(shí)間關(guān)系圖

從圖2可知，在落石下落碰撞到土體后的0.28s，落石的速度減小為0；從圖3可知，此時(shí)刻對(duì)應(yīng)的落石位移達(dá)到最大值0.70048m。該時(shí)刻后落石有一小段是向上逐漸增大的速度，但是該速度很快達(dá)到峰值然后衰減為0，此時(shí)段被稱為落石的反彈階段，隨后落石一直停止在0.68m 處。碰撞后落石向下貫入土體，土體的反作用迫使落石逐漸減速，向下的位移逐漸增大。

2.2.2 土體應(yīng)力分析

以工況10-5-2為例說明落石沖擊作用下埋地管道上覆土層土體應(yīng)力情況。為了使觀測更加直觀，將有限元模型關(guān)于X-Y 平面鏡像，得到1/2有限元模型。不同時(shí)刻土體豎向應(yīng)力等值線圖如圖4所示。

圖4 不同時(shí)刻土體豎向應(yīng)力等值線圖

從圖4可看到：由于動(dòng)應(yīng)力的傳播是一個(gè)過程，各深度出現(xiàn)最大沖擊力是隨著深度而延遲，反映了土應(yīng)力在土體中的衰減，其衰減速度比布辛尼克斯法計(jì)算地小。同時(shí)沖擊應(yīng)力在管土接觸面出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。對(duì)比圖4a 與圖4b：在（a）圖20ms 時(shí)豎向應(yīng)力尚未傳遞到埋地管道，此時(shí)應(yīng)力分布與強(qiáng)夯下土體應(yīng)力分布相似；在（b）圖中，40ms 時(shí)豎向應(yīng)力已經(jīng)傳遞到埋地管道，由于管道的存在，迫使豎向應(yīng)力的分布形式發(fā)生改變，豎向應(yīng)力在管道表面集中，與靜力學(xué)荷載分布形式相似，但是應(yīng)力更加集中。這是由于埋地管道剛度遠(yuǎn)大于土體，管道的位移小于土體產(chǎn)生的位移，在管頂平面出現(xiàn)沉降差，從而導(dǎo)致土體豎向應(yīng)力向管道頂部轉(zhuǎn)移，造成管頂豎向應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2.2.3 管體應(yīng)力分析

在相同落石直徑及落距的條件下，隨著埋深的增加，管體受到的有效應(yīng)力越小；在相同輸氣管道埋深及落距的條件下，隨著落石直徑和重量的增大，管體受到的有效應(yīng)力增加；在相同埋深和落石直徑、重量的條件下，隨著落距的增大，管體受到的有效應(yīng)力增加。

以管道埋深為1m，速度為15.1m/s 時(shí)情況為例分析落石沖擊下管體應(yīng)力情況。管體應(yīng)力時(shí)程曲線如圖5所示。

圖5 管體應(yīng)力時(shí)程曲線

圖5（a）為29ms 時(shí)管體有效應(yīng)力沿管周分布曲線，在管道頂部產(chǎn)生最大有效應(yīng)力，在管體兩側(cè)處有效應(yīng)力最小，在管體底部出現(xiàn)另一個(gè)極值，但小于管頂應(yīng)力。

管體頂部單元有效應(yīng)力時(shí)程曲線見圖5（b），最大Mises 應(yīng)力已達(dá)485MPa，管道材料已經(jīng)發(fā)生屈服。管頂出現(xiàn)應(yīng)力的時(shí)間是9ms，表明沖擊荷載在土體中的傳播需要時(shí)間，管體出現(xiàn)最大有效應(yīng)力的時(shí)間是29ms。

3 結(jié)論

1）落石沖擊荷載作用時(shí)間很短，一般為10-3～10-2s。在巖土體材料、落石體積確定的情況下，崩塌落石最大沖擊力與速度近似成正比關(guān)系。

2）落石沖擊力在土層中的傳播有一個(gè)過程，各深度出現(xiàn)最大沖擊力的時(shí)間隨著深度增加而增加，表明沖擊應(yīng)力在土體中的衰減，其衰減速度比布辛尼克斯法計(jì)算的小。

3）在落石沖擊作用下，土體豎向應(yīng)力在埋地管道表面將出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其分布形式與靜力學(xué)荷載分布形式相似，但是應(yīng)力更加集中。

4）在落石沖擊埋地輸氣管道的整個(gè)過程中，沖擊中心正下方為管道最危險(xiǎn)截面處，最大位移出現(xiàn)在管道頂部，管道底部和兩側(cè)的位移量均小于頂部，最大有效應(yīng)力也出現(xiàn)在管道頂部。