江珂, 王東源, 余志峰, 黃棟

(1.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 2.中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 成都 610041; 3.中國石油天然氣管道工程有限公司, 廊坊 065000)

經(jīng)統(tǒng)計,全球陸上70%石油和99%天然氣資源需要依靠管道輸送,可見油氣管道是國民經(jīng)濟和國家能源安全的生命線。截止到2020年年底,中國的油氣管道建設(shè)總里程已達16.5萬km[1]?！吨虚L期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》中指出到2025年,全國油氣管網(wǎng)規(guī)模將達到24×104km[2]。管道在選擇時應(yīng)首先避開易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的地段,但受到城市的發(fā)展、土地規(guī)劃及環(huán)保等因素的影響,管道不得不走向地質(zhì)條件復(fù)雜多變的山區(qū),極易受到滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的威脅。近年來,由滑坡造成管道破壞的事故屢有發(fā)生[3-4],不僅造成了大量的人員傷亡和經(jīng)濟財產(chǎn)損失,而且產(chǎn)生了惡劣社會影響以及對生態(tài)環(huán)境造成嚴重破壞。基于滑坡滑向與管道走向的空間關(guān)系將其分為3種:橫向滑坡、縱向滑坡和斜向滑坡。席莎[5]對西氣東輸干線甘-陜-晉段的32處管道滑坡進行統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)橫向滑坡的數(shù)量最多且對管道危害也最為嚴重。因此,橫向滑坡對管道的變形破壞研究受到了國內(nèi)外越來越多學(xué)者的關(guān)注。

管道受到滑坡作用時,土體與管道發(fā)生相互作用,同時受到管道內(nèi)壓、溫度荷載、地面附加荷載等共同作用,是一個多因素耦合的復(fù)雜過程。理論解析、物理試驗、數(shù)值模擬是目前研究管土相互作用3種基本方法。理論解析模型通?；趶椥缘鼗?將管道視為大撓度梁,管周土體視為彈性地基,然后再借助于靜力學(xué)推導(dǎo)出管道的內(nèi)力以及位移方程。近年來有多名學(xué)者[6-9]對基于不同方法對解析解進行了改進,給出了一些特定工況下管道受力和變形的解析算法。物理試驗?zāi)軌蛑庇^反映管道受力變形破壞演變的形式,僅有少數(shù)學(xué)者[10-13]利用相似模型試驗的方法,開展了不同條件下的滑坡管道受力變形規(guī)律研究。理論解析由于其假設(shè)條件和過程簡化過多,針對復(fù)雜問題并不適用;原型試驗耗費大量人力物力,模型試驗采用的相似理論常常產(chǎn)生畸變影響試驗結(jié)果。近年來,隨著計算機軟件及硬件技術(shù)的發(fā)展,一些學(xué)者[14-18]利用數(shù)值模擬方法對不同條件下的滑坡管道相互作用進行了研究,取得了大量的成果。因此,利用數(shù)值模擬的方法開展滑坡作用下的埋地管道力學(xué)響應(yīng)特征研究,無疑是一種行之有效的方法。

因此,現(xiàn)以中緬天然氣管道貴州晴隆段2017年和2018年兩次滑坡斷管事故為例,通過實地調(diào)查事故現(xiàn)場的數(shù)據(jù)資料,結(jié)合地質(zhì)環(huán)境條件,提取地質(zhì)力學(xué)模型并運用有限元實體單元模型進行反演分析,再與現(xiàn)場的調(diào)查結(jié)果對比,探究事故發(fā)生的原因。研究結(jié)果將對管線工程的初期選線、施工建造以及后期運行維護有一定的指導(dǎo)意義。

1 滑坡區(qū)基本特征

1.1 地質(zhì)環(huán)境

中緬天然氣管道2010年動工,2013年10月建成投產(chǎn),干線全長1 726.8 km,其中與中緬原油管道并行1 101.2 km,全線管徑1 016 mm,設(shè)計壓力10 MPa,輸送能力100億m3/年。貴州晴隆縣沙子鎮(zhèn)位于黔西南布依族苗族自治州的東北角,地理坐標:東經(jīng) 105°01′～105°25′,北緯 25°33′～26°11′。區(qū)內(nèi)主要河流為北盤江左岸支流西泌河,水資源較為富集。該地區(qū)地形受北盤江及其支流的強烈切割,屬于深切割侵蝕低中山地貌,地勢西南高、東北低,地形起伏較大,具有“山高坡陡谷深”的特點。地質(zhì)構(gòu)造以旋扭構(gòu)造型式為主,兼有北西、北東和北北東向構(gòu)造,普安山字形和黔西南渦輪構(gòu)造占據(jù)其大部分地區(qū)。區(qū)域位于六盤水裂谷帶,管道通過附近有 NE向晴隆斷裂和NW向咸寧-水城斷裂南東段交匯。沿線地層主要有第四系全新統(tǒng)(Qh)覆蓋層,局部地段基巖出露,沿線基巖主要有三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組(T2g)、三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組(T1yn)、飛仙關(guān)組(T1f)。該區(qū)屬溫涼濕潤的高原亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),多年平均降雨量為1 505.1 mm。沿線巖土對鋼質(zhì)管道的視電阻率值為112～198 Ω·m,腐蝕性微弱。兩次管線失效事故發(fā)生地(小寨村滑坡和蔣壩營滑坡)均位于晴隆縣的沙子鎮(zhèn),兩次事故地點之間距離為1.2 km,且兩次事故相隔時間僅為1年,如圖1所示。

圖1 事故發(fā)生地示意圖

1.2 滑坡基本特征及成因機制

小寨村滑坡位于貴州晴隆縣沙子鎮(zhèn)小寨村,沙子—興仁公路路段右側(cè),地理坐標:東經(jīng)105°08′36.7″,北緯 25°47′29.2″。滑坡前緣高程1 380 m,后緣高程1 400 m,相對高差約20 m,主滑方向約為80°,坡度為30°～40°,平均坡度35°,呈上緩下陡形態(tài)。滑坡長40 m,平均寬度約40 m,厚度4～8 m,體積約為9.6×103m3,規(guī)模屬于小型滑坡,如圖2所示?；w呈不規(guī)則半橢圓形,圈椅輪廓明顯。坡體為三疊系近水平薄至中厚層狀細砂巖,覆蓋層為碎石土較薄。后期由于修建公路,在坡面上堆積了大量雜填土,進而導(dǎo)致滑坡發(fā)生。

蔣壩營滑坡位于貴州晴隆縣沙子鎮(zhèn)三合村蔣壩營的北部,地理坐標:東經(jīng) 105°08′9.4″,北緯 25°47′3.3″?；虑熬壐叱? 238 m,后緣高程1 290 m,相對高差約52 m,主滑方向為300°,坡度位于5°～40°,后緣較為平緩平均坡度5°～8°,前緣坡度約為40°,滑坡區(qū)地勢呈北西低南東、東高?；麻L280 m,平均寬度約50 m,厚度5～13 m,體積約為14.6×104m3,規(guī)模屬于中型滑坡,如圖3所示。坡體表面發(fā)育拉張裂縫,走向258°,裂縫斷續(xù)延伸長約123 m,下挫0.35～0.62 m,裂縫張開0.01～0.56 m。在蠕變體西側(cè)發(fā)育一條張裂縫,走向 315°,裂縫寬 0.01 ～0.06 m,斷續(xù)延伸長約20 m,無明顯下挫[19]。坡體為三疊系近水平層狀細砂巖,覆蓋層為粉質(zhì)黏土。在該處由于建設(shè)工程進行場地平整時,坡體上進行大量的填土施工,降低了坡體的穩(wěn)定性,引發(fā)滑坡。

圖3 蔣壩營滑坡示意圖

2 有限元模型的建立

2.1 管土相互作用模型

目前,管土相互作用模型主要以土彈簧模型和非線性接觸模型為主。其中,土彈簧模型是將管道的軸向、水平橫向、垂直方向上的管土之間的作用關(guān)系簡化為3個土彈簧,應(yīng)用起來較為簡便[20]。其弊端在于不能很好地模擬土體與管線之間接觸的非線性問題,同時也不能很好地模擬土與管線間的非線性摩擦。非線性接觸模型又稱實體接觸模型,該模型可以充分考慮管道與管周土的實際接觸狀態(tài),模擬土體與管線之間非線性摩擦問題。其實現(xiàn)方法為在ABAQUS軟件分別建立管道和土體的實體模型并建立表面集,再通過相互作用模塊中的接觸對算法定義管-土接觸對,指定主從面和接觸屬性。為了保證接觸效果,需將剛度較大的材料表面即管道表面設(shè)為主控面,而將剛度較小的材料表面即土體表面設(shè)為從屬面。ABAQUS軟件中含有多種接觸屬性,為了簡化管道與土體之間的復(fù)雜力學(xué)行為,考慮管土之間的法向作用和切向作用。法向作用考慮實際管土相互運動中的接觸和分離設(shè)置為“硬接觸”,即當兩個接觸的構(gòu)件之間壓力為零或負值時,視為接觸分離,約束消失無法傳遞法向壓力;法向作用考慮管土表面之間的相對運動和摩擦,設(shè)置“罰摩擦”模式,需輸入與管土表面材料相關(guān)的摩擦因數(shù),可由規(guī)范中查詢建議取值。

2.2 管道本構(gòu)模型

油氣管道管材為鋼鐵,管材本構(gòu)模型主要有線彈性模型、理想彈塑性模型、雙線性或三折線彈塑性模型以及R-O(Ramberg-Osgood)模型。對于X80型鋼,其應(yīng)力應(yīng)變曲線中無明顯屈服平臺,通常選用R-O模型。該模型在彈性階段與塑性階段過渡時不會出現(xiàn)突變點,可以較好地對管道的彈塑性行為進行描述,因此在進行模擬計算時有著更好的效果,被廣泛運用于高剛級、大口徑鋼管管土相互作用分析中。R-O模型應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式為

(1)

式(1)中:ε為應(yīng)變;σ為應(yīng)力;E為管道的彈性模量;α和r均為R-O模型參數(shù);σs為屈服強度。中緬天然氣管道晴隆段的管道均選用X80型鋼,其力學(xué)參數(shù)以及R-O模型參數(shù)見表1。晴隆段管道外徑1 016 mm,壁厚12.8 mm,設(shè)計內(nèi)壓為10 MPa,運行內(nèi)壓為8 MPa。

表1 鋼管力學(xué)參數(shù)

2.3 巖土體本構(gòu)模型

土體材料相較于管材較為復(fù)雜,表現(xiàn)為各向異性以及非均質(zhì)性,在較高應(yīng)力水平下土體為非線性,不可視為線彈性體。目前,M-C(Mohr-Coulomb)彈塑性模型被廣泛應(yīng)用于巖土工程中,當土體最大剪應(yīng)力超出土體的極限抗剪強度時,土體就會發(fā)生破壞。M-C 模型設(shè)置需要黏聚力、內(nèi)摩擦角、膨脹角等多個參數(shù),巖土體力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 巖土體力學(xué)參數(shù)

2.4 數(shù)值模型

依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù),對小寨村滑坡和蔣壩營滑坡分別建立如圖4和圖5所示的數(shù)值模型。兩次滑坡的數(shù)值模型除了坡體的尺寸和材料以及與管道的空間關(guān)系不同,在軟件中的建立方式均相同。其中,管道與巖土體采用C3D8R(八結(jié)點六面體單元)建立實體接觸模型,對管道鋼材采用Ramberg-Osgood本構(gòu)模型,對巖土體材料采用Mohr-Coulomb彈塑性模型進行計算。對網(wǎng)格進行劃分時,將與管道接觸的部分土體網(wǎng)格進行加密以提高計算精確度,同時保持接觸部分的土體和管道表面網(wǎng)格數(shù)量相等以避免在計算變形過程中發(fā)生穿透現(xiàn)象導(dǎo)致計算發(fā)生網(wǎng)格畸變。

圖4 小寨村滑坡數(shù)值模型

圖5 蔣壩營滑坡數(shù)值模型

為了模擬非滑動區(qū)管道的約束和土體支撐作用,管道兩端設(shè)置為軸向約束;坡體底部基巖設(shè)置為完全固定約束,坡體左右的兩斷面約束Z方向上的水平位移,坡體前后兩個斷面約束X方向上的水平位移;整個模型施加9.8 m/s2的重力荷載,同時對管道內(nèi)壁施加8 MPa壓強以模擬正常運行狀態(tài)的工作內(nèi)壓。對小寨村滑坡的滑動區(qū)雜填土坡頂施加10 cm豎向位移,模擬施工導(dǎo)致的沉降;對蔣壩營滑坡的雜填土部分考慮實際堆填過程進行分批次施加重力。暫不考慮溫度變化對管道造成的影響,也不考慮管道的接口問題將管道視為連續(xù)結(jié)構(gòu),主要分析滑坡變形對管道的影響。

3 管道強度校核

管道在運行中會受到復(fù)雜的荷載情況,產(chǎn)生軸向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力以及徑向應(yīng)力,即處于三向應(yīng)力狀態(tài)。首先需要對管道進行應(yīng)力屈服分析,常用的屈服條件采用最大形狀改變比能理論,也稱為第四強度理論即von Mise屈服準則。該準則認為材料的單位體積形狀改變的彈性形變能超過一定值時視為材料發(fā)生屈服,其計算公式為

(2)

式(2)中:σ1、σ2和σ3分別為第一、第二和第三主應(yīng)力;σ為von Mises應(yīng)力。

對于埋地管道直管段的許用應(yīng)力,規(guī)范中有以下相關(guān)說明。根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50251—2015) 5.1.1第二條規(guī)定管道埋地直管段的軸向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力組合的當量應(yīng)力不應(yīng)小于管道最小屈服強度的90%,對X80即L555鋼級最小屈服強度取值為555 MPa,因此線路管道的許用應(yīng)力[σ]=500 MPa。

同時根據(jù)《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50253—2014) 5.2.1輸油管道直管段的許用應(yīng)力的規(guī)定可知,線路管道的許用應(yīng)力[σ]計算公式為

[σ]=Kφσs

(3)

式(3)中:K為設(shè)計系數(shù),根據(jù)所在地區(qū)分類屬于人口稠密區(qū),取值為0.6;φ為焊縫系數(shù),取值為1.0;σs為管道最低屈服強度,對X80即L555鋼級取值為555 MPa。則管道許用應(yīng)力[σ]=333 MPa。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 小寨村滑坡

圖6給出了計算結(jié)束后小寨村滑坡和管道位移云圖。圖6(a)顯示,坡面上由于后期堆積大量雜填土,發(fā)生沉降并引發(fā)坡體整體側(cè)滑,最大位移位于坡肩其數(shù)值約為3.49 m。管道位移云圖如圖6(b)所示,管道整體呈現(xiàn)正態(tài)分布形態(tài),非滑坡區(qū)內(nèi)管道受滑坡影響小變形撓度少,滑坡區(qū)內(nèi)的管道越靠近中部撓度變形越大,最大值約為1.5 m。

圖6 小寨村滑坡和管道位移云圖

小寨村滑坡管道Mises應(yīng)力云圖如圖7所示,整個管道中部應(yīng)力較大,并且在滑坡邊界處管道上有兩個應(yīng)力集中區(qū),最大Mises應(yīng)力達到585 MPa,超出了管道所能承受的許用應(yīng)力。3個方向上的應(yīng)力中軸向應(yīng)力最大,軸向應(yīng)力沿管道軸線方向分布如圖8所示,軸向應(yīng)力集中在管道的中間和滑坡邊界區(qū)域,在管道的背滑側(cè)跨中位置軸向應(yīng)力最大值達到587 MPa,超出了管道所能承受的許用應(yīng)力,因此導(dǎo)致管道在跨中處附近產(chǎn)生脆性斷裂,如圖6(b)所示。

圖7 管道Mises應(yīng)力云圖

圖8 管道軸向應(yīng)力曲線

4.2 蔣壩營滑坡

圖9給出了蔣壩營滑坡坡體和管道位移云圖。如圖9(a)所示,斜坡整體發(fā)生蠕變,坡體的最大位移發(fā)生在堆積土體的坡肩處位移約為2.3 m。如圖9(b)所示,滑坡區(qū)中的管道長130 m,在滑坡的推力作用下管道呈馬鞍狀近正態(tài)式分布形態(tài),滑坡將管道整體推動,滑坡跨中處管道發(fā)生整體變形,滑坡區(qū)邊界處管道發(fā)生錯動,管道的變形量最大值出現(xiàn)在跨中為1.92 m,與事故中所測得的管道最大垂向偏移1.8 m接近,也與靜力學(xué)計算結(jié)果[21]最大撓度1.715 m較為接近。

圖9 蔣壩營滑坡和管道位移云圖

蔣壩營滑坡管道Mises應(yīng)力云圖如圖10所示,管道在滑坡邊界處存在應(yīng)力集中區(qū),最大Mises應(yīng)力已達到589 MPa,位于左邊界處,大大超出了規(guī)范中的許用應(yīng)力,故邊界區(qū)域內(nèi)的管道處于危險狀態(tài)。軸向拉應(yīng)力分布如圖11所示,管道的軸向應(yīng)力在滑坡邊界處達到最大值為592 MPa,這個值超出了管道所能承受的許用應(yīng)力。由于管道在滑坡中兩端的邊界有所差異,一端處于土-巖邊界,另外一端處于土-土邊界,土-土邊界上管道受到的彎矩較小一些,故在土-巖邊界處即左邊界更容易發(fā)生破壞,如圖9(b)所示。

圖10 管道Mises應(yīng)力云圖

圖11 管道軸向應(yīng)力曲線

4.3 事故反演結(jié)果分析

2017年7月2日9:50左右,中緬管道貴州晴隆段沙子鎮(zhèn)小寨村管道發(fā)生斷裂燃爆事故,造成8人死亡,35人受傷,事故現(xiàn)場如圖12所示。

圖12 小寨村事故現(xiàn)場

小寨村滑坡坡體表面覆蓋層為碎石土,覆蓋層下方為三疊系近水平薄至中厚層狀細砂巖。中緬管線敷設(shè)在斜坡坡腳,管道建成后,管道上方斜坡中部拓寬改造公路,在管道上方公路邊坡堆積大量雜填土,且沒有做任何護坡處理,如圖12(a)所示。拓寬改造工程增加了坡體的覆蓋層厚度和斜坡坡度,導(dǎo)致自然斜坡的穩(wěn)定性下降。堆積的雜填土較為疏松,隨著施工的進行,這部分土體發(fā)生沉降變形,擠密原有土體。經(jīng)過連續(xù)的降雨,整個坡體土體容重增加且抗剪強度降低,導(dǎo)致斜坡失穩(wěn),引發(fā)邊坡下陷側(cè)滑,擠斷輸氣管道并導(dǎo)致天然氣泄漏引發(fā)燃燒爆炸。由模擬結(jié)果可知,當斜坡施加10 cm豎向位移后,滑坡管道在跨中處的Mises應(yīng)力最大達到585 MPa,同時管道在此處的位移也將達到了1.5 m,超出了管道所能承受的許用應(yīng)力,因此滑坡管道在跨中處發(fā)生破壞,如圖12(b)所示。實際上若存在管體缺陷,特別是環(huán)焊縫缺陷對軸向應(yīng)力較為敏感,斜坡上很小豎向位移都將導(dǎo)致管道斷裂失效,引發(fā)了燃燒爆炸事故。

2018年6月10日23:15,中緬管道貴州晴隆段沙子鎮(zhèn)三合村蔣壩營處管道發(fā)生泄漏并引發(fā)燃爆,事故造成1人死亡、23人受傷,直接經(jīng)濟損失人民幣2 145萬元,事故現(xiàn)場如圖13所示。

圖13 蔣壩營事故現(xiàn)場

蔣壩營滑坡坡體坡度較緩,平均坡度約為8°,管道從其前緣穿過。坡體基巖為細砂巖,覆蓋層較厚為粉質(zhì)黏土,土質(zhì)肥沃被開墾為梯田。后期由于修建異地安置房工程,在滑坡后緣管道的南西側(cè)和北東側(cè)堆積大量雜填土。使滑坡前緣形成了一個坡度大約40°、高10 m左右的高陡邊坡,如圖5所示。填土過程中,僅進行了簡單處理未進行分層壓實、修建排渠道等工作,導(dǎo)致填土堵塞了坡體上原有的排水溝。超高的堆土加之連續(xù)降雨產(chǎn)生的超高孔隙水壓力,導(dǎo)致斜坡發(fā)生變形破壞,對管道產(chǎn)生推動擠壓。由模擬結(jié)果可知,管道整體發(fā)生彎曲變形,在跨中最大位移達到了1.92 m。在坡體左側(cè)邊界處管道敷設(shè)于砂巖之中,大大限制了管道的變形能力,軸向應(yīng)力高達592 MPa,超出了管道所能承受的許用應(yīng)力,因此管道在坡體左側(cè)邊界處發(fā)生破壞,如圖13所示。在此應(yīng)力值下,由于管體或環(huán)焊縫處的缺陷影響,管道發(fā)生了沿環(huán)焊縫的脆性斷裂,隨后大量天然氣泄漏并與空氣形成爆炸性混合物,引發(fā)了燃燒爆炸事故。

5 結(jié)論

(1)基于有限元實體接觸模型,對兩次滑坡斷管事故進行模擬反演,并與實際調(diào)查結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn),滑坡管道變形撓度呈中間大兩端小的近正態(tài)分布形態(tài),且滑坡管道跨中和邊界處Mises應(yīng)力較大,超出規(guī)范中的許用應(yīng)力,容易在此處發(fā)生破壞。

(2)計算和強度校核結(jié)果表明,當管道斜坡上方堆積大量積土?xí)r,管道受到擠壓作用,產(chǎn)生軸向應(yīng)力大于許用應(yīng)力,加之管體母材或環(huán)焊縫可能存在缺陷,斜坡較小的位移變化也會使管道沿環(huán)焊縫處出現(xiàn)脆性斷裂。

(3)兩次斷管事故案例表明,中緬管道貴州晴隆段沙子鎮(zhèn)土體表層第四系殘坡積層和二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M松軟地層較為發(fā)育,為滑坡發(fā)生提供了有利的物質(zhì)條件。同時管道運行期,由于場地平整和修建公路、堆積棄渣等人類工程活動改變了原始斜坡地質(zhì)環(huán)境條件,觸發(fā)滑坡的產(chǎn)生,并導(dǎo)致管道斷裂失效,引發(fā)了燃燒爆炸事故。

(4)后期工程活動須避免擾動管道周圍的坡體,施工前應(yīng)對坡體穩(wěn)定性和管道強度進行校核,并加以防護防止類似事故產(chǎn)生。