劉　武，侯王剛，田　智，羅召錢.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都　60500.中國(guó)石油西南油氣田公司，四川江油　6709

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斷層錯(cuò)動(dòng)作用下埋地管道反應(yīng)分析方法綜述

劉武1，侯王剛1，田智2，羅召錢2
1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500
2.中國(guó)石油西南油氣田公司，四川江油621709

摘要：埋地管道作為石油天然氣工業(yè)的地下生命線，不可避免地穿越活動(dòng)斷層，研究斷層大距離錯(cuò)動(dòng)作用下埋地管道反應(yīng)具有重要意義。從理論研究和實(shí)驗(yàn)研究?jī)煞矫嬲撌隽藬鄬渝e(cuò)動(dòng)作用下埋地管道反應(yīng)研究現(xiàn)狀，分析了不同方法所采用的力學(xué)模型及管-土相互作用模型的發(fā)展方向，總結(jié)了前人的研究成果以及存在的不足。針對(duì)當(dāng)前技術(shù)的不斷發(fā)展，指出進(jìn)一步研究方向。

關(guān)鍵詞：斷層錯(cuò)動(dòng)；埋地管道；分析方法；綜述

世界能源需求的擴(kuò)大和發(fā)展加速了長(zhǎng)距離油氣管道的建設(shè)步伐［1］。我國(guó)油氣資源主要分布在中西部地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，長(zhǎng)輸管道不可避免地會(huì)受到地震災(zāi)害的威脅和侵害［2］。堅(jiān)固而有韌性的鋼管道一般能經(jīng)受住地震的考驗(yàn)，但卻不能抵御斷層所產(chǎn)生的較大的永久性地面位移［3］。地震引發(fā)的地表破裂及錯(cuò)動(dòng)會(huì)使埋地管道承受強(qiáng)烈的拉伸或壓縮作用，極易發(fā)生拉斷、錯(cuò)斷或屈曲破壞，造成火災(zāi)或爆炸，對(duì)人員的生命財(cái)產(chǎn)及環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

1971年美國(guó)的圣費(fèi)爾南多地震，造成25%的地下管道在斷層穿越處或其附近的強(qiáng)地震區(qū)破裂［4］。1997年委內(nèi)瑞拉的Cariaco地震，造成斷層錯(cuò)動(dòng)位移達(dá)0.4 m，埋地管道嚴(yán)重受損［5］。2001年青海省和新疆維吾爾自治區(qū)交界處昆侖山南麓發(fā)生8.1級(jí)地震，導(dǎo)致格爾木至拉薩的地下輸油管道在斷層地表破裂帶處出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞現(xiàn)象［6］。2008年，四川汶川地震，綿竹市供水主管網(wǎng)80%被破壞［7］。

以上案例表明，斷層的相互錯(cuò)動(dòng)會(huì)對(duì)地下油氣管道系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害，進(jìn)行斷層大距離錯(cuò)動(dòng)作用下埋地管道結(jié)構(gòu)的受力與變形分析是必要的。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已就管道、土體以及管-土相互作用建立了豐富的力學(xué)模型，對(duì)地震斷裂帶作用下埋地管道的反應(yīng)行為進(jìn)行了大量分析，歸納起來(lái)主要有理論和實(shí)驗(yàn)研究?jī)煞N方法。

1　理論研究

1.1理論解析法

Newmark和Hall于1975年首次提出了跨斷層埋地管道反應(yīng)的一種近似算法［8］。該方法假設(shè)管道埋置于帶邊坡的淺溝內(nèi)，忽略慣性力的影響，斷層作用下管土一起運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為斷層位移完全由管道軸向變形吸收，不計(jì)土的橫向作用力和管道的彎曲變形。研究表明，管土間的摩擦力越小，管道適應(yīng)斷層運(yùn)動(dòng)的能力越強(qiáng)；鋼號(hào)越低，延性越大；斷層兩側(cè)附近區(qū)域，管道發(fā)生大位移。該方法至今仍被我國(guó)輸油（氣）管道抗震規(guī)范所采用，由于其忽略了土體的橫向作用力和管道彎曲變形，使得該方法只適用于斷層與管道交角較小或斷層位錯(cuò)較大的情況。

1977年Kennedy等人在Newmark- Hall方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，考慮了作用在管道上的橫向土反力和管道彎曲變形，采用曲線段和直線段分別來(lái)描述斷層附近和遠(yuǎn)離斷層管段的變形，提出了斷層運(yùn)動(dòng)時(shí)地下管道承受彎曲和軸向拉伸最大應(yīng)變的分析方法［9］。通過(guò)分析，該方法較Newmark- Hall結(jié)果更合理，但其忽略了管道的彎曲剛度，對(duì)側(cè)向土反力估計(jì)過(guò)高，結(jié)果偏于保守。

上述Newmark- Hall和Kennedy方法都沒有考慮管道的抗彎剛度，均認(rèn)為管道與斷層的交點(diǎn)處最先發(fā)生破壞。

1985年，Wang和Yeh在Newmark- Hall上述兩種方法的基礎(chǔ)上改進(jìn)了柔性纜索的假設(shè)［10］，考慮了管道的彎曲應(yīng)變及剛度，提出了地下管道遠(yuǎn)端的變形應(yīng)形同彈性地基梁，斷層附近變形為單一曲率彎曲的大變形梁。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，該方法的計(jì)算模型較前兩種方法更接近實(shí)際情況，且避免了Newmark- Hall方法在穿越角度較大時(shí)不能考慮彎曲應(yīng)變的損失。但該模型忽略了軸力對(duì)彎曲剛度的影響，得到的彎曲應(yīng)變值較高，結(jié)果偏于保守，且沒有考慮單一曲率大變形梁和彈性地基梁之間的剪力連續(xù)條件。

1994年，Chiou等［11］為了克服Wang- Yeh方法中單一曲率計(jì)算模型的不足，將管道大變形段模擬為彈性梁，管道遠(yuǎn)端看作半無(wú)限長(zhǎng)的彈性地基梁。運(yùn)用有限差分法和Brent法求解非線性方程，并對(duì)管道的抗震性能進(jìn)行了分析。

1998年，Wang L R L等［12］將斷層附近的管道大變形段模擬成帶有彈簧鉸支座的懸臂梁而不是一段圓弧，遠(yuǎn)離斷層的管段視為半無(wú)限的彈性地基梁。該方法考慮了大變形的應(yīng)力-變形關(guān)系，使計(jì)算結(jié)果更接近真實(shí)情況。但在計(jì)算大變形段的橫向位移時(shí)，使用的彎矩疊加原理是建立在小變形和梁彎曲剛度不變的前提下，沒有考慮靠近斷層已進(jìn)入塑性階段的管軸力對(duì)橫向彎曲的影響，計(jì)算結(jié)果偏于保守；沒有考慮懸臂梁和彈性地基梁之間的剪力連續(xù)條件。

Karamitros等［13］將斷層附近大變形管道模擬為彈性梁，遠(yuǎn)端小變形為彈性地基梁，考慮了彈性地基梁和彈性梁連接點(diǎn)處的剪力連續(xù)條件以及管道橫截面的實(shí)際應(yīng)力分布情況。但該方法忽略了大變形段的管土之間摩擦力，而認(rèn)為管道潛在的破壞位置位于最大彎矩截面處，且沒有予以證明；在考慮軸力對(duì)彎曲剛度的影響時(shí)，采用的基于彈性梁理論的彎曲應(yīng)變和基于二次項(xiàng)影響的彎曲應(yīng)變組合形式缺乏物理意義。

王濱［7］在Karamitros模型的基礎(chǔ)上，采用了ALA- ASCE推薦的理想彈塑性土彈簧模型，考慮了管土相互作用的非線性。分別基于管道鋼的雙折線模型和Ramberg- Osgood模型，提出較為精確的場(chǎng)地土均一走滑斷層作用下埋地鋼質(zhì)管道反應(yīng)計(jì)算的理論解析法。通過(guò)分析，該方法得到了管道潛在的破壞位置、管道軸向總應(yīng)力和總應(yīng)變最大值。但忽略了斷層作用下管道的幾何非線性影響，采用小變形位移疊加方式計(jì)算管道幾何伸長(zhǎng)量，使計(jì)算結(jié)果不安全。

以上方法主要是針對(duì)走滑斷層作用下管道的應(yīng)力、應(yīng)變分析，管土力學(xué)模型不斷得到改進(jìn)，但均是基于一定的假設(shè)前提下，得到的結(jié)果存在局限性。

1.2數(shù)值模擬法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，在工程領(lǐng)域中，有限元分析（FEA）越來(lái)越多地用于仿真模擬，研究者們提出了多種有限元分析方法求解斷層錯(cuò)動(dòng)作用下埋地管道的響應(yīng)特性。

1991年，侯忠良等［14］在考慮斷層相對(duì)位移較大情況下，管道和土體發(fā)生了非線性變形，提出了用非線性有限元方法對(duì)穿越斷層的埋地管道進(jìn)行反應(yīng)分析。該方法將管道簡(jiǎn)化為彈性地基梁，土體設(shè)置為土彈簧，根據(jù)虛功原理建立管道的平衡方程，利用迭代方法進(jìn)行計(jì)算。探討了斷層錯(cuò)動(dòng)量、管土之間的相對(duì)位移對(duì)管道反應(yīng)的影響，表明該方法在管道受拉作用下的計(jì)算結(jié)果與Kennedy法相近。

Takada等［15］將管道模擬為彈塑性材料殼單元，土體設(shè)置為非線性彈簧單元，采用非線性有限元分析逆斷層大距離錯(cuò)動(dòng)下埋地管道的屈曲效應(yīng)。通過(guò)研究，得出逆斷層作用下管道的最大應(yīng)變出現(xiàn)在屈曲位置；在總應(yīng)變中，塑性應(yīng)變占97%以上，可見管道跨逆斷層時(shí)需具有較高的延展性；增加管道壁厚有助于抗震，逆斷層穿越角以45°為宜。

2002年，劉愛文［16］首次提出將遠(yuǎn)離斷層管土之間相對(duì)變形較小的管道直線段變形等效為非線性彈簧，用殼單元模擬斷層附近發(fā)生大變形的管段，土體設(shè)置為彈簧單元，從而較好地分析了管截面的大變形情況，且節(jié)約了將整個(gè)管道視為殼模型的計(jì)算時(shí)間。分析發(fā)現(xiàn)，殼單元模型能較好地分析管道的局部屈曲和大變形情況。

劉學(xué)杰等［17］考慮管道穿越逆斷層或以90°交角穿越走滑斷層時(shí)，管道發(fā)生局部屈曲變形，建議用梁?jiǎn)卧M直管段，在斷層附近（左右各20 m）采用彎管（等效于殼單元）單元，管土之間采用土彈簧或桿、連接單元進(jìn)行模擬，使計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。并針對(duì)已建和新建管道的抗震性能進(jìn)行了分析。

金瀏等［18］建立了穿越逆沖斷層作用下埋地管道非線性有限元模型，將埋地管道及周圍土體從半無(wú)限大地介質(zhì)中取出，分別以空間薄殼單元和實(shí)體單元進(jìn)行離散，采用非線性接觸單元模擬管土之間的滑移、分離及閉合現(xiàn)象。分析得出土體錯(cuò)動(dòng)量越大，管道變形越嚴(yán)重；土體剛度的增大導(dǎo)致管道反應(yīng)的增大；淺埋有利于管道變形，提高抗震性能；逆斷層作用下，隨著跨越角度的增大，管道容易發(fā)生屈曲破壞，建議采用90°作為最佳的管道跨越角度。

閆相禎等［19］基于斷層中間含有破碎帶、薄殼大變形以及管土耦合條件，建立了殼單元有限元分析模型。將管道模型簡(jiǎn)化為四節(jié)點(diǎn)薄殼單元，土體簡(jiǎn)化為三向彈塑性土彈簧，管壁的厚度即為各個(gè)殼單元的厚度，并進(jìn)行算例分析。結(jié)果表明，在大位移作用下，管道破壞主要出現(xiàn)在斷層附近兩側(cè)；斷層破碎帶越寬，管道的軸向變形越小，對(duì)管道的抗震越有利。

Bolvardi等［20］采用殼單元離散管道，土體選擇實(shí)體單元，管土間采用接觸模型來(lái)模擬，建立了三維非線性有限元模型。分析比較了管徑、穿越角、壁厚、埋深等因素對(duì)管道受力的影響。

豐曉紅［21］選用殼單元以及實(shí)體單元分別對(duì)管道及周圍土體進(jìn)行了離散，將管道模擬成薄壁中空結(jié)構(gòu)，土體模擬為均一實(shí)體結(jié)構(gòu)，采用基于狀態(tài)非線性的管土接觸模型，提出了符合實(shí)際的有限元計(jì)算模型。

楊汗青等［22］基于MIDAS結(jié)構(gòu)分析軟件，采用大變形有限元方法分析了大口徑油氣管道在斷層位錯(cuò)作用下的應(yīng)變響應(yīng)。管道采用板殼單元，土體、圍巖以及斷層破碎帶設(shè)置為實(shí)體單元，管土間的相互作用采用實(shí)體接觸單元進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，對(duì)于走滑斷層、逆斷層以及逆沖斷層，場(chǎng)地覆蓋土層厚度對(duì)管道應(yīng)變影響較大；不同類型斷層位錯(cuò)作用下，管道與斷層最佳穿越角度差別較大。

薛景宏等［23］提出單壓土彈簧埋地管道有限元模型，對(duì)傳統(tǒng)的拉壓彈簧進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)單壓性能，更好模擬管土間相互作用。模擬發(fā)現(xiàn)，單壓彈簧法得到的管道應(yīng)變值比拉壓彈簧法得到的應(yīng)變值小，能較好地反映管道的實(shí)際變形。

2　實(shí)驗(yàn)研究

在以往的研究中，理論解析法和數(shù)值模擬法因其自身的易操作性及受外界影響較小等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了研究，而對(duì)于斷層錯(cuò)動(dòng)作用下的抗震試驗(yàn)則相對(duì)較少。

馮啟民等［24］首次進(jìn)行了跨斷層埋地管道抗震試驗(yàn)。采用中間有斷縫的土箱模擬斷層兩盤，將管道模型埋入土箱中，使箱體的一半相對(duì)另一半存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，分別進(jìn)行了靜力試驗(yàn)和模擬地震振動(dòng)臺(tái)動(dòng)力試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，不論靜力還是動(dòng)力試驗(yàn)，管道與斷層土體之間的相對(duì)變形最大值均出現(xiàn)在斷層面附近；管道軸線變形成反對(duì)稱，遠(yuǎn)離斷層的管段隨土體一起運(yùn)動(dòng)；斷層帶軟弱夾層的存在，有使管道最大應(yīng)變發(fā)生位置遠(yuǎn)離斷層面的趨勢(shì)。

2004年，Susumu Yasuda等［25］分別對(duì)埋地管道穿越走滑斷層和逆沖斷層進(jìn)行了試驗(yàn)，斷層模型采用一個(gè)土箱固定、另一個(gè)土箱運(yùn)動(dòng)的形式，分析了管徑、管道埋深、管道與斷層的交角等參數(shù)對(duì)管道最大彎矩的影響。

Yoshizaki等［26］進(jìn)行了全尺寸試驗(yàn)，分析了管溝內(nèi)膨脹型樹脂類回填物對(duì)埋地管道抗震性能的影響。結(jié)果表明，使用膨脹型樹脂作為回填物有助于減輕管土間相互作用。

Da Ha等［27］采用離心試驗(yàn)?zāi)M逆斷層作用下管道（大密度和高延性的聚乙烯材料）的受力狀況。并將試驗(yàn)結(jié)果與1999年土耳其伊茲米特地震中管道的失效情況進(jìn)行對(duì)比，提出一種新的測(cè)量地表破裂變形作用下管土間接觸力的模型。

張志超等［28］針對(duì)跨斷層地下管道的地震破壞特性，設(shè)計(jì)出斷層作用下管道的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＝Y(jié)果表明，管道與土體之間的初始動(dòng)力效應(yīng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)影響較小，可以忽略不計(jì)，而管內(nèi)流體可能存在較大影響；在無(wú)法避開斷層區(qū)域的情況下，地下管道最好與斷層垂直；管道的最大應(yīng)變位于斷層附近一定區(qū)域內(nèi)；管-土動(dòng)力相互作用及其變化規(guī)律對(duì)管道反應(yīng)影響較大。

3　結(jié)論及展望

經(jīng)過(guò)近四十年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)跨斷層埋地管道破壞模式建立了多種分析模型，在理論解析法、數(shù)值模擬法以及試驗(yàn)方法等領(lǐng)域均取得顯著成績(jī)。同時(shí)，由于各種方法的適用條件不同，均存在一定的局限性。隨著管道向大口徑、高壓力、高鋼級(jí)方向發(fā)展，研究方法也需作出相應(yīng)的改進(jìn)。

（1）管道分析模型主要為斷層附近大變形梁模型和遠(yuǎn)離斷層小變形管段彈性地基梁模型，基本模型沒有發(fā)生改變，只是分析方法不斷改進(jìn)，但均是基于一定的假設(shè)前提下，因此得到的結(jié)果存在一定的局限性。

（2）在今后研究中，應(yīng)針對(duì)工程實(shí)際建立合適的有限元模型，提高計(jì)算效率；考慮更多管道運(yùn)行時(shí)的影響因素，如建立土體-管道-流體耦合作用下的埋地管道穿越斷層模型將成為研究重點(diǎn)。

（3）針對(duì)斷層作用下埋地管道的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕獮椤肮艿来┰酵料洹蹦Ｐ?，它在一定程度上反映了管道的變形?guī)律。由于受到土箱模型尺寸、試驗(yàn)裝置性能以及荷載的施加方式等因素限制，難以得到精確結(jié)果，只能為理論研究提供參考。

（4）有必要對(duì)斷層錯(cuò)動(dòng)作用下含缺陷長(zhǎng)輸管道的安全性分析作進(jìn)一步研究。

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Review on Analysis Methods of Buried Pipelines Under Fault Movements

LIU Wu1，HOU Wanggang1，TIAN Zhi2，LUO Zhaoqian2
1. Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China
2. Petro China Southwest Oiland Gas Field Company，Jiangyou 621709，China

Abstract：As the lifeline of petroleum industry，buried pipelines crossing active faults are inevitably，so the research on response behavior of buried pipelines under large fault displacement is essential. In the present paper，the status quo of the response of the buried pipeline under the fault action is discussed from two aspects：theoretical research and experimental research，presenting the mechanical models of different methods and development direction of the model of soil- pipeline interaction. The previous research results and the existing problems are summarized. The future research direction is pointed out based on the current development of pipeline technology.

Keywords：fault movement；buried pipeline；analyticalmethod；review

doi:10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.02.001

基金項(xiàng)目：

四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（2013JY0098）資助。

作者簡(jiǎn)介：

劉武（1970-），男，四川武勝人，副教授，1992年業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，主要從事天然氣管網(wǎng)優(yōu)化、地質(zhì)災(zāi)害作用下管道的安全研究工作。Email：wwwww65@126.com

收稿日期：2015- 09- 14；修回日期：2015- 12- 09