國家管網(wǎng)集團(tuán)重慶天然氣管道有限責(zé)任公司

天然氣作為重要的資源是我國當(dāng)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)能源，與人們生活息息相關(guān)。天然氣管道作為天然氣的運輸載體，其重要性也不言而喻，特別是長輸天然氣管道更是關(guān)系到上億人民的基本生活[1-2]。天然氣管道不僅容易受管道內(nèi)燃?xì)馊急钠茐?，而且也容易受外部環(huán)境的影響，特別是外部地質(zhì)災(zāi)害的影響，其帶來的不僅是管道本身的破壞，更容易帶來次生災(zāi)害和對社會經(jīng)濟(jì)的影響[3]。長輸管道沿線的地形地質(zhì)和其他外部條件極為復(fù)雜?；率翘烊粴夤艿莱Ｒ姷牡刭|(zhì)災(zāi)害[4-5]，特別是對于穿越山區(qū)的長輸管道。2016年7月“川氣東送”管道恩施市崔家壩鎮(zhèn)段山體發(fā)生滑坡，造成2 人死亡，9人受傷，101戶200余人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失近3 000萬元，間接經(jīng)濟(jì)損失2 300余萬元[6]。

由于天然氣輸送管道本身的重要性，滑坡地質(zhì)災(zāi)害對其破壞的嚴(yán)重性，有必要對滑坡進(jìn)行分析研究。隨著有限元技術(shù)的快速發(fā)展，利用有限元分析滑坡體的技術(shù)也比較成熟[7-10]，求解步驟為：選取坐標(biāo)系，劃分單元，建立離散化有限元計算模型；給定材料參數(shù)，計算單元剛度矩陣；由單元剛度矩陣形成總剛度矩陣，建立系統(tǒng)平衡方程；引入邊界條件（荷載和位移邊界）；根據(jù)平衡方程求節(jié)點位移；根據(jù)幾何方程求單元應(yīng)變等[11]。本文對某具體滑坡體進(jìn)行有限元分析，并介紹其過程。

1 有限元模型的建立

涪陵—王場輸氣管道起于重慶市涪陵區(qū)白濤鎮(zhèn)工業(yè)園區(qū)，與焦石壩頁巖氣田1#、2#脫水站相連，終于重慶市石柱縣王場鎮(zhèn)，與川氣東送主管道相連。管道途徑地區(qū)多為山區(qū)地段，沿線地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。全線均為中低山和丘陵地貌區(qū)，山巒起伏、溝壑縱橫，局部經(jīng)過三峽庫區(qū)；分布碎屑巖和碳酸鹽巖兩大類，軟硬相間；構(gòu)造眾多，巖層傾角較大，屬于我國地質(zhì)災(zāi)害較頻發(fā)地區(qū)，在持續(xù)暴雨的作用下，可能發(fā)生大規(guī)模滑坡，危及管道安全[12]。

具體滑坡點為王場輸氣管道工程西南部滑體，滑坡的滑體主要由崩坡積土組成，管道保護(hù)帶為人工填土。根據(jù)地表工程地質(zhì)測繪，滑坡的平面呈不規(guī)則的“圈椅狀”，后緣及側(cè)緣以基巖為界，前緣出口位于沖溝南側(cè)，滑坡區(qū)橫寬約330 m，縱長約80～140 m，面積約28 600 m2?；麦w面積較大，如果全部進(jìn)行建模模擬，則需要較大的計算資源。由圣維南原理可知，荷載只對具體作用點局部范圍內(nèi)應(yīng)力影響較大，對遠(yuǎn)處影響較小，因此可以選取有限范圍內(nèi)的滑坡體和管道進(jìn)行模擬。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，本次以圖1所示的轉(zhuǎn)彎段右側(cè)10 m，左側(cè)30 m，共計40 m 的滑坡段范圍進(jìn)行模擬。從計算結(jié)果（橫向敷設(shè)的管道在距離轉(zhuǎn)彎段25 m以外受滑坡滑動影響較?。┛芍M范圍是合理的。

根據(jù)王場輸氣管道工程西南部滑體東側(cè)3'-3'和4'-4'剖面埋設(shè)的深部位移監(jiān)測設(shè)備（SBWYJC3-3、SBWYJC4-4）（圖1）位移監(jiān)測值的規(guī)律分析，SBWYJC3-3的3個測點的監(jiān)測值符合埋深越大位移量數(shù)值越小的規(guī)律，因此選擇3'-3'剖面建立平面有限元模型，根據(jù)監(jiān)測值開展該剖面管道位移計算，基于3'-3'剖面的管道位移作為管道三維模型的位移邊界條件開展管道應(yīng)力分析[13-16]。

圖1 位移監(jiān)測設(shè)備位置示意圖Fig.1 Location diagram of displacement monitoring equipment

根據(jù)3'-3'剖面滑體區(qū)域的地形地質(zhì)條件，以及管道結(jié)構(gòu)與邊坡空間相對位置，建立平面有限元計算模型，計算中考慮計算域的邊界效應(yīng)，有限元模型自管道結(jié)構(gòu)分別向坡內(nèi)和坡外延伸至適當(dāng)?shù)姆秶酝?，鉛直方向底面取至基巖以外適當(dāng)范圍。有限元計算坐標(biāo)系統(tǒng)X軸為水平垂直管道軸線方向，指向坡外為正；Y軸鉛直向上；有限元計算模型建立時充分考慮滑坡材料分區(qū)界限。計算域采用空間四節(jié)點等參單元進(jìn)行離散（局部考慮材料介質(zhì)過渡和地形變化等因素退化為三角形單元），計算模型分為多個材料區(qū)域，有限元計算網(wǎng)格如圖2所示。邊界條件主要考慮監(jiān)測點位的位移邊界條件。

圖2 平面有限元模型Fig.2 Plane finite element model

根據(jù)管道結(jié)構(gòu)尺寸及空間位置，建立管道及填土的三維有限元計算模型，計算中考慮計算域的邊界效應(yīng)，管道模型兩邊延伸至滑坡體以外適當(dāng)范圍，具體模擬轉(zhuǎn)彎段管道在內(nèi)的40 m 滑坡體范圍。有限元計算坐標(biāo)系統(tǒng)定X軸為正東方向為正；Y軸為正北方向為正；Z軸與X和Y垂直，且Z=X×Y，鉛直向上。管道為薄壁結(jié)構(gòu)，管道三維有限元模型采用四邊形shell 單元，填土采用實體單元進(jìn)行離散[17]，考慮輸氣管厚度及力學(xué)參數(shù)，有限元計算網(wǎng)格如圖3所示。邊界條件主要考慮平面有限元計算得出的管道位移及管道的荷載組合。

圖3 管道-填土三維有限元模型Fig.3 Three dimensional finite element model of pipeline and filling

2 有限元計算分析

2.1 基于3'-3'剖面的管道位移分析

根據(jù)深部位移監(jiān)測設(shè)備SBWYJC3-3 的監(jiān)測值，在平面模型中監(jiān)測點對應(yīng)部位施加位移邊界條件，計算管道的位移值，圖4給出了回填土及管道的位移值，從分布云圖可知，管道和回填土在滑坡體現(xiàn)狀條件下的位移值約為0.05 m。

圖4 滑坡體SBWYJC3-3監(jiān)測值條件下的管道及回填土的位移云圖Fig.4 Displacement nephogram of pipeline and backfill under the condition of SBWYJC3-3 monitoring value of landslide mass

2.2 滑坡體滑動條件下的管道應(yīng)力分析

2.2.1 應(yīng)力計算工況及荷載組合

基于SBWYJC3-3 的監(jiān)測值的3'-3'剖面管道位移分析，得出3'-3'剖面填土及管道的位移約為5 cm，以此為位移邊界條件，在三維模型中的3'-3'剖面位置施加5 cm 的合位移約束，進(jìn)行滑坡體中輸氣管道的應(yīng)力分析。

為分析滑坡體在不同滑動狀態(tài)下管道的應(yīng)力變化情況，主要進(jìn)行了以下5種工況的有限元計算：

工況1：根據(jù)SBWYJC3-3的實際監(jiān)測值計算得出，3'-3'剖面填土及滑塊位移為5 cm。荷載組合：填土及管道自重+氣壓8 MPa+3'-3'剖面填土及滑塊位移為5 cm。

工況2：3'-3'剖面填土及滑塊位移為10 cm。荷載組合：填土及管道自重+氣壓8 MPa+3'-3'剖面填土及滑塊位移為10 cm；滑坡體外的管道考慮為固端。

工況3：3'-3'剖面填土及滑塊位移為20 cm。荷載組合：填土及管道自重+氣壓8 MPa+3'-3'剖面填土及滑塊位移為20 cm；滑坡體外的管道考慮為固端。

工況4：3'-3'剖面填土及滑塊位移為30 cm。荷載組合：填土及管道自重+氣壓8 MPa+3'-3'剖面填土及滑塊位移為30 cm；滑坡體外的管道考慮為固端。

工況5：荷載僅考慮管道自重，滑坡體外的管道考慮為固端，滑坡失穩(wěn)破壞，輸氣管道處于懸空狀態(tài)。

2.2.2 不同斷面的應(yīng)力分布規(guī)律

根據(jù)不同計算工況下的管道-填土三維有限元計算，得出不同斷面的管道應(yīng)力分布。輸氣管道的斷面位置如圖5所示。

圖5 王場輸氣管道典型斷面示意圖Fig.5 Typical section diagram of Wangchang Gas Transmission Pipeline

通過計算分析，在前述五種工況下工況5輸氣管道不同典型斷面的主應(yīng)力較大，0-0、1-1、2-2、3-3、2'-2'、3'-3'、4'-4'、5'-5'、6'-6'斷面最大主應(yīng)力均超過了L485 型輸氣管道的屈服強度。其中3-3斷面主應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 在工況5條件下王場輸氣管道3-3斷面主應(yīng)力分布Fig.6 Main stress distribution of section 3-3 of Wangchang Gas Transmission Pipeline under working condition V

2.2.3 在滑坡不同滑動條件下的應(yīng)力分布規(guī)律

圖7～圖10 給出了輸氣管道在滑坡不同滑動條件下管道特征部位沿管道軸線的小主應(yīng)力曲線。從圖中可知，滑坡體滑動對管道縱向敷設(shè)及靠近彎管橫向敷設(shè)的管道應(yīng)力有較大影響[18]，橫向敷設(shè)的管道在距離轉(zhuǎn)彎段25 m 以外受滑坡滑動影響較小。隨著滑坡體滑動位移的增大，輸氣管道的拉應(yīng)力量值也在相應(yīng)增加，當(dāng)3'-3'斷面填土及管道的位移達(dá)到30 cm時，管道左右側(cè)壁的拉應(yīng)力量值已達(dá)到450 MPa，接近管道屈服極限485 MPa。

圖7 不同計算工況下FW100-2滑坡體內(nèi)輸氣管道頂部特征點小主應(yīng)力曲線Fig.7 Small principal stress curve of top characteristic point of gas transmission pipeline in FW100-2 landslide under different calculation conditions

圖8 不同計算工況下FW100-2滑坡體內(nèi)輸氣管道底部特征點小主應(yīng)力曲線Fig.8 Small principal stress curve of bottom characteristic point of gas transmission pipeline in FW100-2 landslide under different calculation conditions

圖11 給出了滑坡不同滑動條件下管道的拉應(yīng)力極值曲線，從圖中可知，在滑坡滑動條件下，管道較危險的部位出現(xiàn)在管道轉(zhuǎn)彎部位，隨著破壞滑動的增大，對管道的影響增加，拉應(yīng)力也相應(yīng)增加。

圖12 給出了管道在滑坡失穩(wěn)后完全懸空條件下管道特征部位延管道軸線的拉應(yīng)力曲線，從圖中可知，在外露管道自重和滑坡體外管道的固端約束作用下，管道產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，縱向敷設(shè)的管道頂部拉應(yīng)力均超過了500 MPa，橫向敷設(shè)中部區(qū)域管道的底部拉應(yīng)力也超過了管道的屈服極限[19]。

圖9 不同計算工況下FW100-2滑坡體內(nèi)輸氣管道左側(cè)特征點小主應(yīng)力曲線Fig.9 Small principal stress curve of left characteristic point of gas transmission pipeline in FW100-2 landslide under different calculation conditions

圖10 不同計算工況下FW100-2滑坡體內(nèi)輸氣管道右側(cè)特征點小主應(yīng)力曲線Fig.10 Small principal stress curve of right characteristic point of gas transmission pipeline in FW100-2 landslide under different calculation conditions

圖11 不同計算工況FW100-2滑坡體內(nèi)輸氣管道拉應(yīng)力極值曲線Fig.11 Extreme value curve of tensile stress of gas transmission pipeline in FW100-2 landslide under different calculation conditions

圖12 在工況5（管道懸空）條件下FW100-2滑坡體內(nèi)輸氣管道特征部位小主應(yīng)力曲線Fig.12 Small principal stress curve of gas transmission pipeline in fw100-2 landslide under working condition V(pipeline suspended)

3 結(jié)論

通過對滑坡體內(nèi)的管道及回填土的三維有限元分析計算得出，滑坡滑動對輸氣管道轉(zhuǎn)彎部位較大范圍內(nèi)的應(yīng)力影響較大，拉應(yīng)力均有不同程度提高，且隨著滑坡滑動位移的增大，管道拉應(yīng)力量值增大。在充分考慮各種危險狀態(tài)下，可以將滑坡體某一位移量作為管道斷裂的閾值，當(dāng)滑動量大于閾值時，管道存在撕裂的風(fēng)險?；麦w的蠕變變形均會使管道拉應(yīng)力增加，尤其是管道轉(zhuǎn)彎部位，應(yīng)加強滑坡位移監(jiān)測和隱患排查；對于位移量較大的滑坡除加強監(jiān)控外還應(yīng)采取必要的工程措施來治理滑坡。

對于王場輸氣管道工程西南部滑體東側(cè)3'-3'剖面管道及回填土部位的變形量約30 cm，管道轉(zhuǎn)彎局部部位的拉應(yīng)力達(dá)到450 MPa，再考慮到管土相互作用回填土的剪切破壞，或滑坡失穩(wěn)滑動后，輸氣管道會外露懸空，在管道自重和滑坡體外管道的約束作用下，管道兩端未出露部位和滑坡體中橫向敷設(shè)管道的中部較大范圍都會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，遠(yuǎn)大于L485 輸氣管道的抗拉強度。因此可將30 cm作為3'-3'剖面管道及回填土部位的管道斷裂的閾值，當(dāng)滑動量大于30 cm，管道存在撕裂的風(fēng)險。