李華章 何文剛 羅 偉 李生紅

(遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州 遵義 563006)

0 引言

隨著國內(nèi)石油和天然氣管線和管網(wǎng)的快速發(fā)展，有關(guān)管線安全監(jiān)測的方法和技術(shù)也在不斷提升。目前具有GIS、分布式光纖、光纖溫度傳感等監(jiān)測技術(shù)(王新等，2020)，有效地提升了天然氣管線的監(jiān)測效率。同時以上監(jiān)測技術(shù)主要是基于溫度、流量、聲音、應(yīng)力—應(yīng)變監(jiān)測、地表變形等(曲志剛，2007；李偉林，2009；吳有更，2020；陳雁，2020；王新等，2020；孫健等，2012)。管線安全監(jiān)測實(shí)踐證明，對管線的應(yīng)力—應(yīng)變監(jiān)測、地表變形監(jiān)測是較為經(jīng)濟(jì)、有效的監(jiān)測手段，得到了廣泛應(yīng)用。

中緬天然氣管道國內(nèi)段途經(jīng)沿線屬于“三高四活躍”的不良地質(zhì)作用發(fā)育地區(qū)，加上地形地貌多樣，地質(zhì)條件復(fù)雜，滑坡、崩塌、泥石流、巖溶塌陷和采空區(qū)塌陷等地質(zhì)災(zāi)害密布，這些災(zāi)害均對管道安全運(yùn)營構(gòu)成嚴(yán)重威脅。中緬天然氣管道貴州段穿越滴水巖煤礦區(qū)，煤礦采空區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，潛在的安全隱患較大，同時該區(qū)有關(guān)巖土體的變形對管道安全運(yùn)行的勘察和分析評價(jià)工作開展深度不夠。為此，通過實(shí)時掌握管道附近巖土體變形和管道受力情況，在充分分析滴水巖煤礦采空區(qū)變形特征和管道敷設(shè)的基礎(chǔ)上，開展滴水巖煤礦采空區(qū)和管道的監(jiān)測儀器布置設(shè)計(jì)，并對GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析評價(jià)，為管道安全監(jiān)測預(yù)警提供參考。

1 工程概況

滴水巖煤礦位于貴陽市花溪區(qū)南西直距15 km，燕樓鎮(zhèn)舊盤村滴水巖處，礦區(qū)面積約2.5 km2(見圖1)。該地區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，雨量適中，年均降雨量約為1 057 mm。礦區(qū)地形為中低山溶蝕及侵蝕地貌，相對高差110 m～150 m，地形較陡，坡度為15°～40°，局部成陡崖。礦區(qū)位于黨武背斜東翼近軸部，總體呈一寬緩的單斜構(gòu)造，地層總體走向NE～SW，傾角較緩(5°～15°)。滴水巖煤礦含煤巖系為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)，含煤性較穩(wěn)定，可采煤層3層，總厚2.8 m，含煤系數(shù)2%。

中緬天然氣管道穿越滴水巖煤礦礦區(qū)北部，大致沿東西方向敷設(shè)，管道直徑1 016 mm，壁厚21 mm，管道埋深約2 m，采空區(qū)影響管道長度約2 400 m。

2 管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)資料分析，常見的監(jiān)測管道應(yīng)力—應(yīng)變手段主要有三種：1)監(jiān)測管道周圍土壓力，能間接反映管道受力情況；2)利用應(yīng)力分析儀等直接監(jiān)測管道應(yīng)力大??；3)通過測量應(yīng)變儀的相對變化量，解算管道應(yīng)力大小(常立功，2014)。在工程實(shí)踐中，先利用應(yīng)力分析儀器測量管道初始應(yīng)力，再使用應(yīng)變傳感設(shè)備等儀器測量管道應(yīng)變變化情況，最后計(jì)算出應(yīng)力變化。因此，根據(jù)上述監(jiān)測手段，穿越滴水巖采空區(qū)段管道應(yīng)力—應(yīng)變監(jiān)測采用振弦式應(yīng)變儀(如圖2所示)進(jìn)行測量。

應(yīng)變測量原理：用一根鋼弦張拉在兩塊安裝塊之間，安裝塊弧焊在待測管道表面(見圖3)，管體發(fā)生變形導(dǎo)致兩個安裝塊相對運(yùn)動，從而引起鋼弦張力改變。振弦讀數(shù)儀與應(yīng)變儀連接后，讀數(shù)儀就可以提供必要的電壓脈沖去激勵并且直接顯示振動結(jié)果的微應(yīng)變周期或其他量(劉浩，2012)。在彈性范圍內(nèi)，按胡克定律可以將應(yīng)變通過計(jì)算得出相應(yīng)的應(yīng)力，同時依據(jù)相關(guān)規(guī)范的極限閥值來判斷管道的安全狀態(tài)。

根據(jù)中緬天然氣管道穿越滴水巖煤礦采空區(qū)變形特征，在影響管道長度內(nèi)共設(shè)置應(yīng)力—應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)6處，安裝18個弧焊型振弦式應(yīng)變計(jì)。具體操作流程(見圖4)：監(jiān)測點(diǎn)位置確定→管道開挖→防腐層剝除→應(yīng)變計(jì)安裝→防腐層補(bǔ)強(qiáng)→應(yīng)變計(jì)監(jiān)測孔保護(hù)。

根據(jù)煤礦開采情況，以一個月為周期對管道進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測，并及時進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，繪制出變形曲線圖。利用變形曲線，分析管體不同部位變形情況，以及隨時間的變化規(guī)律。變形明顯加快或累計(jì)增長達(dá)到一定數(shù)值時應(yīng)采取開挖釋放應(yīng)力等措施，以免管體受力過大造成損傷。

3 地表變形監(jiān)測

地表變形監(jiān)測是指測量變形體上的監(jiān)測點(diǎn)相對于其外部的某一(或多個)固定基準(zhǔn)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，得出監(jiān)測點(diǎn)的位移量、方位與變形速率等。根據(jù)文獻(xiàn)資料分析，目前GPS監(jiān)測是煤礦采空區(qū)地表大地變形監(jiān)測的主要措施(李潔友，2018)，將GPS監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)為二級，即GPS基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)和GPS變形監(jiān)測網(wǎng)。因此，根據(jù)滴水巖煤礦采空區(qū)的形態(tài)特征、變形特征、動力因素以及管道與采空區(qū)的位置關(guān)系等，結(jié)合相關(guān)資料和規(guī)范對滴水巖煤礦采空區(qū)變形監(jiān)測二級監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

3.1 GPS基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)

GPS基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)是地表變形監(jiān)測的基準(zhǔn)，以基準(zhǔn)點(diǎn)為固定點(diǎn)，對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行觀測，因此基準(zhǔn)點(diǎn)的選取要遵循正確、穩(wěn)定、可靠的原則。GPS基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)的選取依據(jù)以下四點(diǎn)原則(崔鵬艷等，2019)：1)地質(zhì)條件良好、穩(wěn)定性強(qiáng)；2)周圍區(qū)域無障礙物遮擋，便于接收GPS信號；3)盡量遠(yuǎn)離信號干擾源；4)交通便利等。

基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)選取之后，在點(diǎn)位上修建GPS觀測墩(見圖5)，修建的觀測墩使其穩(wěn)定一個月后才可以用于觀測使用。此外基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)附近應(yīng)布設(shè)保護(hù)點(diǎn)，起檢核和恢復(fù)作用。

3.2 GPS變形監(jiān)測網(wǎng)

監(jiān)測點(diǎn)是在煤礦采空區(qū)塌陷監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的觀測點(diǎn)，通過與基準(zhǔn)點(diǎn)連接形成變形監(jiān)測網(wǎng)，作為整體變形監(jiān)測期間的觀測網(wǎng)，因此GPS監(jiān)測點(diǎn)(如圖6所示)的選取需滿足以下兩點(diǎn)原則：

1)監(jiān)測點(diǎn)必須與變形體固連在一起，能反映所代表部位的變形，且監(jiān)測點(diǎn)的埋設(shè)要求穩(wěn)定、長期保存和便于作業(yè)等；

2)監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)根據(jù)煤礦采空區(qū)的形態(tài)特征、變形特征、動力因素以及管道與采空區(qū)的位置關(guān)系等具體要素來確定點(diǎn)位，且這些點(diǎn)位能真實(shí)地反映災(zāi)害地質(zhì)體變形敏感部位。

根據(jù)上述GPS監(jiān)測原則，結(jié)合滴水巖煤礦采空區(qū)特征，布設(shè)2處基準(zhǔn)點(diǎn)和14處監(jiān)測點(diǎn)對煤礦采空區(qū)進(jìn)行變形監(jiān)測(見圖7)。依據(jù)GB/T 18314—2009全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范，因監(jiān)測工作的重復(fù)性，按照簡捷可靠、先進(jìn)實(shí)用且經(jīng)濟(jì)等原則，對長輸油氣管道GPS監(jiān)測網(wǎng)采用C級標(biāo)準(zhǔn)，平面誤差為±3 mm～6 mm，監(jiān)測精度為三級。

本工作測量方法屬于快速靜態(tài)測量法。具體操作流程為：將兩臺GPS安放在基準(zhǔn)點(diǎn)上保持靜止，另外四臺GPS在監(jiān)測點(diǎn)上有序移動，并且與基準(zhǔn)點(diǎn)的GPS構(gòu)成閉合環(huán)進(jìn)行觀測，每次觀測1 h～2 h，將監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。通過每次觀測數(shù)據(jù)處理得到的三維坐標(biāo)的變化量來研究監(jiān)測點(diǎn)的變形規(guī)律。

根據(jù)煤礦開采情況，以一個月為周期對采空區(qū)進(jìn)行變形監(jiān)測，并及時進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，繪制出變形曲線圖，結(jié)合管道應(yīng)力—應(yīng)變曲線來判斷管道風(fēng)險(xiǎn)。

4 宏觀地質(zhì)調(diào)查

宏觀地質(zhì)調(diào)查法采用人工對常規(guī)的地質(zhì)災(zāi)害變形形跡進(jìn)行追蹤調(diào)查。該調(diào)查法是在變化明顯地段設(shè)固定點(diǎn)，如標(biāo)注擋土墻等裂縫位置，標(biāo)定進(jìn)行簡易測量的標(biāo)志(見圖8)，定期穿越調(diào)查路線，了解、掌握地質(zhì)災(zāi)害的變化情況。

本項(xiàng)工作將充分發(fā)揮管道巡線員每天巡線的優(yōu)勢，對一些簡易觀察的地裂縫進(jìn)行測量，從而縮短信息收集周期。

5 GPS監(jiān)測結(jié)果分析

為監(jiān)測采空區(qū)管道變形發(fā)展規(guī)律，下面以GPS觀測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析(見表1)。根據(jù)18次GPS觀測結(jié)果，在平面位移X，Y和垂直位移H關(guān)系曲線如圖9所示。

表1 滴水巖煤礦采空區(qū)管道段累積位移變化量分析表

從18次GPS觀測統(tǒng)計(jì)位移量來看，點(diǎn)SX2-1(ΔX=15 mm，ΔY=26 mm)和SX2-2(ΔX=29 mm，ΔY=23 mm)平面位移稍大，SX2-1(ΔH=-21 mm)和SX2-3(ΔH=-42 mm)垂直位移稍大，其余所有點(diǎn)的累積位移均比較小。通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算，在平面位移X和Y方向的累積位移量趨于零位移量，而在H方向上具有較大的變化量，這也說明滴水巖煤礦采空區(qū)變形在豎直方向上持續(xù)變化。

6 結(jié)語

依據(jù)滴水巖煤礦采空區(qū)地質(zhì)環(huán)境分析以及中緬天然氣管道敷設(shè)特點(diǎn)，本文提出了一套較完善的長距離輸氣管道采空區(qū)變形綜合監(jiān)測設(shè)計(jì)方案。將管道應(yīng)力—應(yīng)變監(jiān)測和GPS監(jiān)測技術(shù)有機(jī)融合，結(jié)合宏觀地質(zhì)調(diào)查手段，能較好地預(yù)測采空區(qū)的變形趨勢。通過對采空區(qū)GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在垂直(H)方向上具有較明顯的變形，符合管道下部采空區(qū)巖土體的變形規(guī)律，認(rèn)為本監(jiān)測設(shè)計(jì)項(xiàng)目及監(jiān)測部位較為合理。

本文只是重點(diǎn)對滴水巖煤礦采空區(qū)變形位移進(jìn)行了詳細(xì)分析，而管道應(yīng)力—應(yīng)變數(shù)據(jù)的可靠性需要后續(xù)進(jìn)一步深入探討?？傊?，結(jié)合地面變形監(jiān)測和管線應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，有效地提升了對滴水巖煤礦采空區(qū)整體變形狀態(tài)的認(rèn)識，甚至深化了采空區(qū)巖土體內(nèi)部變形情況的理解。該研究可為中緬天然氣管線的安全運(yùn)行提供重要借鑒和參考。