趙 偉，肖 芳

（1.四川嵐強石油天然氣工程勘察設計有限責任公司，四川成都 610000；2.中國石油工程建設有限公司西南分公司，四川成都 610000）

崩塌的發(fā)生與地質、地貌、氣候水文以及人類活動等許多環(huán)境因素密切相關，是各種因素綜合作用的結果。在輸氣管道途徑崩塌落石地區(qū)時，由于落石的大小不同，落到地面后對埋地輸氣管道的沖擊作用也不相同，在不同沖擊作用下，落石對埋地輸氣管道的影響也不相同，嚴重時將發(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，由于對稱性，為了節(jié)約計算機時長建立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，由于有重力勢能所以具有能量，假設土體為均質、各向同性的介質。落石下落至地面時，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)方法計算該動力接觸問題。由于該埋地輸氣管道有限元模型的對稱性，因此選擇LSDYNA 程序中提供的3D solid 六面體單元對落石、土體和埋地管道分別進行網(wǎng)格劃分，將落石與土體、土體與管道面之間的接觸方式設置為面面自動接觸方式。

1.2 模擬參數(shù)設置

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，計算工況27個，具體如表1所示。

表1 計算工況條件及編號

2 數(shù)值模擬結果及分析

重點分析10-5-2工況，得到如下的結果。

2.1 數(shù)值模擬結果

通過對上述五種工況進行落石沖擊埋地輸氣管道數(shù)值模擬后得到模擬結果，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間關系圖、位移時間關系圖，分別如圖2、圖3所示。

圖2 工況10-5-2落石的速度時間關系圖

圖3 工況10-5-2落石的位移時間關系圖

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，此時刻對應的落石位移達到最大值0.70048m。該時刻后落石有一小段是向上逐漸增大的速度，但是該速度很快達到峰值然后衰減為0，此時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力情況。為了使觀測更加直觀，將有限元模型關于X-Y 平面鏡像，得到1/2有限元模型。不同時刻土體豎向應力等值線圖如圖4所示。

圖4 不同時刻土體豎向應力等值線圖

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

2.2.3 管體應力分析

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，管體受到的有效應力增加。

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

圖5 管體應力時程曲線

圖5（a）為29ms 時管體有效應力沿管周分布曲線，在管道頂部產生最大有效應力，在管體兩側處有效應力最小，在管體底部出現(xiàn)另一個極值，但小于管頂應力。

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

3 結論

1）落石沖擊荷載作用時間很短，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系。

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

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

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