麻宏強(qiáng),賀斌賢,蔡偉華,丁瑞祥,羅新梅,高繼峰,劉德緒

(1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院, 南昌 330013；2.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,吉林 132012；3.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,蘭州 730050；4.中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司，河南 濮陽(yáng) 457001)

滑坡碎屑流是滑坡災(zāi)害的一種，具有極強(qiáng)的破壞力，當(dāng)滑坡碎屑流流經(jīng)城市生命線工程時(shí)，勢(shì)必會(huì)造成管線破裂損壞[1]。目前針對(duì)滑坡區(qū)埋地天然氣管道災(zāi)變風(fēng)險(xiǎn)研究，主要集中在穿越滑坡體管道力學(xué)分析[2-4]，滑坡風(fēng)險(xiǎn)下管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[5-6]、風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)及預(yù)防控制[7-8]等方面。目前，還未見針對(duì)滑坡碎屑流作用下，埋地天然氣管道災(zāi)變風(fēng)險(xiǎn)方面的相關(guān)研究。

滑坡區(qū)埋地天然氣管道災(zāi)變風(fēng)險(xiǎn)研究，以穿越滑坡體管道的位移變形、應(yīng)力應(yīng)變分布、及各類因素對(duì)管道變形和應(yīng)力應(yīng)變的影響規(guī)律研究為主[9-10]。穿越滑坡體管道受力與滑坡碎屑作用下埋地管道受力存在較大差異，對(duì)穿越滑坡體管道而言，所經(jīng)歷的滑坡多數(shù)為蠕滑類型，即滑坡體使管道沿滑坡方向，進(jìn)行微小移動(dòng)；管道縱向穿越滑坡體時(shí)，滑坡體拖拽管道向下移動(dòng)，坡頂管道受拉伸作用，容易形成拉應(yīng)力集中區(qū)，坡腳管道受壓縮作用，多形成壓應(yīng)力集中區(qū)，坡頂、坡腳易發(fā)生管道屈曲破壞[9]；當(dāng)管道橫向穿越滑坡體時(shí)，在滑體拖拽下，滑體中心管道容易出現(xiàn)受力集中，滑坡強(qiáng)烈時(shí)，中心區(qū)域管道會(huì)出現(xiàn)彎曲變形，滑體兩側(cè)管道會(huì)發(fā)生剪切破壞[9]；而碎屑流在流經(jīng)埋地管道表面時(shí)，埋地管道受力主要是碎屑流本身的壓力以及碎屑流摩擦導(dǎo)致作用區(qū)土壤對(duì)管道的推擠或拖拽作用力，與穿越滑坡體管道受力有較大區(qū)別。對(duì)穿越滑坡體管道災(zāi)變影響研究，目前采用解析法和數(shù)值法進(jìn)行，如文獻(xiàn)[11-16]先后采用簡(jiǎn)單解析方法，利用彈性地基梁理論簡(jiǎn)化管土作用，分析了橫、縱向管道穿越滑坡作用的力學(xué)響應(yīng)，得到縱向滑坡危險(xiǎn)性小于橫向滑坡；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提升，由解析法轉(zhuǎn)變到數(shù)值法上，相比解析法，數(shù)值法可以考慮管土材料彈塑性材料特性、管土相互作用，進(jìn)而得到管道受土壤性質(zhì)、管道材料的影響規(guī)律，滑坡對(duì)埋地管道的影響作用計(jì)算結(jié)果也更符合實(shí)際。目前滑坡區(qū)埋地管道災(zāi)變風(fēng)險(xiǎn)研究，基本以數(shù)值法為主，利用有限元軟件進(jìn)行研究[17-20]。如郝建斌等[21]在考慮管土相互作用過(guò)程分析基礎(chǔ)上，利用極限平衡法推導(dǎo)了橫穿敷設(shè)情況下滑坡對(duì)管道推力的計(jì)算方法，并利用數(shù)值模擬驗(yàn)證了該計(jì)算方法的合理性。

對(duì)滑坡區(qū)天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法研究，主要為管道環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和管道力學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)兩部分[3,22-27]。許多地質(zhì)災(zāi)害條件下天然氣集輸管道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)，基本都是基于外部災(zāi)害因素的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法[8,28-30]。目前的管道環(huán)境評(píng)價(jià)技術(shù)有定量評(píng)價(jià)技術(shù)、半定量和定性評(píng)價(jià)技術(shù)[31-32]。如基于管道失效故障樹的評(píng)價(jià)方法，剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法、模糊評(píng)價(jià)等[31,33-34]。管道力學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，主要在管道的位移變形能力、應(yīng)力應(yīng)變能力評(píng)價(jià)方面。最初管道力學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究，主要關(guān)注管道的位移變形，以及極限工況下管道材料是否發(fā)生應(yīng)力失效；隨后較多的研究表明，地震、滑坡等地表大變形特殊情況下，管道雖然承受較大的位移及應(yīng)變，已經(jīng)達(dá)到或者超過(guò)應(yīng)力判別準(zhǔn)則的要求，但管道依舊可以滿足輸送要求，此時(shí)，基于應(yīng)變的管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法更為合適[35]。

滑坡區(qū)天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)是通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)管道位移變形、管道周環(huán)向應(yīng)力、應(yīng)變變化，與不同失效形式下的管道位移變形、應(yīng)力、應(yīng)變限值進(jìn)行比較，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管道風(fēng)險(xiǎn)的直接監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，準(zhǔn)確度較高[5-6,20,25,36]。如文獻(xiàn)[37]提出了一種基于周向應(yīng)變測(cè)量的間接管道腐蝕監(jiān)測(cè)方法，并在PVC管道上進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，模型試驗(yàn)結(jié)果表明，光纖光柵環(huán)應(yīng)變傳感器在環(huán)向應(yīng)變測(cè)量中具有良好的性能，可作為管道健康監(jiān)測(cè)的實(shí)用裝置[37]。然而，當(dāng)前埋地天然氣管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)存在監(jiān)測(cè)布置方法上的不足，例如基于應(yīng)變的埋地管道監(jiān)測(cè)，主要通過(guò)多個(gè)截面的應(yīng)變監(jiān)測(cè)采集實(shí)現(xiàn)，就整條管線而言，監(jiān)測(cè)位移或者應(yīng)變?yōu)殡x散的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并不能反映整條管道的變形或者應(yīng)變狀況，缺乏管道變形、應(yīng)變分布函數(shù)模型，用于監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果模式識(shí)別和監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果修正。

本文將基于熱-彈塑性理論，采用管-土耦合方法，建立滑坡碎屑流縱向作用下埋地天然氣管道變形分析模型。分析埋地天然氣管道的變形分布規(guī)律，并基于有限元模擬數(shù)據(jù)及管道變形分布特征，構(gòu)建埋地管道變形分布預(yù)測(cè)模型，確定滑坡碎屑流縱向作用下埋地天然氣管道應(yīng)變分布，為滑坡碎屑流事前應(yīng)變預(yù)警和事后管道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估奠定基礎(chǔ)。

1 有限元模型分析

1.1 物理模型簡(jiǎn)化

小型滑坡碎屑流在土體表面滑動(dòng)過(guò)程中，其堆積形態(tài)類似于半橢球體[38]，圖1為小型滑坡碎屑流在土壤表層作用示意圖，因此本文將土體表面滑坡碎屑流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的堆積形態(tài)近似為半橢球體。同時(shí)，依據(jù)滑坡碎屑流顆粒流理論，滑坡碎屑流流動(dòng)是其底部剪力和自身重力共同作用的結(jié)果，因此滑坡碎屑流對(duì)埋地天然氣管道頂層土體表面的作用，可簡(jiǎn)化等效為其對(duì)土體表面的摩擦力和壓力的作用。考慮碎屑流對(duì)土壤表層作用力，與土壤表層作用對(duì)碎屑流作用力為相互作用力，碎屑流對(duì)土壤表層等效壓力可以利用橢球體積計(jì)算公式和重力計(jì)算公式求得；而等效摩擦力采用摩擦力計(jì)算公式計(jì)算；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮山體坡度，那么滑坡碎屑流對(duì)埋地天然氣管道頂層土體表面的作用力可依據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中:a、b、c分別為埋地管道頂層土體表面滑坡碎屑流橢球體的長(zhǎng)度、寬度、高度；g為重力加速度，一般取9.8 m/s2；ρ為滑坡碎屑流密度；θ為坡體與水平夾角；η為滑坡碎屑流與土體表面間的摩擦系數(shù)，依照巖土勘查工程手冊(cè)設(shè)定為0.3[39]。

考慮到非滑坡碎屑流影響區(qū)管道應(yīng)變、變形非常小，管道主要變形、應(yīng)變?cè)谒樾剂饔绊憛^(qū)；在保證不同滑坡碎屑流尺寸、埋土深度狀況下模型計(jì)算結(jié)果不受其邊界尺寸影響下，同時(shí)保證一定的計(jì)算效率，本文在沿管長(zhǎng)方向選取65 m，管道兩側(cè)選取寬度為30 m的管土區(qū)域，埋地管道底層土體厚度確定為6.2 m。圖2為滑坡碎屑流縱向作用下埋地天然 氣管道變形分析簡(jiǎn)化模型，其中，a、b、c、d分別為管道外壁面的軸向路徑，即管道外壁面管頂軸向路徑、管左軸向路徑、管右軸向路徑、管底軸向路徑。

圖1 滑坡碎屑在土壤表層作用示意圖

圖2 滑坡碎屑流縱向作用下埋地天然氣管道變形分析簡(jiǎn)化模型

1.2 材料屬性

滑坡碎屑流縱向作用下埋地管道分析模型，主要由管道和土體兩部分組成。結(jié)合某油田工程實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)，以管道材料為L(zhǎng)360鋼材，土體為黏土，考慮管土之間的非線性接觸作用，進(jìn)行管-土耦合模擬分析；管道采用雙線性彈塑性本構(gòu)模型，該本構(gòu)模型需要確定管道彈性模量E、泊松比μ、切線模量Et和屈服強(qiáng)度σ0；土壤采用Drucker-Prager彈塑性模型，D-P本構(gòu)模型共有4個(gè)材料參數(shù):K，G，α，k，可以由黏聚力、摩擦角、彈性模量、泊松比轉(zhuǎn)化確定；其中，土壤黏聚力C為39 kPa，摩擦角φ為24°，其他具體管土材料參數(shù)見表1。

表1 管土材料屬性

1.3 管土相互作用

目前管土相互作用模型有彈性地基梁模型、土彈簧模型、管土非線性接觸模型。管土非線性接觸模型：一般指有限元中，考慮管道、土壤材料，將管道和土壤交界面定義為接觸面，管土之間施加接觸約束，可以通過(guò)接觸面?zhèn)鬟f接觸壓力，同時(shí)管土模型之間的接觸狀況，隨著外部載荷的作用傳遞而發(fā)生變化，即接觸或者分離。

考慮到管道和土壤屬于不同的材料，其材料性質(zhì)大相徑庭，管土交界面處的狀態(tài)是非線性的，并且埋地管道與土的接觸面上不僅存在正應(yīng)力，也存在剪應(yīng)力；同時(shí)，當(dāng)外力作用時(shí)，管土之間必然存在一定程度的滑動(dòng)。與前兩種模型相比采用管土非線性接觸模型表征的管土之間關(guān)系，更加切合實(shí)際。

1.4 邊界條件

滑坡碎屑流縱向作用下埋地天然氣管道的變形，是管內(nèi)運(yùn)行壓力、溫度以及土體共同作用的結(jié)果。要準(zhǔn)確分析滑坡碎屑流縱向作用下埋地天然氣管道的變形，需施加合理的邊界條件。依據(jù)實(shí)際條件，在埋地天然氣管道兩端的截面，即y=0和y=65 m兩截面，施加管長(zhǎng)方向固定約束邊界，模擬遠(yuǎn)離滑坡碎屑流區(qū)域管土的穩(wěn)定狀態(tài)；在埋地天然氣管道兩側(cè)，即x=±15 m兩截面，采用x方向固定約束邊界，模擬遠(yuǎn)離滑坡碎屑流區(qū)域土體穩(wěn)定狀態(tài)；在土體底層，即z=-7 m截面，采用全自由度固定約束，模擬底層穩(wěn)定土體。同時(shí)，管道運(yùn)行條件下，內(nèi)部天然氣對(duì)管道起到一定的支撐和保護(hù)作用，為模擬天然氣運(yùn)行參數(shù)對(duì)埋地天然氣管道的影響，在管道內(nèi)壁施加正常運(yùn)行工況時(shí)的溫度和壓力邊界[40]。

1.5 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

要分析埋地天然氣管道變形規(guī)律，須對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文ANAYS軟件，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，見表2。選取4套節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為130 000、270 000、460 000、660 000的網(wǎng)格，對(duì)同一工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)超過(guò)270 000時(shí)計(jì)算結(jié)果受網(wǎng)格數(shù)的影響較小。綜合考慮網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)計(jì)算效率的影響，最終選取節(jié)點(diǎn)數(shù)為270 000的網(wǎng)格進(jìn)行模擬分析。

表2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

同時(shí)，在管道埋深H=0.8 m，坡度角θ=π/9，天然氣溫度T=328 K，壓力P=8.9 MPa條件下，采用普光氣田現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證。由于監(jiān)測(cè)過(guò)程中，并未出現(xiàn)滑坡碎屑流情況，故而認(rèn)為滑坡碎屑流作用力Fz、Fy均為零時(shí)工況，就是滑坡碎屑流發(fā)生時(shí)的特殊工況(管道內(nèi)天然氣溫度、壓力波動(dòng)的日常運(yùn)行工況)，因而對(duì)等效作用力Fz、Fy均為零時(shí)的特殊工況進(jìn)行了驗(yàn)證；在模型驗(yàn)證過(guò)程中，選取外部載荷均為零時(shí)工況，模擬分析實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中壓力和溫度波動(dòng)對(duì)管道應(yīng)變的影響；實(shí)際選擇管土模型y=25 m截面處管道軸向應(yīng)變值與同一位置應(yīng)變監(jiān)測(cè)值(選取當(dāng)日管道運(yùn)行壓力波動(dòng)在1 MPa內(nèi)，管道運(yùn)行溫度變化差在10 K時(shí)的應(yīng)變)進(jìn)行比較分析。表3為埋地天然氣管道軸向應(yīng)變監(jiān)測(cè)值與模擬值對(duì)比結(jié)果。結(jié)果表明，a、b、c位置處的監(jiān)測(cè)應(yīng)變和數(shù)值模擬工況位置處應(yīng)變之間誤差在10%以內(nèi)，即數(shù)值模擬是基本可靠的。

表3 埋地天然氣管道軸向應(yīng)變監(jiān)測(cè)值與模擬值對(duì)比(y=25 m)

2 結(jié)果與討論

2.1 軸向應(yīng)變分布特征

在管徑D=0.323 9 m，壁厚t=0.014 2 m，埋深H=0.8 m，坡度角θ=π/9，天然氣溫度T=328 K，壓力P=8.9 MPa時(shí)，模擬分析了管土變形的分布規(guī)律。圖3為滑坡碎屑流長(zhǎng)度為5 m，寬度5 m，厚度為1 m時(shí)，埋地管土模型的管土變形分布；結(jié)果表明，土壤變形區(qū)域主要為碎屑流作用區(qū)及其附近區(qū)域，同時(shí)沿滑動(dòng)方向，滑坡碎屑流前部土壤變形區(qū)域明顯大于后部區(qū)域；對(duì)于埋地管道而言，管道主要為彎曲變形，管道變形最嚴(yán)重區(qū)域同樣也是滑坡碎屑流作用下的中心區(qū)域。比較管土兩者的變形，可以得到滑坡區(qū)域土壤的變形量明顯大于管道，變形量是不同步的；這是因?yàn)榛滤樾剂鳛?zāi)害發(fā)生時(shí)，土壤首先承載載荷，部分載荷以土壤變形的方式抵消，且管土之間為有限滑動(dòng)接觸，所以土壤與管道的位移變形將不是同步的。

圖3 碎屑流作用下管土變形分布

圖4為碎屑流長(zhǎng)度L=5 m，寬度W=5 m，厚度TH=1 m時(shí)，管道軸向應(yīng)變?cè)赼、b、c、d路徑上的分布規(guī)律。結(jié)果表明，管道沿長(zhǎng)度方向各個(gè)路徑上，既存在拉應(yīng)變(正)，又存在壓應(yīng)變(負(fù))，即管道同時(shí)受拉力和壓力作用；而沿管長(zhǎng)方向，碎屑流主要影響區(qū)前部管道受壓，后部管段受拉，即碎屑流對(duì)該區(qū)域前部管道起到擠壓、對(duì)后部拖拽的作用。在滑坡碎屑流作用區(qū)域，管道底部取得拉應(yīng)變極值，管道頂部取得壓應(yīng)變極值，其中拉應(yīng)變極值要大于壓應(yīng)變極值(a、d分別對(duì)應(yīng)管道頂部和管道底部)；因此，滑坡碎屑流作用條件下，碎屑流作用區(qū)管道可能最先發(fā)生拉裂破壞。

圖4 不同路徑管道軸向應(yīng)變分布

為進(jìn)一步研究不同滑坡碎屑流尺寸條件下，管道軸向應(yīng)變分布，將管道長(zhǎng)度方向每個(gè)截面的軸向最大拉應(yīng)變和壓應(yīng)變分布進(jìn)行了分析。圖5為碎屑流寬度W=5，厚度TH=1時(shí)，不同碎屑流長(zhǎng)度條件下的軸向最大拉壓應(yīng)變分布規(guī)律。結(jié)果表明，沿著軸向長(zhǎng)度方向(0～65 m)，碎屑流主要影響區(qū)前部的軸向應(yīng)變受滑坡碎屑長(zhǎng)度影響顯著，應(yīng)變分布范圍隨碎屑流長(zhǎng)度的增加而逐步擴(kuò)大，隨著滑坡碎屑長(zhǎng)度的增加，軸向壓應(yīng)變極大值，由碎屑流作用區(qū)轉(zhuǎn)移至碎屑流前部，而軸向拉應(yīng)變始終在滑坡作用區(qū)域內(nèi)取得極大值；就管道應(yīng)變分布而言，應(yīng)變分布具備以下特征：在碎屑流影響區(qū)域，管道軸向拉應(yīng)變分布存在3、4個(gè)波峰，而軸向壓應(yīng)變分布存在3、4個(gè)波谷，碎屑流影響區(qū)域范圍是作用區(qū)域長(zhǎng)度的3倍左右；在遠(yuǎn)離滑坡碎流的前后區(qū)域，管道軸向應(yīng)變分布為一平滑直線，且沿軸向長(zhǎng)度方向，前邊為壓應(yīng)變，后邊為拉應(yīng)變。在碎屑流影響區(qū)域，管道軸向拉壓應(yīng)變分布出現(xiàn)多個(gè)波峰、波谷，這是因?yàn)楣艿辣诿嬉殉霈F(xiàn)褶皺變形，當(dāng)管道上存在褶皺變形時(shí)，拉壓應(yīng)變將同時(shí)存在，且變化幅值較大，對(duì)應(yīng)管道軸向拉壓應(yīng)變分布將出現(xiàn)多處波峰和波谷。

圖6為碎屑流L=5，厚度TH=1時(shí)，不同碎屑流寬度條件下的軸向最大拉壓應(yīng)變分布規(guī)律。由圖6可知，當(dāng)碎屑流寬度增大時(shí)，碎屑流作用區(qū)及主要影響區(qū)的軸向應(yīng)變的波峰和波谷出現(xiàn)微幅增加；就軸向應(yīng)變的影響區(qū)范圍而言，相比滑坡長(zhǎng)度條件下應(yīng)變分布范圍，管道軸向拉壓應(yīng)變分布范圍隨滑坡碎屑流寬度的變化并不明顯，滑坡寬度對(duì)軸向應(yīng)變影響程度小于滑坡長(zhǎng)度；這因?yàn)榛聦挾仍黾雍蟮臄U(kuò)展區(qū)并未直接作用于管道，而是作用于管道兩側(cè)。

圖7為碎屑流L=5，寬度W=5時(shí)，不同碎屑厚度條件下管道軸向最大拉壓應(yīng)變分布規(guī)律。結(jié)果表明，滑坡碎屑流厚度對(duì)軸向應(yīng)變分布影響，主要在碎屑流作用區(qū)域及影響區(qū)；隨著碎屑流厚度的增加，軸向應(yīng)變分布形態(tài)迅速擴(kuò)大，拉應(yīng)變分布的波峰和壓應(yīng)變分布的波谷幅值顯著增加，軸向應(yīng)變均在滑坡作用區(qū)取得拉壓應(yīng)變最值；結(jié)合滑坡碎屑長(zhǎng)度、寬度條件下的軸向拉壓應(yīng)變分布，軸向拉壓應(yīng)變分布均具備以下特征，滑坡碎屑流作用區(qū)和主要影響區(qū)的軸向拉壓應(yīng)變基本為幾個(gè)波峰和波谷組成，而其他區(qū)域軸向拉壓應(yīng)變分布基本呈現(xiàn)為一條平滑直線，且沿軸向長(zhǎng)度方向，前邊為壓應(yīng)變，后邊為拉應(yīng)變。

圖5 不同碎屑流長(zhǎng)度下軸向應(yīng)變?chǔ)舠g和εxg分布

圖7 不同碎屑流厚度下軸向應(yīng)變?chǔ)舠g和εxg分布

綜上所述，不同滑坡碎屑流長(zhǎng)度、寬度、厚度條件下，管道軸向拉壓應(yīng)變分布的碎屑流影響區(qū)長(zhǎng)度基本為碎屑流作用區(qū)域長(zhǎng)度的3倍左右；隨著碎屑流長(zhǎng)度的增加，沿管道長(zhǎng)度方向，碎屑流主要影響區(qū)前部軸向應(yīng)變分布范圍顯著擴(kuò)張，而隨著碎屑流寬度和厚度的增加，軸向拉壓應(yīng)變僅在碎屑流作用區(qū)增長(zhǎng)明顯。除此以外，管道軸向應(yīng)變分布具備以下特征，在滑坡影響區(qū)域內(nèi)，管道軸向拉應(yīng)變分布由3～4個(gè)波峰組成，而軸向壓應(yīng)變分布由3～4個(gè)波谷組成，且拉壓應(yīng)變分布基本都在碎屑流作用區(qū)的中心波峰或波谷處，取得拉壓應(yīng)變最值；遠(yuǎn)離滑坡碎屑流影響區(qū)域，管道軸向拉壓應(yīng)變分布，沿滑動(dòng)方向，碎屑流影響區(qū)前邊為拉應(yīng)變，后段為壓應(yīng)變，分布基本呈現(xiàn)為一條平滑直線。

2.2 軸向應(yīng)變分布預(yù)測(cè)模型研究

綜合不同碎屑流長(zhǎng)度、寬度、厚度下管道軸向應(yīng)變分布特征，將管道軸向最大拉壓應(yīng)變分布分別劃分為3部分區(qū)域，滑坡碎屑流影響區(qū)及前后部的非碎屑流影響區(qū)域；碎屑流影響區(qū)域軸向拉壓應(yīng)變可以用正態(tài)分布函數(shù)關(guān)聯(lián)式來(lái)近似表示，而遠(yuǎn)離碎屑流區(qū)域軸向拉壓應(yīng)變分布可用常數(shù)函數(shù)來(lái)表示，假設(shè)函數(shù)具體形如式(2)所示。

采用Levenber (1944)和Marqurdt (1963)提出的麥夸特(Levenber-Marqurdt method)方法，利用模擬應(yīng)變分布數(shù)據(jù)(不同碎屑流長(zhǎng)2～11 m、寬5～14 m、厚0.5～3.0 m條件下軸向應(yīng)變分布，共計(jì)24組)，對(duì)埋地天然氣管道軸向應(yīng)變分布進(jìn)行非線性擬合計(jì)算，確定合適的k1、k2值，得到分布函數(shù)通用方程如式(3)、(4)所示。對(duì)應(yīng)變分布預(yù)測(cè)模型而言，僅需確定μ、σ、a1參數(shù)值即可得到管道軸向應(yīng)變分布，并且這3個(gè)參數(shù)與滑坡碎屑流規(guī)模存在一定關(guān)系。也就是說(shuō)，滑坡碎屑影響區(qū)域內(nèi)，存在3個(gè)位置的軸向拉壓應(yīng)變數(shù)據(jù)，即可得上述3個(gè)參數(shù)，從而可預(yù)測(cè)該區(qū)域管段軸向最大拉壓應(yīng)變分布。

(2)

(3)

(4)

式中：μ、σ、a1分別為管道應(yīng)變分布預(yù)測(cè)模型影響參數(shù)，其中μ為分布的位置參數(shù)，σ為描述分布數(shù)據(jù)分布的離散程度，a1為常數(shù)；x為管道軸向長(zhǎng)度位置，m；為保證預(yù)測(cè)分布模型分段函數(shù)劃分合理，n≥3。

為了驗(yàn)證上述模型可靠性，又在特定規(guī)?；滤樾剂飨?，將模擬數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)模型計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。圖8為滑坡碎屑流長(zhǎng)度L=5，寬度W=5、W=14，厚度TH=1時(shí)，管道拉應(yīng)變分布與預(yù)測(cè)模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比。結(jié)果表明，管道軸向拉應(yīng)變分布與預(yù)測(cè)分布模型相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)均值在0.95以上；碎屑流影響區(qū)域及遠(yuǎn)離碎屑流區(qū)域的軸向拉應(yīng)變分布特征可以被預(yù)測(cè)模型近似反映。圖9為滑坡碎屑流長(zhǎng)度L=5、L=11，寬度W=5，厚度TH=1時(shí)，管道軸向壓應(yīng)變分布與預(yù)測(cè)模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖。結(jié)果表明，管道軸向壓應(yīng)變分布與預(yù)測(cè)分布模型重合度較高，預(yù)測(cè)分布模型可以表現(xiàn)出管道軸向壓應(yīng)變分布的變化趨勢(shì)，且兩者的相關(guān)系數(shù)均值在0.92以上，完全滿足基本工程要求。

圖8 不同碎屑流寬度、厚度下管道軸向εsg分布

圖9 不同碎屑流厚度、長(zhǎng)度下管道軸向εxg分布

3 結(jié) 論

1)滑坡碎屑流作用下土壤變形區(qū)域主要為碎屑流作用區(qū)及其附近區(qū)域，滑坡碎屑流前部區(qū)域土壤變形明顯大于后部區(qū)域；管道變形最嚴(yán)重區(qū)域是滑坡碎屑流中心區(qū)域，而管土之間變形并不同步。

2)碎屑流作用時(shí)，沿長(zhǎng)度方向，管道在各個(gè)路徑上，同時(shí)受拉力和壓力作用；在碎屑流作用區(qū)域，管道底部和頂部路徑分別取得拉壓應(yīng)變極值，其中拉應(yīng)變極值要大于壓應(yīng)變極值。

3)在碎屑流影響區(qū)域，管道軸向最大拉壓應(yīng)變由3～4個(gè)波峰、波谷組成，碎屑流影響區(qū)域范圍是作用區(qū)域長(zhǎng)度的3倍左右；在遠(yuǎn)離滑坡碎流的前后區(qū)域，管道軸向應(yīng)變分布為一平滑直線，且沿軸向長(zhǎng)度方向，前邊為壓應(yīng)變，后邊為拉應(yīng)變。

4)相比碎屑流長(zhǎng)度，碎屑流寬度、厚度對(duì)管道應(yīng)變分布范圍影響有限，管道應(yīng)變分布范圍隨著碎屑流長(zhǎng)度增加顯著擴(kuò)張，集中在碎屑流主要影響區(qū)前部；不同碎屑流長(zhǎng)度、寬度、厚度下管道軸向最大拉壓應(yīng)變基本都在碎屑流作用區(qū)最大波峰或波谷處，取得拉壓應(yīng)變最值。

5)管道應(yīng)變分布預(yù)測(cè)模型僅與μ、σ、a13個(gè)參數(shù)相關(guān)，僅需3個(gè)位置的軸向拉壓應(yīng)變數(shù)據(jù)，即可確定該區(qū)域管段軸向最大拉壓應(yīng)變分布。