吳文林

(貴州燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司, 貴州 貴陽(yáng) 550004)

1 概述

我國(guó)城市燃?xì)馐聵I(yè)發(fā)展迅速,燃?xì)夤芫W(wǎng)建設(shè)日趨完善,2022年全國(guó)城市天然氣管道長(zhǎng)度超過(guò)98×104km,管道燃?xì)馄占奥蔬_(dá)到98.06%。燃?xì)夤艿涝诜圻^(guò)程中面臨著外部干擾風(fēng)險(xiǎn)和管道本體風(fēng)險(xiǎn),可能發(fā)生斷裂、變形、腐蝕、機(jī)械損傷等失效,嚴(yán)重影響管道安全運(yùn)行和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。因此,預(yù)測(cè)管道風(fēng)險(xiǎn),避免惡性事故發(fā)生,提升管道本質(zhì)安全,是燃?xì)庑袠I(yè)亟待解決的難題[1]。本文針對(duì)城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤艿赖刭|(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)進(jìn)行研究,就西南地區(qū)山區(qū)高壓燃?xì)夤艿赖刭|(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)必要性、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)類型及特點(diǎn)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)應(yīng)用等方面進(jìn)行分析探討。

2 實(shí)施管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警必要性

2.1 特殊的地質(zhì)條件

貴州省境內(nèi)山脈眾多,重巒疊嶂,綿延縱橫,山高谷深,是全國(guó)唯一沒(méi)有平原的內(nèi)陸省份。貴州省屬于亞熱帶高原季風(fēng)氣候,常年雨量充沛,具有降水集中、強(qiáng)度大、降水時(shí)間分布不均勻、局部小氣候明顯的特征,汛期暴雨、大暴雨等極端天氣多發(fā),滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、水毀等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生,地質(zhì)環(huán)境十分脆弱。地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)多面廣,具有隱蔽性、突發(fā)性、危害性強(qiáng)等特點(diǎn),是我國(guó)易發(fā)多發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的省份之一,地質(zhì)災(zāi)害防控壓力巨大[2-3]。

2023年上半年貴州省共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害24起,其中20起發(fā)生在入汛(4月15日)后。24起地質(zhì)災(zāi)害中,滑坡災(zāi)害11起,崩塌災(zāi)害10起,地面塌陷3起。從發(fā)生災(zāi)害的時(shí)間看,汛期是地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生時(shí)段;從發(fā)生災(zāi)害的類型看,滑坡地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量最多,造成的直接經(jīng)濟(jì)損失最大;從誘發(fā)因素看,23起是降雨影響,1起是工程建設(shè)影響。

2.2 管道完整性管理要求

山區(qū)管道完整性管理中需嚴(yán)控3個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn),具體為管道本體質(zhì)量隱患、地質(zhì)條件變化及異常載荷、人類活動(dòng)。在應(yīng)對(duì)地質(zhì)條件變化及異常載荷的方法和過(guò)程中,應(yīng)用管道完整性管理技術(shù)可以大大提高管道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防和治理系統(tǒng)的安全性?；谕暾怨芾硐到y(tǒng)的各類管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是應(yīng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、決策支持的基礎(chǔ),利用管道應(yīng)力監(jiān)測(cè)和地表裂縫監(jiān)測(cè)可為預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害損傷管道提供有效手段。

城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿劳暾怨芾硎窃陂L(zhǎng)輸油氣管道完整性管理的基礎(chǔ)上提出的,借鑒長(zhǎng)輸油氣管道的做法,城鎮(zhèn)燃?xì)飧邏汗艿涝跀?shù)據(jù)采集與管理、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)控制等環(huán)節(jié)實(shí)施完整性管理。地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)作為山區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管控的信息化方法,是構(gòu)建人防、物防、技防、信息防等體系重要技術(shù)之一。將地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警管理與管道完整性管理相融合,成為目前保證管道安全的重要發(fā)展方向。

3 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)類型與特點(diǎn)

管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)按照空間分布可分為天基監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)、空基監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)、陸基監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)。按照監(jiān)測(cè)設(shè)施復(fù)雜程度,可分為直接監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)、間接監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)、直接與間接聯(lián)合監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)。按照監(jiān)測(cè)對(duì)象分為管道本體監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)。

直接監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)主要針對(duì)管道本體風(fēng)險(xiǎn),監(jiān)測(cè)參數(shù)主要為管道應(yīng)力應(yīng)變。間接監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)主要針對(duì)管道外部干擾風(fēng)險(xiǎn),監(jiān)測(cè)參數(shù)主要為土壤壓力、土體變形(沉降)、地層水壓力等管道周圍地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境因素,依靠光學(xué)影像或衛(wèi)星雷達(dá)技術(shù)的天基監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)、無(wú)人飛行器低空遙感的空基監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)同樣屬于間接監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)。直接與間接聯(lián)合監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)綜合了前兩者技術(shù)特點(diǎn),結(jié)合大數(shù)據(jù)處理技術(shù),采用管道智能一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4],主要進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)、變形監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、位移監(jiān)測(cè)、陰極保護(hù)電位監(jiān)測(cè)、泄漏監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)測(cè)等。

3.1 管道本體監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

① 技術(shù)分析

為避免管道在滑坡地質(zhì)災(zāi)害地段發(fā)生應(yīng)力集中,誘發(fā)安全事故,開(kāi)展管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)。采用直接測(cè)量法,在管道外表面安裝應(yīng)變傳感器測(cè)量應(yīng)變,比較常用的應(yīng)變傳感器包括振弦式應(yīng)變計(jì)、電阻式應(yīng)變計(jì)[5-6]。對(duì)于管道災(zāi)害規(guī)模較大、災(zāi)害變形特征不明顯、對(duì)管道的影響難以確定的災(zāi)害點(diǎn),通過(guò)安裝在管道上的應(yīng)變傳感器,監(jiān)測(cè)特定部位管道應(yīng)變,為管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)、位移監(jiān)測(cè)等提供準(zhǔn)確的判定依據(jù),佐證地質(zhì)災(zāi)害對(duì)管道的影響程度。

② 預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)

一般管道間隔50～100 m布置1個(gè)監(jiān)測(cè)截面,每個(gè)監(jiān)測(cè)截面粘貼3組應(yīng)變片(每組由3個(gè)應(yīng)變片構(gòu)成),3組應(yīng)變片(共9個(gè)應(yīng)變片)分別布置在管道截面3:00位置、9:00位置、12:00位置。9個(gè)應(yīng)變片通過(guò)電纜將信號(hào)傳至1臺(tái)應(yīng)變監(jiān)測(cè)儀,應(yīng)變監(jiān)測(cè)儀通過(guò)計(jì)算得到管體附加應(yīng)力,通過(guò)無(wú)線通信將管體附加應(yīng)力上傳至監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)。平臺(tái)對(duì)比管體附加應(yīng)力與管材許用應(yīng)力的比例,進(jìn)行不同級(jí)別預(yù)警[7],具體如下。

a.提示級(jí),管體附加應(yīng)力達(dá)許用應(yīng)力的30%～50%,發(fā)布藍(lán)色信號(hào)。

b.關(guān)注級(jí),管體附加應(yīng)力達(dá)許用應(yīng)力的50%～70%,發(fā)布黃色信號(hào)。

c.警示級(jí),管體附加應(yīng)力達(dá)許用應(yīng)力的70%～90%,發(fā)布橙色預(yù)警。

d.警報(bào)級(jí),管體附加應(yīng)力超過(guò)許用應(yīng)力的90%,發(fā)布紅色預(yù)警。

3.2 地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的測(cè)量方法很多,包括災(zāi)害體(指斜坡變形體、崩滑體等)變形測(cè)量、物理與化學(xué)場(chǎng)測(cè)量、地下水測(cè)量、誘發(fā)因素測(cè)量等。無(wú)人飛行器遙感技術(shù)屬于該類監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù),主要用于高分辨率照相或視頻錄制技術(shù)及反演分析,高分辨率照片解譯后分辨率可以達(dá)到10 cm。

① 地表位移測(cè)量。測(cè)量對(duì)象為災(zāi)害體重點(diǎn)變形部位的位移,也是目前災(zāi)害體變形測(cè)量中的常用技術(shù)。在測(cè)量過(guò)程中,主要對(duì)災(zāi)害體及其邊緣位置發(fā)生較大位移的位置進(jìn)行分析,常用的測(cè)量工具包括千分尺、鋼卷尺等,可對(duì)某些裂縫進(jìn)行直接測(cè)量[8-9]。此外,還有專門(mén)的裂縫測(cè)量設(shè)備,如裂縫計(jì)、伸縮儀、數(shù)字化近景攝影設(shè)備以及激光位移測(cè)量設(shè)備等。

② 深部位移測(cè)量。主要用于測(cè)量災(zāi)害體內(nèi)部的位移,針對(duì)不穩(wěn)定斜坡可能存在的滑動(dòng)形面進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。比較常見(jiàn)的測(cè)量方法包括塑料管配合鋼棒的簡(jiǎn)易測(cè)量方法、應(yīng)變管測(cè)量方法、鉆孔測(cè)斜儀測(cè)量方法、多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)量方法[10]。

③ 沉降監(jiān)測(cè)。地面沉降或塌陷監(jiān)測(cè),主要采用靜力水準(zhǔn)儀和激光位移傳感器。靜力水準(zhǔn)儀主要埋置在靠近油氣管道一側(cè),監(jiān)測(cè)地質(zhì)體的沉降。當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)為硬化路面不利于靜力水準(zhǔn)儀埋置時(shí),可在地表安裝激光位移傳感器,監(jiān)測(cè)地表高程的變化,從而實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的管道安全監(jiān)測(cè)。

4 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

某高壓燃?xì)夤艿篱L(zhǎng)61 km,管道外直徑711 mm,設(shè)計(jì)壓力4.0 MPa,2014年投產(chǎn)運(yùn)行,為主要?dú)庠赐ǖ?。為了掌握管道沿線地質(zhì)災(zāi)害情況,按照企業(yè)制定的《高壓燃?xì)夤艿赖刭|(zhì)災(zāi)害識(shí)別響應(yīng)規(guī)程》開(kāi)展了地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估,對(duì)4種地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)采用DZ/T 0221—2006《崩塌、滑坡、泥石流監(jiān)測(cè)規(guī)范》附錄F推薦的綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng),進(jìn)行表面水平位移監(jiān)測(cè)、裂縫監(jiān)測(cè)。表面水平位移監(jiān)測(cè)采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)地表位移監(jiān)測(cè)一體機(jī),裂縫監(jiān)測(cè)采用拉繩式裂縫計(jì)。

可以通過(guò)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)、APP軟件對(duì)以上監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)查看。汛期可根據(jù)實(shí)際需要獲得監(jiān)測(cè)半月報(bào)表。地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)段變形劇烈時(shí),可根據(jù)實(shí)際需要獲得監(jiān)測(cè)周報(bào)表、日?qǐng)?bào)表。

4.1 災(zāi)體工程地質(zhì)特征及監(jiān)測(cè)設(shè)施布置

① 地質(zhì)災(zāi)害類型1:不穩(wěn)定斜坡

a.地質(zhì)特征

斜坡組成巖土體軟硬相間,受管道施工開(kāi)挖及長(zhǎng)期風(fēng)化影響,斜坡巖土體結(jié)構(gòu)松散,強(qiáng)降雨情況下易產(chǎn)生牽引式滑坡,管道縱向穿越不穩(wěn)定斜坡,滑坡可能導(dǎo)致管道變形破壞,嚴(yán)重威脅管道安全。

b.監(jiān)測(cè)設(shè)施布置

共布置2處GNSS地面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)、1處GNSS基準(zhǔn)站。GNSS地面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于管道南側(cè),沿滑坡主軸布置,GNSS地面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)1布置于最上一級(jí)水保擋墻墻腳,GNSS地面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)2布置于不穩(wěn)定斜坡坡肩平緩部位?；鶞?zhǔn)站布置于坡頂穩(wěn)定地段。

② 地質(zhì)災(zāi)害類型2:棄土場(chǎng)邊坡

a.地質(zhì)特征

該地為棄土場(chǎng)邊坡,坡腳采用抗滑樁板墻支護(hù),坡面已分級(jí)放坡處理,管道由抗滑樁板墻前橫向穿過(guò)棄土區(qū)域。由于棄土本身結(jié)構(gòu)松散,堆砌土方量大,堆砌高度高(超過(guò)30 m),局部放坡較陡,排水設(shè)施不完善,強(qiáng)降雨情況下可能出現(xiàn)滑移破壞,會(huì)橫向擠壓管道,或者填方體翻越樁頂占?jí)喝細(xì)夤艿?嚴(yán)重威脅管道安全。

b.監(jiān)測(cè)設(shè)施布置

該棄土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)應(yīng)由棄土場(chǎng)建設(shè)相關(guān)部門(mén)負(fù)責(zé),本次監(jiān)測(cè)僅在最可能發(fā)生較大變形的坡段布置1處GNSS地面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn),以了解邊坡變形幅度。布置GNSS基準(zhǔn)站1個(gè),布置于坡頂基巖出露的穩(wěn)定部位。

③ 地質(zhì)災(zāi)害類型3:滑坡

a.地質(zhì)特征

為覆蓋層滑坡,滑面為巖土分界面,管道橫向從滑坡體上通過(guò)。

b.監(jiān)測(cè)設(shè)施布置

共布置2個(gè)裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)(監(jiān)測(cè)裂縫1、裂縫2),1號(hào)拉繩式裂縫計(jì)布置在滑坡后緣,橫跨裂縫1、裂縫2;2號(hào)拉繩式裂縫計(jì)布置在滑坡北側(cè)邊界,橫跨裂縫2。

④ 地質(zhì)災(zāi)害類型4:地面塌陷

a.地質(zhì)特征

地面塌陷坑(位于管道西側(cè),外觀為橢圓形,南北方向長(zhǎng)2.5 m,東西方向長(zhǎng)2.0 m,深度1.5 m,已經(jīng)過(guò)回填處理)位于煤礦采空影響區(qū),可能出現(xiàn)區(qū)域沉降變形。管道(走向?yàn)槟媳毕?從煤礦采空影響區(qū)通過(guò),塌陷坑?xùn)|側(cè)邊緣與管道最近水平距離約2 m,嚴(yán)重威脅管道安全。

b.監(jiān)測(cè)設(shè)施布置

共布置2個(gè)GNSS地面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件及采空影響區(qū)情況,2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別布置在塌陷坑西南、西北側(cè),2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與塌陷坑邊緣間距均為10 m。布置1個(gè)GNSS基準(zhǔn)站,基準(zhǔn)站設(shè)置在管道東側(cè),位于管道采空影響區(qū)外的區(qū)域,距離管道較遠(yuǎn)。

4.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)報(bào)警實(shí)例

2022年,貴州省經(jīng)歷了近10輪強(qiáng)降雨和4次區(qū)域性暴雨過(guò)程,累計(jì)降雨量較常年偏多近30%,5月降雨量更是較常年偏多近50%,且降雨時(shí)空分布不均,地質(zhì)災(zāi)害防治形勢(shì)嚴(yán)峻。

2022年6月18日1:50,該高壓燃?xì)夤艿赖刭|(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息,地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)3滑坡處2號(hào)拉繩式裂縫計(jì)報(bào)警,2號(hào)拉繩式裂縫計(jì)監(jiān)測(cè)到當(dāng)日累計(jì)位移大于等于預(yù)警值(為30.0 mm),達(dá)到433.0 mm。接報(bào)警后,相關(guān)人員于當(dāng)日4:30到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)檢查,發(fā)現(xiàn)2號(hào)拉繩式裂縫計(jì)已被滑坡土體損壞,繼續(xù)排查發(fā)現(xiàn)位于該地的國(guó)家管網(wǎng)管道山體滑坡(見(jiàn)圖1),滑坡土方將2號(hào)拉繩式裂縫計(jì)損壞后觸發(fā)報(bào)警,立即將該情況報(bào)給國(guó)家管網(wǎng)屬地管理企業(yè)。后邀請(qǐng)地質(zhì)災(zāi)害專家現(xiàn)場(chǎng)辨識(shí)、評(píng)估,認(rèn)為該高壓燃?xì)夤艿捞幱诎踩珷顟B(tài),未受國(guó)家管網(wǎng)管道山體滑坡影響。

圖1 國(guó)家管網(wǎng)管道山體滑坡現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié)束語(yǔ)

采用地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)對(duì)山區(qū)管道進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè),與在管體上采用應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)相比,能夠更及時(shí)、更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)并預(yù)警管體附近地質(zhì)災(zāi)害,為管道地質(zhì)災(zāi)害治理提供寶貴的緩沖時(shí)間。在以管道自身安全為重點(diǎn)的災(zāi)害治理中,可綜合采用管道本體監(jiān)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù),實(shí)時(shí)定量掌握受災(zāi)管段應(yīng)力應(yīng)變情況,進(jìn)一步用于地質(zhì)災(zāi)害治理效果評(píng)價(jià)。