摘 要：本文通過力學(xué)分析和有限元分析處理理想的管道模型，研究了城市環(huán)境施工中地質(zhì)災(zāi)害對(duì)管道的侵害情況，重點(diǎn)關(guān)注滑坡和坍塌等地質(zhì)災(zāi)害。具體而言，本文討論了管道在地質(zhì)災(zāi)害中的受力情況，包括拉力和壓力情況下的計(jì)算方法，提出了分析模型如何根據(jù)管線材料等信息來預(yù)測裸露長度的極限，并對(duì)地質(zhì)災(zāi)害引起的管道破壞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測和評(píng)估。綜合而言，本文通過理論分析和有限元分析，研究了城市環(huán)境施工中地質(zhì)災(zāi)害對(duì)地下管道的影響，提出了科學(xué)的預(yù)測方式和防控措施，為城市基礎(chǔ)設(shè)施中地下管道的安全管理提供了重要支撐。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)災(zāi)害；管道；力學(xué)分析；有限元分析；預(yù)測；防控措施

中圖分類號(hào)：TU434；TQ013.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2025）03-0162-04

Research on the impact of geological disasters on theinfringement of underground pipelines in urbaninfrastructure

GUO Zhen 1，2

（1. Henan Academy of Geology，Zhengzhou 450016，China；

2. Henan Urban Geological Engineering Technology Research Center，Zhengzhou 450001，China）

Abstract：In this paper， the ideal pipeline model was processed through mechanical analysis and finite elementanalysis，and the damage of geological disasters to pipelines in urban environment construction was studied， focus?ing on geological disasters such as landslides and collapses. Specifically，this paper discussed the stress of pipelinesin geological disasters，including the calculation methods under tensile force and pressure conditions，proposed howthe analysis model could predict the limit of bare length based on pipeline materials and other information，and pre?dicted and evaluated the risk of pipeline damage caused by geological disasters. In summary， through theoreticalanalysis and finite element analysis， this paper studied the impact of geological disasters on underground pipelinesin urban environmental construction，and proposed scientific prediction methods and prevention and control mea?sures，which provided important support for the safety management of underground pipelines in urban infrastructure.

Key words：geological disaster；pipeline；mechanical analysis；finite element analysis；prediction；prevention andcontrol measures

城市環(huán)境施工過程中，地質(zhì)災(zāi)害如滑坡、坍塌等問題常常會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全隱患，其中之一便是地下管道的受損和侵害。地下管道在城市中扮演著至關(guān)重要的角色，用于供水、供氣、供電、污水排放等基礎(chǔ)功能，一旦受到地質(zhì)災(zāi)害的侵害，將會(huì)導(dǎo)致供應(yīng)中斷、環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失等一系列嚴(yán)重后果。

在城市環(huán)境施工中，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生通常與工程開挖、土壤變化、降雨等多種因素有關(guān)。為了有效預(yù)防和應(yīng)對(duì)這些潛在的災(zāi)害，有必要深入了解地下管道在地質(zhì)災(zāi)害中的受侵害情況，以制定科學(xué)的預(yù)測方式和防控措施。本研究旨在通過力學(xué)分析和有限元分析處理理想的管道模型，探討地下管道在地質(zhì)災(zāi)害特別是滑坡和坍塌等災(zāi)害中受侵害的情況，并通過模擬數(shù)據(jù)分析提出相應(yīng)的管道受災(zāi)情況預(yù)測方法和防控措施。通過本研究，希望為城市環(huán)境施工中地下管道的安全管理和防災(zāi)減災(zāi)工作提供有力支撐，減少潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，確保城市基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 理論分析

城市環(huán)境施工中，地質(zhì)災(zāi)害如滑坡和坍塌可能對(duì)地下管道產(chǎn)生重大影響，本文采用了力學(xué)分析和有限元分析方法，對(duì)地下管道模型進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，以探討其在地質(zhì)災(zāi)害中的行為。

1.1 力學(xué)模型

首先，考慮一個(gè)地下管道，其填埋深度約為1.05m，上方土層包括約30 cm雜填土與75 cm粉土。

基于此，考慮其受到滑坡等因素影響，導(dǎo)致沖溝侵蝕土壤，造成部分管線裸露。此時(shí)，管道懸空，其兩端沒有固定支撐，受到均勻向下的載荷作用。這個(gè)情況可以用一個(gè)懸空的管道梁模型來描述，如圖1所示：這個(gè)簡化模型中，管道的兩端無固定支撐，其變形會(huì)受到來自管道自重所引起的均勻載荷的影響，從而形成向下的豎直載荷，考慮到具體環(huán)境，其還可能有冰雪等因素堆積形成的載荷。與此同時(shí)，也包含有土壤在坍塌后的不同附加作用力，既包括有土滑動(dòng)過程中的剪切力，也包括有兩側(cè)滑動(dòng)段管道上方土重力傳導(dǎo)引起的豎直方向額外載荷。考慮到風(fēng)載，則這一裸露段管道的整體受力輕微偏離豎直載荷方向，且整體以y對(duì)稱軸為中心對(duì)稱。

基于此，則可以具體分析其中一側(cè)的受力情況，如圖2所示。

2 模型建立

2.1 有限元分析框架

立足于數(shù)學(xué)分析結(jié)果，進(jìn)一步引入有限元分析以具體細(xì)化考慮管道中的應(yīng)力分布情況。

其參數(shù)設(shè)置如表1所示。

其中，管道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性被簡化為連續(xù)塊的彼此間作用關(guān)系。具體而言，本文所使用的有限元模型將原有管道橫截面內(nèi)的管壁6等分，以60°切面的角度進(jìn)行拆分，并使用1 m長度管道為切分單位，以此構(gòu)成管道結(jié)構(gòu)。其中，1 m長度管道單體的模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

基于此，本文考慮了管道在坍塌環(huán)境下的受力，并采用了對(duì)稱條件和邊界條件來模擬這種情況。具體來說，假設(shè)土壤物性和管道的受力和變形關(guān)于c—c軸對(duì)稱，使得模型得以在管道的對(duì)稱面上加入了對(duì)稱條件，將向下方向的自由度放開，同時(shí)固定了其余的5個(gè)自由度。從埋入端到固定端，模型近似線性計(jì)算了管道向下的位移，并考慮了管道本身的重量、管道內(nèi)壓力、氣體重力以及管道上方土的作用。

2.2 應(yīng)力場分析

基于管道基本參數(shù)分析，其應(yīng)力的求解結(jié)果，如圖4～圖5所示。

隨著裸露長度的增加，軸向?qū)ΨQ面上端正應(yīng)力、軸向?qū)ΨQ面下端正應(yīng)力、軸向固定面上端正應(yīng)力和軸向固定面下端正應(yīng)力都呈現(xiàn)了明顯的增加趨勢。

這表明隨著管線裸露長度的增加，受到的各類應(yīng)力也增加，這可能導(dǎo)致管線的應(yīng)力集中，增加了管線受損的風(fēng)險(xiǎn)。最大Mises應(yīng)力是用于評(píng)估材料的破壞情況的關(guān)鍵參數(shù)。

隨著裸露長度的增加，最大Mises應(yīng)力也呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢。這表明裸露長度的增加會(huì)導(dǎo)致管線受到更大的應(yīng)力，可能增加了管線的破壞風(fēng)險(xiǎn)。

最大位移也隨著裸露長度的增加而增大。這表示管線在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)移動(dòng)的距離增加，增加的位移可能導(dǎo)致管線斷裂或損壞，對(duì)管道的穩(wěn)定性造成威脅。

2.3 斷點(diǎn)預(yù)測與預(yù)防

基于這一模型的預(yù)測能力，則相應(yīng)得以分析管線裸露、沖毀的極限長度，從而對(duì)管線斷裂等風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測。

首先，收集關(guān)于管線材料的重要信息，特別是屈服強(qiáng)度、楊氏模量、泊松比等力學(xué)特性。這些信息將對(duì)裸露長度的極限分析起到關(guān)鍵作用?；诖?，利用現(xiàn)場勘查結(jié)果可以了解管線所受的外部力和地質(zhì)災(zāi)害的性質(zhì)，這將有助于確定管線在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)所受的應(yīng)力情況。

由此，使用有限元分析或其他適當(dāng)?shù)臄?shù)值模擬方法，模擬管線在不同裸露長度下的應(yīng)力分布和變形情況。這需要將管線的幾何形狀、邊界條件以及材料特性納入模型中。在模擬中，觀察管線上各點(diǎn)的最大Mises應(yīng)力。當(dāng)最大Mises應(yīng)力超過管線材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，可以認(rèn)為管線已經(jīng)達(dá)到了極限狀態(tài)。以此，確定導(dǎo)致管線斷裂的裸露長度。與此同時(shí)，管線自身的材料問題也可能引發(fā)更高水平的斷裂風(fēng)險(xiǎn)，即整體材料強(qiáng)度的不均勻分布使得應(yīng)力高度集中于局部。因此，需要兼顧此類影響因素預(yù)留一定冗余，并進(jìn)行敏感性分析，以了解不同因素對(duì)極限長度的影響程度，例如地質(zhì)災(zāi)害的性質(zhì)、管線材料的性質(zhì)、管線的深度等。這有助于理解哪些因素對(duì)風(fēng)險(xiǎn)最具影響力。

最后，模型得以結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率和可能的后果，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。這可以幫助決策者確定是否需要采取措施來減少風(fēng)險(xiǎn)，例如改變管線的深度、加強(qiáng)管線的支撐或采取其他防護(hù)措施。

總體而言，這個(gè)過程需要結(jié)合工程建模、地質(zhì)學(xué)、力學(xué)和風(fēng)險(xiǎn)管理的知識(shí)和方法。重要的是，模型的準(zhǔn)確性取決于提供的數(shù)據(jù)和模擬的精確性，因此需要謹(jǐn)慎地收集數(shù)據(jù)和驗(yàn)證模型。同時(shí)，定期更新模型以反映新的數(shù)據(jù)和情況也是至關(guān)重要的。

3 結(jié)語

本研究通過力學(xué)分析和有限元分析，深入研究了城市環(huán)境施工中地質(zhì)災(zāi)害對(duì)管道的侵害情況，特別是滑坡和坍塌等災(zāi)害。通過模擬數(shù)據(jù)分析，提出了一套科學(xué)的管道受災(zāi)情況預(yù)測方式和相應(yīng)的防控措施，有望在城市施工和管道安全管理中發(fā)揮積極作用，減少潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。希望本研究的成果能為相關(guān)領(lǐng)域的決策和實(shí)踐提供有力支撐。

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（責(zé)任編輯：張玉平）