管道穿越滑坡下静力学与数值模拟对比分析_张会远.pdf

第 45 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.1 2017 年 2 月 COAL GEOLOGY 2. Zhengzhou Universiti of Aeronautics, Zhengzhou 450015, China; 3. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China Abstract The paper, taking an engineering project of a pipeline crossing a landslide as background, used the software of finite element analysis ANSYS to set up the mechanical numerical simulation model of a pipeline crossing a landslide, and software FLAC3D to conduct simulation study of load and deation of the pipeline, adopted analytical calculation of statics to analyze and study the deation and stress status of the pipe- line, obtained the characteristcs such as strain and stress of the pipeline, as well as landslide displacement during the critical failure of the pipeline. The results of the two s were identical, and showed that when the pipeline passed cross the landslide, the two ends of the pipeline were the most easy to failure. The deation of the middle of the pipeline in the landslide was the biggest, and the deation at two sides became smaller, the deflection deation curve exhibited normal distribution. The stress at the two sides of the pipeline was the biggest ,the middle of the pipeline was positively curved, the two sides of the pipeline were negatively curved, which was in accordance with the bending moment pattern of the uni load beared on the fixed simple support beam at the two ends. To conduct the numerical simulation analysis on the basis of analysis of statistics has thereoretically guiding signficance for the research on the geological hazard of pipeline. Keywords landslide; gas pipeline; statics; numerical simulation 我国大量输油气管道的工程建设实践表明，管 道地质灾害主要包括有滑坡包括不稳定斜坡、崩 塌落石、泥石流及水毁挡墙垮塌、山洪冲刷、水土 流失、沟渠冲刷等水毁问题，归结为 3 类坡面水 毁、河沟道水毁、台田地水毁等几种类型，其灾害 的规模不同，所带来的危害及风险也不同[1]。 随着我国经济建设的快速发展，能源需求日益 增加，带动了长输油气管道建设的快速发展。著名 的西气东输工程中，有很多管道工程需要穿越地质 条件复杂的中西部山区如 2004 年竣工的忠武输气 ChaoXing 86 煤田地质与勘探 第 45 卷 管线， 这些地区地质灾害频发， 如滑坡、 危岩崩塌、 泥石流等，而输气管道多为浅埋薄壁钢管，埋深多 在 0.8～2.5 m，自身抵抗能力较差。地质灾害导致管 线发生变形和失效，管道一旦破裂，后果严重，不 仅可能造成重大人员伤亡和经济损失，而且居民生 活燃气中断，社会影响巨大。 伴随着我国输油气管道的大力铺设，对滑坡作用 下输油气管道也有了一定的研究进展。在理论研究方 面帅健等[2]对滑坡作用下输油气管道的破坏特征与 防治对策进行了研究；林冬等[3]建立土质滑坡作用下 输油气管道力学模型，对管道应力状态进行了试验研 究；郝建斌等[4]在极限平衡理论的研究基础上，提出 了输油气管道横穿滑坡下管道推力计算的方法；邓道 明等[5]在建立滑坡作用下输油气管道非线性模型的基 础上，研究了管道应力及变形特性；王磊等[6]采用静 力学建立输油气管道横穿滑坡下的力学模型，对输油 气管道的受力状态进行了研究。 此外，随着数值模拟方法的高速发展，数值模拟 在国内外研究管土非线性接触问题中得到了大量的运 用。刘金涛[7]建立 FLAC3D三维数值模型，对天然滑坡 体及有管道横穿的滑坡体进行数值模拟计算，分析了 滑坡和管道的应力、变形特点；杨俊[8]，姚安林等[9]考 虑地基土体的影响， 采用数值模拟软件 ANSYS 建立悬 空状态下输油气管道的数值模型，对输油气管道的应 力大小及其分布进行了研究；由小川等[10]通过有限元 模拟软件 ABAQUS，提出了确保下埋输油气管道的安 全下埋深度和悬空跨度；杨春林[11]采用有限元软件 ABAQUS 建立滑坡作用下输油气管道的非线性有限元 模拟，得到了输油气管道在滑坡推力作用下的管道失 效极限破坏荷载；李长冬[12]，张东臣[13]等曾较简略地 探讨了横向滑坡过程中输油气管道的内力和变形计 算；唐正浩等[14]建立滑坡作用下输油气管道的纵向力 学模型，对管道的受力利用情况进行了数值模拟研究。 滑坡作为一种特殊的地质灾害对天然气管道的 影响， 滑坡变形过程中管道的内力和变形的分析计算 研究仍然很少， 国内外仅查到了有限的几篇文献。 在 国外，20 世纪 70 年代，前苏联科学家巴拉达夫金和 贝卡夫分别对地滑力垂直于管道轴心方向和地滑力作 用于管道轴心方向的两种作用状态进行了研究[13]；陈 春光根据埋地供水管道与地基土的相互关系， 设计了 简易的管-土动力学试验装置，测定了不同轴向震动 加速度下管-土抗力和管-土相对位移值；F MARK 等[15]建立在海底滑坡作用下嵌入式管道与土的相互 作用分析组合模型，进行了管道有限元大变形的分 析。国内，王联伟等[16]考虑管土作用的非线性特性， 在建立土弹簧数值模型的基础上， 对管道内压、 滑坡 长度、 滑坡位移、 滑坡方向与管道轴向的夹角等因素 下管道应力的反应进行了研究；郭喜亮等[17]，黄崇 伟[18]曾探讨了边坡中管-土的相互作用。 本文以滑坡滑动变形对管道的影响为研究主题， 首先，建立管道横穿滑坡时的地质力学模型，引入解 析几何的方法对管道变形受力状态进行静力分析，并 采用 ANSYS 有限元分析软件建立管道横穿滑坡的力 学数值模拟模型，采用 FLAC3D软件对管道变形受力 进行模拟对比研究，获得了管道临界破坏时管道的挠 度变形量及弯矩大小和滑坡地表变形量等，以便为管 道穿越滑坡时发生地质灾害的风险进行预测预警。 1 滑坡体中管道静力学分析 当管道走向垂直于滑坡体的滑动方向时，其受 力模型相当于一受当量轴力 S0作用下的梁模型。认 为管道的横向土壤抗力符合 Winkler 假定；纵向抗 力符合双线性假设；作用在管道上方的压力 q 为均 布荷载。而将滑坡体外的管道看作小变形的半无限 长的梁或杆，不考虑其弯曲、拉伸变形的耦合作用， 建立其简化的力学模型如图 1 所示。 图 1 管道横穿滑坡受力示意图 Fig.1 Force diagram of pipeline crossing landslide ChaoXing 第 1 期 张会远等 管道穿越滑坡下静力学与数值模拟对比分析 87 管道在穿越滑坡时，往往会在内部油气压力、 管道内外的环境温差及土壤下滑压力 q 的协同作用 下发生变形，而当量轴力 S0包含二种性质，既可能 为拉性、也可以为压性，因而管道的挠度变形和弯 矩的计算需借助于材料的弯曲微分方程。 如图 1 所示，对滑坡段 L，管道弯曲的微分方 程为 22 000 2 d 22d yqxqLx EIMSyv x -- 式中 2 00 π 4 SNpd-；Mo为管道在 x0 截面的弯 矩，Nm；y 为管道的挠度，m；E 为管道的弹性模 量，Pa；I 为管道的截面惯性矩，m4； V0为管道在 x0 处的挠度，m； N0为管道在 x0 截面的轴力， N；p 为管道受到的内压，Pa；L 为管道滑坡段宽 度，m；d 为管道的内径，m。 可以求得管道穿越滑坡体正中部即x0.5L处的 挠度 f 为 2 00 2 00 ch 1 1 2 8 ch 2 kL qLq fMv kL SSk - - 式中 0 S k EI 。 补充变形协调条件即滑坡体内和滑坡体外管道 截面处转角在 x0 处相等得 2 0 0 0 3 0 0 th 22 4 th 2 y y qLSqLqkL cDk M SkL k cD β β -- 式中 0 4 4 y cD EI β，D 为管道的外径，m。 管道在滑坡体中点 x0.5L 处弯矩 Mc为 2 0 222 2 d1 d 2 cL x yqq MEIM kL xkk ch - 在上述方程求解得到 f、S0关系式的基础上，补 充一个连续性条件滑坡体内、外管道纵向挠度变形 的连续性，继而能够求得另一个 f、S0之间关系式 如下，便可以联立求解。 （） 22 0hr 0r f π 2/2 4 1 f NTLEFLFEFNL L NN t αγμσγγγ γ ■■■ - Δ■ ■■ ■■ ■ ■■ ■ - ■ ■ ■ ≤ （） 2 0r0 222 2hf fr 2 0r f 2 π 0 4 1 f NLtNN Ltf TLEFtN EL NN t μσ α γ γ ■ ■ - ■ ■■ ■■■ ■ - Δ■■ ■■■ ■■ ■■■ ■■ ■■ ■ - ■ ＞ ■ ■ ∓ ∓∓ 式中 （） rh NETFαμσ -Δ ， 0 π x D c E F γ 。α 为管 道的线性膨胀系数，m/m℃；ΔT 为管道的操作温 度与敷设温度之差，℃；F 为管道的截面积，m2；u 为管道的轴纵向位移，m；tf 为滑坡体外土壤的极 限抗剪强度，N/m；σh为内压 p 引起的管道的环向 应力，Pa； cx0为滑坡体外土壤的纵向阻力综合系 数，N/cm3。 首先求解轴力 N0，继而可求出当量轴力 S0，从 而可以进一步求出弯矩 M0、Mc等管道的内力及管 道的挠度变形量。 2 工程实例 2.1 滑坡概况 罗针田滑坡位于恩施市屯堡镇罗针田村，滑坡 体表层覆盖粗粒土，以块石-碎石土类为主，块石岩 性为灰褐色灰岩，块石大小不一，排列错乱，区域 内地层结构复杂，下伏基岩以二叠系、石炭系、泥 盆系及志留系地层为主。发生崩滑变形的斜坡体主 滑动方位为 300，顺向坡，位于一古滑坡形成的堆 积体之上，滑坡体的后缘高程为 850 m，前缘高程 为 600 m，相对高差最大约 250 m。 现场调查发现， 目前， 古滑坡体整体处于基本稳 定状态，没有发生较大的整体变形，罗针田滑坡中， 管道从其前缘横穿而过，穿越长度约 100 m。滑坡体 后缘由于管沟开挖形成一切坡高度约 20～30 m 的边 坡， 边坡后缘及两侧出现局部的小变形， 边坡顶部的 罗屯公路出现拉裂缝，长约 30 m，宽约 2 cm，此段 边坡变形模式属于滑坡， 处于蠕滑阶段， 滑坡的形成 与公路下方约 40 m 处川气东送管沟开挖有密切的关 系， 下滑方式据初步观测有两种可能 一是管沟内侧 坡体坡度较陡， 滑体可能从管道内侧管沟切坡脚坡剪 出； 二是因管沟下方坡体坡度较陡， 滑体可能是从管 道外侧斜坡中剪出。 边坡北段后缘路面也发育一条裂 缝，裂缝斜穿公路，走向 160，裂缝长度约 8 m，宽 度1 mm。南北两端之间公路路面总体低凹，可能 是边坡变形引起的路基下沉的结果， 滑坡按体积及运 动方式分类，属于中型推移式滑坡。 ChaoXing 88 煤田地质与勘探 第 45 卷 2.2 管道静力学计算 罗针田滑坡中，管道从其前缘横穿而过，穿越 长度约 100 m。滑坡发生滑动变形时，会对管道造 成一定的影响，为评价此时管道的安全状态，获取 其变形受力情况，现利用文中上节理论推导的计算 公式对管道穿越滑坡体段进行挠度变形及弯矩的计 算分析。 各类材料参数如下 ①管材弹性模量 E 为 207 GPa，最低屈服极 限 σs为 540 MPa，密度 ρ 为 7.9103 kg/m3，线膨胀 系数 α 为 1.210-5 m/m℃ ，泊松比 μ 为 0.3。 ②管道尺寸管道外管径 D 为 1 016 mm，壁厚 t 为 21 mm，即规格为ϕ1 016 mm21 mm 的管道。 ③相关荷载管道输气压力 p 为 5.0 MPa；滑 坡体对管道的地滑力 q 为 1.64 kN/m。 ④土壤相关参数滑坡体外土壤的极限抗剪强 度 tf为 24.6 kN/m；纵向阻力综合系数 cx0为 5.88 N/cm3；土壤横向阻力综合系数 cy0为 2.45 N/cm3。 管道的挠度变形及弯矩计算结果如表 1，图 2。 表 1 管道的内力和位移计算结果 Table 1 The internal force and displacement calculation results of the pipeline S0/kN N0/kN M0/kNm -MC/kNm f/m v0/cm 1 244.45 1 245.77 883.92 598.001 0.477 2.74 图2 管道挠度和弯矩与沿程关系曲线图 Fig.2 Graph of relation of the deflection along the way of pipes 计算结果表明，在管道穿越罗针田滑坡前缘这 一情况下，管道端部轴力 N0为 1 245.77 kN，端部 弯矩 M0为 883.92 kNm，跨中弯矩 Mc为 598.001 kNm，跨中挠度 f 为 0.477 m。滑坡体正中管道部位 变形最大，向两侧变形逐渐减小，而弯矩管道两端 最大，呈现中部正弯两侧负弯态势。 2.3 数值模拟分析 罗针田滑坡中，管道从其前缘横穿而过，穿越 长度约 100 m。根据滑坡基本特征进行管道建模， 参数同 2.2 节，以滑坡出现大规模滑动使管道接近 临界破坏状态分析管道的受力变形及滑坡的位移程 度。其模型及计算结果如图 3图 5 所示。 根据图 5 管道受力模拟结果，滑坡滑动对管道施 加一定的力时，管道体应力在穿越段两侧及中间出现 峰值，且两端为极大值。当管道承受内力到达 311.97 MPa 时，由管道强度校核公式［ ］ eqs Kσσφσ＜可得 [σ]0.51.0540270.00 小于 eq σ311.97 MPa，此时管 道处于破坏状态。 图3 滑坡-管道模型 Fig.3 The model of pipeline crossing the landslide leading edge instance 图4 管道临界破坏受力图单位Pa Fig.4 Force and deation diagram of critical failure of pipeline 图5 管道临界破坏滑坡变形图 Fig.5 Diagram of landslide deation and critical failure of pipeline 滑坡发生滑动变形时，管道主要受到来自滑坡 垂直推动作用力，将会造成管道同步变形，下滑力 将会造成管道发生扭曲甚至破裂，严重威胁着管道 的安全，此时需要在管道穿越滑坡段实施必要的治 理工程。 ChaoXing 第 1 期 张会远等 管道穿越滑坡下静力学与数值模拟对比分析 89 2.4 对比分析 从罗针田滑坡管道受力分析结果图 2 可看出，管 道的挠度-沿程曲线表现为正态分布的形式， 且管道的 挠度处于滑坡体正中的部位最大，fmax0.477 m，向两 侧挠度逐渐减小，管道弯矩分布符合两端固定简支 梁承受均布荷载弯矩形态，两侧的弯矩大于管道中 部的弯矩，且位于滑坡体中部的表现为正弯，而两 侧呈现为负弯的形态。 根据图 4、图 5 数值模拟计算结果，在此种管道 受力状态下，管道表现为两端应力大，中间段小；而 挠度变形中间最大，向两侧逐渐减小，与静力学计算 结论完全一致。管道最大变形量出现在穿越段中部， 达到 41 cm， 这与静力学计算结果 fmax0.477 m 也甚为 一致，此时相对应滑坡的最大变形位移为 41.1 cm。 3 结 论 a. 管道横穿罗针田滑坡静力学计算和数值模 拟分析结果完全一致。 两种分析方法的计算结果均 表明，在管道横穿滑坡的情况下，管道的挠度两侧 小，中间大，由两侧向中间逐渐增大，管道在滑坡 体正中的部位挠度最大， 管道的挠度-沿程曲线表现 为正态分布的形式；而管道的弯矩两端最大，位于 滑坡体中部的表现为正弯，而两侧呈现为负弯的形 态， 管道的弯矩-沿程曲线表现为简支梁在两端固定 时，承受均布荷载情况下的弯矩态势。 b. 模拟结果显示，管道穿越段中间最先被破 坏，破坏时，管道中间最大变形量为 41 cm，滑坡 区最大变形理论值为 41.1 cm。可以看出，滑坡发生 较小变形时，就可导致管道破坏，且破坏部位一般 位于管道穿越滑坡段中部。 c. 经过理论受力计算及数值模拟分析，当滑坡 的下滑力较小且滑坡体变形量较小时，目前管道的 安全系数较大。但若滑坡在暴雨等诱发因素的促使 下，若发生滑动，变形量较大，则会引起管道的挠 度量快速增长，甚者导致管道直接发生屈服破坏。 d. 在管道建设工程中，首先应尽量绕避不稳定 斜坡及滑坡区；如若不可绕避，应对滑坡体加强监 测，尤其是地表位移量的监测，以便掌握此时管道 的受力及挠度的动态变化， 判断管道是否将会破坏； 当管道面临破坏危险时，及时在管道穿越滑坡段实 施相应的治理工程。 参考文献 [1] 吴锐， 梅永贵， 邓清禄， 等. 滑坡作用下输气管道受力分析[J]. 建筑科学与工程学报，2014，313105-111. 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