基于管道應變監(jiān)測的滑坡災害預警與防治

　　(本文作者：賀劍君1 馮偉1 劉暢2 1.中國石油天然氣股份有限公司西氣東輸管道分公司;2.北京科力華安地質災害監(jiān)測技術有限公司)

　　摘要：因其復雜性、多發(fā)性和較強的危害性，滑坡地質災害是長輸油氣管道難以回避的重大安全風險之一。作為管道完整性管理的核心技術，管道應變監(jiān)測和應變分析能夠直觀、定量地獲得地埋工況條件下管體本身的即時應力應變數(shù)據(jù)，在及時發(fā)布承災體(管道)變形預警的同時，還可以對致災體(滑坡災害)的治理過程進行指導和評價災害治理的實際效果，從而給運營商帶來明顯的減災效益。為此，以某天然氣管道的受災管段為例，進一步闡明了管道應變監(jiān)測的應用方法和在治理中的實際效果，論證了管道應變監(jiān)測及其分析技術的適用性和可靠性，為長輸油氣管道地質災害防御提供了一個新的、有效的技術思路。

　　關鍵詞：長輸油氣管道;完整性管理;管道應變監(jiān)測;滑坡災害監(jiān)測;滑坡災害預警;滑坡災害治理

　　在以滑坡等地質災害為致災體、以長輸油氣管道為承災體的耦合關系中，由滑坡導致的管線事故經常發(fā)生，特別是在我國油氣資源豐富的西部地區(qū)[1]。輕者可使管線架空懸垂，重者可使管線斷裂。管線泄漏或破裂不僅會立即導致火災和爆炸，而且還會對環(huán)境產生長期的影響[2]。為避免由此產生的社會和經濟損失，削減管道的地質災害風險，對滑坡災害威脅下的長輸油氣管道進行實時監(jiān)測具有重大現(xiàn)實意義。

　　管道應變監(jiān)測及分析技術是管道完整性管理的核心技術之一，它能直觀、定量地獲得地埋工況條件下管體本身的即時應力應變數(shù)據(jù)，不但能夠及時發(fā)布變形預警，還可以指導滑坡災害的治理過程，評價災害治理的實際效果，從而給運營商帶來明顯的減災效益。下面以某天然氣管道的受災管段為例進行分析。

　　1 某受災管段基本情況

　　某管道的受災管段D管段輸送介質為天然氣，管徑為Φ1016mm，壁厚為26.2mm(地埋管段)和14.6mm(跨越管段)，鋼級為X70，設計壓力為10MPa，運行壓力為8.3MPa。該管段自北以20。緩坡至溪谷，30m跨越后平鋪100m(跨越兩端有管支墩)，再沿15°緩坡向南直線鋪設;管段位于自西向東23°不穩(wěn)定坡體的中部。該坡體屬于山間河谷地貌，斜坡和山頂廣泛覆蓋Q3馬蘭黃土，質地疏松，河床內出露三疊系灰綠色薄片狀砂巖、灰黃色薄-中厚層狀砂巖，巖層產狀平緩。

　　管線自2003年投入運行，至2008年初D管段陸續(xù)出現(xiàn)以下異常[3]：跨越北側護坡、排水溝開裂;跨越管段向上起拱變形;跨越南側管支墩錨固螺栓彎曲，基座鋼板變形翹起，砌石防護墻嚴重變形、塌陷，因管道偏移在防護墻上產生的裂縫達14cm。經現(xiàn)場勘查，未發(fā)現(xiàn)地表裂縫及坡體失穩(wěn)跡象，但出露部分的管體位移卻非常明顯且不斷加劇。顯然，依靠傳統(tǒng)的地表位移監(jiān)測已無法解釋這一現(xiàn)象的成因，更難以判斷管體本身的受損情況。

　　2 應變監(jiān)測方案

　　多年的管道地質災害防治經驗表明，管體的變形、受損程度往往與地表的變形特征缺乏一一對應關系，尤其當管道處于地埋工況。在這種情況下要查明管體變形的原因和趨勢，并對可能發(fā)生的突發(fā)災害進行預警，管道應力應變監(jiān)測是最為便捷、有效的技術手段。

　　2.1 方案選取

　　針對D管段的實際情況，采取了管道應力應變監(jiān)測和地表位移監(jiān)測并用的“復合監(jiān)測法”。前者采用振弦式傳感設備，后者采用便攜式GPS技術設備。該監(jiān)測工法已經在西氣東輸管道沿線地質災害前期監(jiān)測網上廣泛應用，具有投資少、工期短、取數(shù)方便的特點，尤其適用于在役管線。

　　2.2 監(jiān)測布局

　　根據(jù)現(xiàn)場勘察資料和專家會診意見，利用ABAQUS軟件對管道應力場進行有限元模擬分析，大致確定管道在此管段的應力集中點;將這些坐標點及參照點定為實施管道應力應變監(jiān)測的監(jiān)測截面(圖1)。6個監(jiān)測截面依次為X1、X2、X3、X4、X5、X6，每個監(jiān)測截面布設1組振弦式應變傳感器(該傳感器還可同步監(jiān)測管表溫度)。通過這些應變傳感設備，不僅能夠掌握各個監(jiān)測截面的最大應力應變，還可以判斷應變發(fā)生的方向。

　　為掌握管段附近的坡體變形程度和發(fā)育速度，使用GPS測量儀器均勻等距布設18個坡體位移監(jiān)測點(圖1);同時與6個監(jiān)測截面一一對應，取得截面坐標以測算管體的初始變形。

　　2.3 數(shù)據(jù)輸出與處理

　　將上述數(shù)據(jù)代入相關規(guī)范中的應變校核準則，可對監(jiān)測管段的力學狀態(tài)作出定量評價，同時也可以利用管線的應力-應變特性關系來求解管線應力數(shù)據(jù)。

　　管線屈服之前，采用如下關系式：

　　σ=Eε (1)

　　在管線屈服以后，可以采用Ramberg-Osgood[4]。建議的關系式：

　　式中ε是工程應變;σ是軸向應力;E是彈性模量;n和r是Rarnberg-Qsgood參數(shù);SMYS是屈服應力。

　　表1列出了常用等級管線鋼的SMYS、n和r值。

　　3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與應用

　　在D管段的6個管道應力應變監(jiān)測截面中，X3截面的應變變化最大，是應力最為集中的監(jiān)測截面，以下即以X3截面為重點討論對象，來說明管道應變監(jiān)測技術的預報、預警和治理指導作用。

　　3.1 預報預警階段

　　現(xiàn)場布設工作結束后不久，春融期的到來使D管段地表出現(xiàn)了嚴重匯水。從監(jiān)測數(shù)據(jù)看，該管段管道沒有出現(xiàn)過大的應變變化，GPS地表位移監(jiān)測也沒有發(fā)現(xiàn)地表位移的異常情況。與現(xiàn)場布設期相比，2008年4月25日的X3截面的彎曲應變僅為379.0個微應變(圖2)，D管段管道應變變化處于可接受變化范圍(以下彎曲應變均以2008年1月26日監(jiān)測數(shù)據(jù)為比較初始值)。

　　2008年4月29日該管段地區(qū)出現(xiàn)一次強降雨，4月30日管道應變監(jiān)測數(shù)據(jù)即出現(xiàn)異常變化(圖2)：X3截面的彎曲應變躍升為856.7個微應變，即短短5t時間，X3截面的彎曲應變增加了477.7個微應變。很明顯，管道在短期內彎曲變形加大，已呈突變態(tài)勢。且便如此，GPS地表位移監(jiān)測仍未顯示出地表異常，地表位移變化仍在毫米級。

　　2008年5月2日，該管段地區(qū)再次出現(xiàn)強降雨。與上次的強降雨一樣，管道應變再次出現(xiàn)了較大變化，彎曲變形進一步加大：X3截面的彎曲應變再次躍升為1042.9個微應變，較4月30日又增加了186.2個微應變(圖2)。

　　至此，雖然坡體地表尚未出現(xiàn)失穩(wěn)跡象，但管體應變監(jiān)測數(shù)據(jù)的異常已確鑿無疑，監(jiān)測單位遂于5月4日發(fā)出了預警通報。

　　3.2 勘查會診階段

　　至2008年5月15日X3截面彎曲應變達到1139.2個微應變時，GPS地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)也偵測到了該管段地表位移的異常。為慎重起見，業(yè)主方一邊提高監(jiān)測頻率，一邊組織專家進行了現(xiàn)場勘查會診。

　　經現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，在該管段坡體上方出現(xiàn)寬度約20cm的新裂縫，坡體下部形成多條拉張裂縫，證明D管段穿越的坡體已發(fā)生了蠕滑。該滑坡形態(tài)呈“圈椅”形，上部和下部較陡，中部較緩(局部地段呈洼地);滑坡體長100m，最大寬度100m，主滑方向343°，平均坡度在15°～25°之間。管道在滑坡的中上部斜向貫穿滑坡，與滑坡主滑方向的夾角約為60°;管道距滑坡體前緣約60m，距滑坡后緣約40m。

　　2008年4月29日及2008年5月2日的兩次強降雨，使該管段附近滑坡體蠕滑加劇，在雨中和雨后尤其明顯。由于管道與滑坡體之間摩擦力相互作用，隨著該滑坡體的蠕滑加劇，坡體內的管道也發(fā)生相應的急劇應變變化。隨著兩次強降雨的逐漸遠去，滑坡體的蠕滑逐漸減緩并趨于穩(wěn)定，管道的應變變化也趨于穩(wěn)定：2008年6月9日X3截面的彎曲應變?yōu)?154.3個微應變，較之于2008年5月8日，僅增加了21.2個微應變。

　　D管段管道應力應變監(jiān)測發(fā)現(xiàn)應變變化異常的時間為2008年4月30日，而GPS地表位移監(jiān)測發(fā)現(xiàn)地表異常的時間為2008年5月15日，即應變監(jiān)測的災害預警較地表位移監(jiān)測要早15d。

　　滑坡運動的一般特征是內部蠕變先于地表。顯然在這種情況下管道應變監(jiān)測能夠更早偵測到滑坡災害發(fā)生的前兆，進而為管線的災害治理提供寶貴的緩沖時間。另外，6月中旬的應變監(jiān)測數(shù)據(jù)持續(xù)穩(wěn)定在1100個微應變左右也很不正常，這說明由于D管段兩端存在較為剛性的約束點(如管支墩)，致災體(滑坡)施加在承災體(管道)上的應變無法自行釋放，管道的承災力學性能已大大削弱。

　　3.3 災害治理階段

　　專家論證后認為，D管段屬于典型的“降雨失穩(wěn)”管道災害，其災害鏈可簡單描述為：強降雨坡體失穩(wěn)管道彎曲。依據(jù)長輸油氣管線相關規(guī)范[5～6]和有關管理條例，基于上述監(jiān)測數(shù)據(jù)，決定開挖管溝釋放部分管體新增應力，同時采取反壓坡腳并疏導匯水的水工保護治理措施。在實施治理的同時，提高應變及地表監(jiān)測頻率以及時指導現(xiàn)場施工。

　　首先，管體應力釋放要控制在合理范圍內。一定長度內的管體應變既然已發(fā)生，就很難再回復到初始狀態(tài);過度的釋放有可能會加劇該管段的力學損傷，甚至影響相鄰管段的穩(wěn)定和安全。換言之，管體的應力釋放是以減緩并消弱災害風險為目標的，而不是像改線那樣去根除風險。治理階段的應變動態(tài)監(jiān)測可以控制應力釋放的程度。其次，管體應力的釋放要從低應變區(qū)逐段向高應變區(qū)迫近，而不是直接開挖管道變形最為劇烈的管段，否則有可能導致管體在卸載后大幅度振蕩，加劇管體損傷。隨著管溝的逐段開挖，該管段應力分布也會發(fā)生即時變化，此時的應變監(jiān)測數(shù)據(jù)可指導開挖進度和開挖位置調整。最后，采用管道應變監(jiān)測還可以獲得管線各監(jiān)測截面實時應變極值的角度(如圖3)，即角位移分析。角位移分析圖能夠清晰地表明最大應力的方向、管道彎曲的方向，以及整個管段彎曲扭轉的狀態(tài)及趨勢，進而指導對管體進行細微的挪移。

　　3.4 災害治理效果及評價

　　管溝開挖作業(yè)于2008年6月10日開始，開挖后當日X3截面的彎曲應變?yōu)?25.7個微應變，較6月9日減少了228.6個微應變，D管段管道彎曲變形明顯恢復，初步表明采取開挖管溝釋放應力的治理措施是可行的，趨勢見圖4。6月11日X3截面的彎曲應變?yōu)?33.1個微應變，較6月9日減少了321.2個微應變，D管段管道彎曲變形進一步得到恢復。上述監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在不擴大管溝開挖長度的情況下，D管段在無荷載條件下的彎曲應變?yōu)?33.1個微應變;若考慮開挖前的最大彎曲應變(1154.3個微應變)，則此次可釋放的應變?yōu)?21.2個微應變。

　　管溝回填于2008年6月12日開始。隨著回填土體的逐漸壓實，至7月31日X3截面管道彎曲應變逐漸穩(wěn)定在900個微應變左右，即釋放了250個微應變，為可釋放應變范圍的78%。據(jù)此可以基本判斷：開挖管溝釋放應力的治理措施有效緩解了滑坡所造成的管體力學損傷，回填措施基本得當，D管段管道應力應變重新回到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

　　4 結論

　　1) 對管道滑坡災害，與傳統(tǒng)的地表位移監(jiān)測相比，管道應變監(jiān)測能夠更及時、更準確地偵測并預警管體附近滑坡災害前兆，為管道災害治理提供寶貴的緩沖時間。

　　2) 由于管道應變監(jiān)測及分析技術能夠實時定量掌握受災管段應力應變情況，因此在以管道自身安全為重點的滑坡災害治理中具有極強的指導作用，同時也能用于災害治理效果評價。

　　3) 在致災體復雜多變、管土作用模型仍處于研究階段的條件下，管道應變監(jiān)測及分析技術能夠長期有效地監(jiān)測運營方最為關注的管道本體安全，具有較強的實用性和可靠性，是針對地質災害有效的一種預報預警手段和治理輔助手段。

　　參考文獻

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　　(本文作者：賀劍君1 馮偉1 劉暢2 1.中國石油天然氣股份有限公司西氣東輸管道分公司;2.北京科力華安地質災害監(jiān)測技術有限公司)