摘要：因其復(fù)雜性、多發(fā)性和較強的危害性，滑坡地質(zhì)災(zāi)害是長輸油氣管道難以回避的重大安全風(fēng)險之一。作為管道完整性管理的核心技術(shù)，管道應(yīng)變監(jiān)測和應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，在及時發(fā)布承災(zāi)體(管道)變形預(yù)警的同時，還可以對致災(zāi)體(滑坡災(zāi)害)的治理過程進行指導(dǎo)和評價災(zāi)害治理的實際效果，從而給運營商帶來明顯的減災(zāi)效益。為此，以某天然氣管道的受災(zāi)管段為例，進一步闡明了管道應(yīng)變監(jiān)測的應(yīng)用方法和在治理中的實際效果，論證了管道應(yīng)變監(jiān)測及其分析技術(shù)的適用性和可靠性，為長輸油氣管道地質(zhì)災(zāi)害防御提供了一個新的、有效的技術(shù)思路。

　　關(guān)鍵詞：長輸油氣管道;完整性管理;管道應(yīng)變監(jiān)測;滑坡災(zāi)害監(jiān)測;滑坡災(zāi)害預(yù)警;滑坡災(zāi)害治理

　　在以滑坡等地質(zhì)災(zāi)害為致災(zāi)體、以長輸油氣管道為承災(zāi)體的耦合關(guān)系中，由滑坡導(dǎo)致的管線事故經(jīng)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(dǎo)致火災(zāi)和爆炸，而且還會對環(huán)境產(chǎn)生長期的影響[2]。為避免由此產(chǎn)生的社會和經(jīng)濟損失，削減管道的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險，對滑坡災(zāi)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(yīng)變監(jiān)測及分析技術(shù)是管道完整性管理的核心技術(shù)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(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，不但能夠及時發(fā)布變形預(yù)警，還可以指導(dǎo)滑坡災(zāi)害的治理過程，評價災(zāi)害治理的實際效果，從而給運營商帶來明顯的減災(zāi)效益。下面以某天然氣管道的受災(zāi)管段為例進行分析。

　　1 某受災(zāi)管段基本情況

　　某管道的受災(zāi)管段D管段輸送介質(zhì)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(shè)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(shè);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(zhì)地疏松，河床內(nèi)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(chǎn)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(cè)護坡、排水溝開裂;跨越管段向上起拱變形;跨越南側(cè)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(chǎn)生的裂縫達14cm。經(jīng)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(yīng)變監(jiān)測方案

　　多年的管道地質(zhì)災(zāi)害防治經(jīng)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(yīng)關(guān)系，尤其當(dāng)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(zāi)害進行預(yù)警，管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測是最為便捷、有效的技術(shù)手段。

　　2.1 方案選取

　　針對D管段的實際情況，采取了管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測和地表位移監(jiān)測并用的“復(fù)合監(jiān)測法”。前者采用振弦式傳感設(shè)備，后者采用便攜式GPS技術(shù)設(shè)備。該監(jiān)測工法已經(jīng)在西氣東輸管道沿線地質(zhì)災(zāi)害前期監(jiān)測網(wǎng)上廣泛應(yīng)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(yīng)力場進行有限元模擬分析，大致確定管道在此管段的應(yīng)力集中點;將這些坐標(biāo)點及參照點定為實施管道應(yīng)力應(yīng)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(shè)1組振弦式應(yīng)變傳感器(該傳感器還可同步監(jiān)測管表溫度)。通過這些應(yīng)變傳感設(shè)備，不僅能夠掌握各個監(jiān)測截面的最大應(yīng)力應(yīng)變，還可以判斷應(yīng)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(shè)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(yīng)，取得截面坐標(biāo)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(guān)規(guī)范中的應(yīng)變校核準(zhǔn)則，可對監(jiān)測管段的力學(xué)狀態(tài)作出定量評價，同時也可以利用管線的應(yīng)力-應(yīng)變特性關(guān)系來求解管線應(yīng)力數(shù)據(jù)。

　　管線屈服之前，采用如下關(guān)系式：

　　σ=Eε (1)

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

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

　　在D管段的6個管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測截面中，X3截面的應(yīng)變變化最大，是應(yīng)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(yīng)變監(jiān)測技術(shù)的預(yù)報、預(yù)警和治理指導(dǎo)作用。

　　3.1 預(yù)報預(yù)警階段

　　現(xiàn)場布設(shè)工作結(jié)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(yīng)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(shè)期相比，2008年4月25日的X3截面的彎曲應(yīng)變僅為379.0個微應(yīng)變(圖2)，D管段管道應(yīng)變變化處于可接受變化范圍(以下彎曲應(yīng)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(yīng)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(yīng)變躍升為856.7個微應(yīng)變，即短短5t時間，X3截面的彎曲應(yīng)變增加了477.7個微應(yīng)變。很明顯，管道在短期內(nèi)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(yīng)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(yīng)變再次躍升為1042.9個微應(yīng)變，較4月30日又增加了186.2個微應(yīng)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(yīng)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(yù)警通報。

　　3.2 勘查會診階段

　　至2008年5月15日X3截面彎曲應(yīng)變達到1139.2個微應(yīng)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(jīng)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(nèi)的管道也發(fā)生相應(yīng)的急劇應(yīng)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(yīng)變變化也趨于穩(wěn)定：2008年6月9日X3截面的彎曲應(yīng)變?yōu)?154.3個微應(yīng)變，較之于2008年5月8日，僅增加了21.2個微應(yīng)變。

　　D管段管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測發(fā)現(xiàn)應(yīng)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(yīng)變監(jiān)測的災(zāi)害預(yù)警較地表位移監(jiān)測要早15d。

　　滑坡運動的一般特征是內(nèi)部蠕變先于地表。顯然在這種情況下管道應(yīng)變監(jiān)測能夠更早偵測到滑坡災(zāi)害發(fā)生的前兆，進而為管線的災(zāi)害治理提供寶貴的緩沖時間。另外，6月中旬的應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)持續(xù)穩(wěn)定在1100個微應(yīng)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(zāi)體(滑坡)施加在承災(zāi)體(管道)上的應(yīng)變無法自行釋放，管道的承災(zāi)力學(xué)性能已大大削弱。

　　3.3 災(zāi)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(zāi)害，其災(zāi)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(guān)規(guī)范[5～6]和有關(guān)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(yīng)力，同時采取反壓坡腳并疏導(dǎo)匯水的水工保護治理措施。在實施治理的同時，提高應(yīng)變及地表監(jiān)測頻率以及時指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

　　首先，管體應(yīng)力釋放要控制在合理范圍內(nèi)。一定長度內(nèi)的管體應(yīng)變既然已發(fā)生，就很難再回復(fù)到初始狀態(tài);過度的釋放有可能會加劇該管段的力學(xué)損傷，甚至影響相鄰管段的穩(wěn)定和安全。換言之，管體的應(yīng)力釋放是以減緩并消弱災(zāi)害風(fēng)險為目標(biāo)的，而不是像改線那樣去根除風(fēng)險。治理階段的應(yīng)變動態(tài)監(jiān)測可以控制應(yīng)力釋放的程度。其次，管體應(yīng)力的釋放要從低應(yīng)變區(qū)逐段向高應(yīng)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(dǎo)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(yīng)力分布也會發(fā)生即時變化，此時的應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)可指導(dǎo)開挖進度和開挖位置調(diào)整。最后，采用管道應(yīng)變監(jiān)測還可以獲得管線各監(jiān)測截面實時應(yīng)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(yīng)力的方向、管道彎曲的方向，以及整個管段彎曲扭轉(zhuǎn)的狀態(tài)及趨勢，進而指導(dǎo)對管體進行細微的挪移。

　　3.4 災(zāi)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(dāng)日X3截面的彎曲應(yīng)變?yōu)?25.7個微應(yīng)變，較6月9日減少了228.6個微應(yīng)變，D管段管道彎曲變形明顯恢復(fù)，初步表明采取開挖管溝釋放應(yīng)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(yīng)變?yōu)?33.1個微應(yīng)變，較6月9日減少了321.2個微應(yīng)變，D管段管道彎曲變形進一步得到恢復(fù)。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(yīng)變?yōu)?33.1個微應(yīng)變;若考慮開挖前的最大彎曲應(yīng)變(1154.3個微應(yīng)變)，則此次可釋放的應(yīng)變?yōu)?21.2個微應(yīng)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(yīng)變逐漸穩(wěn)定在900個微應(yīng)變左右，即釋放了250個微應(yīng)變，為可釋放應(yīng)變范圍的78%。據(jù)此可以基本判斷：開挖管溝釋放應(yīng)力的治理措施有效緩解了滑坡所造成的管體力學(xué)損傷，回填措施基本得當(dāng)，D管段管道應(yīng)力應(yīng)變重新回到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

　　4 結(jié)論

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

　　2) 由于管道應(yīng)變監(jiān)測及分析技術(shù)能夠?qū)崟r定量掌握受災(zāi)管段應(yīng)力應(yīng)變情況，因此在以管道自身安全為重點的滑坡災(zāi)害治理中具有極強的指導(dǎo)作用，同時也能用于災(zāi)害治理效果評價。

　　3) 在致災(zāi)體復(fù)雜多變、管土作用模型仍處于研究階段的條件下，管道應(yīng)變監(jiān)測及分析技術(shù)能夠長期有效地監(jiān)測運營方最為關(guān)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(zhì)災(zāi)害有效的一種預(yù)報預(yù)警手段和治理輔助手段。

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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(zhì)災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)有限公司)