石晓栊

中石化川气东送天然气管道有限公司

 

 

摘  要：不良地质条件下实现管道安全运行难度较大，开展滑坡地质灾害监测预警技术研究尤为必要。以川气东送管道某典型滑坡为例，布设专业监测设备，开展位移、降雨、管道应变等要素监测，实现变形、应变等多元数据的自动化获取与数据传输。通过滑坡动态变形和管道安全状态联合监测，根据滑坡的变形位移切线角和管道屈服应力临界破坏标准，建立管道滑坡灾害预警模型，为管道的安全运营提供保障。

关键词：油气管道；滑坡灾害；临界破坏标准；监测预警

 

我国正处在油气管道建设的高峰期，穿越复杂地质条件和特殊地貌的情况日益增多，受地质灾害的影响也愈发突出，滑坡引发的管道事故频频发生[1-4]。目前监测主要以滑坡的变形监测和活动状态监测为主，不能反映管道的易损性和安全状态，有必要开展油气管道滑坡地质灾害的联合监测预警技术研究。本文选择川气东送管道沿线重庆某典型滑坡，研究滑坡作用下管道安全状态和风险预警。

1 管道滑坡灾害监测预警技术

滑坡变形—管道安全性能联合监测预警技术包括现场监测、数据获取和传输、数据分析。

监测指标包括雨量、位移、土压力、水压力等。数据采集大多以小时为间隔，部分以半小时或更短时间为间隔。联合监测系统如图 1所示，包括降雨等影响因素监测、滑坡位移监测、管道应变监测。

自动雨量站监测设备终端配置避雷系统、电源系统、通信系统以及雨量传感器，自动采集、实时控制和双向传输雨情信息，可设定采样间隔、采集频率。设备采用双信道设置，用一备一，在异地中心站能够遥控设置设备参数、改变路径、读取数据等。

地表位移数据监测，包括测量、采集、控制、传输等环节，当监测点位移发生变化或设定定时采集数据时，设备控制指令启动测量，测量结果通过集成采集，经传输模块发射至数据接收处，数据接收端接收数据入库。

管道本体应变监测，通过光栅光纤式应变计监测 管道外表面的微小应变，主要关注管体轴向应变。在管体每一截面安装三个应变监测计，绕管道截面均匀布设在12点、 3点、 9点钟位置（图 2）。

2 管道滑坡灾害预警标准研究

2.1 管道应力预警标准

实时监测某个管道断面的实际应力（应变）状态，与管材屈服强度相比，从而确定管道应力超限预警标准。

按照管道强度校核规范，埋地管道的轴向应力合计和组合当量应力不应大于管材最低屈服强度的0.9倍。

拉应力最大值：

压应力最大值：

其中σh 为管道环向应力， MPa； σt 为管道温度应力， MPa； σp为管道内压应力， MPa。

根据实时监测应变数据，计算得到的管道附加应力分别达到管材许用应力的不同比例时，分别对应不同预警级别。

提示级，管体附加应力达许用应力的 30～50％，发布蓝色信号。

关注级，管体附加应力达许用应力的 50～70％，发布黄色信号。

警示级，管体附加应力达许用应力的70～90％，发布橙色预警。

警报级，管体附加应力超过许用应力的90％，发布红色预警。

2.2 滑坡变形预警阈值

采用切线角方法，将滑坡位移（S-t）曲线采用等速变形速率转换为统一量纲T-t曲线[5]。

式中， ∆Si 为某一观测时间段内滑坡表面位移变形量， ν为等速变形速率， Ti 为转换后与时间相同量纲的纵坐标值。以此滑坡变形阈值统一分析判断变形速率。

2.3 监测预警标准

将“滑坡变形阈值”和“管道应力”两者组合，构建预警矩阵，建立管道滑坡灾害预警模型，分别用绿色、黄色、橙色、红色表示注意级、警示级、警报级、灾变级（表 1）。

3 监测预警实例及应用

3.1 工程地质概况

重庆某典型滑坡上陡下缓，上部有稀疏矮树植被，坡度约35度，坡面为松散土体，厚度大约10米，有部分坍塌滑坡出现；下部为田地，坡度约10～15度，土壤含水率较大，部分管段周围土体接近饱和状态。坡体前缘较远处有溪流常年有水，水位断面流量宽度约3米，水深约10厘米，洪水期断面流量较大，两岸有树木，无冲刷痕迹（图 3）。附近300米内无 居民住宅。管道穿过坡体前缘，与坡体呈正交，管道沿线地形起伏，中间高两侧低，中间部位无滑动可能。管道管径559毫米，埋深约1.5米。

3.2 滑坡体现场监测

地质灾害风险等级较高，发生灾害的可能性较大。地质风险专业监测点应选择典型滑坡地质灾害风险等级较高的区域；交通相对便利，便于运送安装仪器设备，方便看护设备，不易被破坏；附近有自动遥测雨量站，能实时监测雨量；附近地形地貌适于管道土体开挖和仪器设备安装调试。该典型滑坡体现场实时监测如图 4所示。

现场设备采集监测数据后，通过数据发射模块无线传输至服务器并存储至数据库。

3.3 监测预警标准的确定

滑 坡 区 域 管 道 为 X 7 0 级 ， 最 小 抗 拉 强 度485 MPa，管材许用应力按最小抗拉强度的0.9倍计为436.5 MPa。计算该典型滑坡体对管道应力临界破坏标准分别对应监测预警级别。

提示级，管体附加应力达130～218 MPa，发布蓝色信号。

关注级，管体附加应力达218～306 MPa ，发布黄色信号。

警示级，管体附加应力达306～390 MPa，发布橙色预警。

警报级，管体附加应力超过390 MPa，发布红色预警。

4 监测数据分析

滑坡初始变形阶段、匀速变形阶段、加速变形阶段的变形速率不同，对管道造成的威胁程度各异，依据滑坡累计位移－时间曲线切线角的大小可识别出滑坡的发育阶段。管道在滑坡变形作用下发生泄漏，管材都要经历弹性变形、塑性变形直至最终断裂。

据2019年6月滑坡灾害监测数据（图 5），可得出：①随着降雨量的增大，管道所受应力有所增强，是由于降雨使得滑坡体含水量增加，加大了滑坡推力。②管道应力变化相对平稳，应力水平远低于临界应力值，滑坡地表位移监测数据也同时印证管道处于安全状态。

5 结论

（1）布设监测设备开展自动化监测与数据分析，实现了滑坡变形—管道安全状态的联合监测。

（2）确定了管道滑坡灾害预警标准，为滑坡地质灾害条件下管道的分级预警提供了数据支撑。

 

参考文献：

[1] 赵忠刚，姚安林，赵学芬，等. 长输管道地质灾害的类型、防控措施和预测方法[J]. 石油工程建设， 2006， (01)： 7-12.

[2] 张光华. 川气出川管道工程地质灾害刍议[J]. 水文地质工程地质， 2007， 34(05)： 81-84

[3] 董绍华，杨祖佩. 全球输气管道完整性技术与管理的最新进展—中国管道完整性管理的发展对策[J]. 油气储运， 2007， 26(02)： 8-24.

[4] 周惊慧. 西气东输工程地质灾害风险评估[D]. 天津：天津大学， 2007.

[5] 许强，曾裕平，钱江澎，等.一种改进的切线角及对应的滑坡预警判据[J]. 地质通报， 2009，28(04)： 501-506.

 

作者：石晓栊，男， 1988年生，工程师，现主要从事管道管理及地灾防治工作。