刘鹏1 李玉星1 张宇1 王子2 孙明源1

1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院； 2.国家管网集团西气东输管道分公司

摘  要：长输管道敷设不可避免会经过地形复杂的山区，各种地质灾害会威胁管道的安全运营。复杂山区管道地质灾害数值模拟是评估地质灾害发生时管道安全与否的重要技术手段。以某山区输气管道滑坡灾害为例，基于Rhino软件建立了三维管道滑坡灾害模型，结合FLAC 3D进行数值模拟计算，模拟结果显示了未来滑坡发育情况，得到了滑坡发育下的管道力学响应，给出了管道可能的应力集中位置，为现场采取针对性措施、保障管道安全运行提供了技术支撑。

关键词：复杂山区；输气管道；滑坡灾害；数值模拟

我国输气管网规模大、分布广，沿途地形和地质环境复杂多样，特别是山区管道会受到各种地质灾害的威胁和侵害。输气管道通常采用高压输送，并且天然气具有易燃易爆的特性，一旦发生事故，将对生命财产及能源供给造成重大危害[1]。近年来，由地质灾害引发的输气管道泄漏事故时有发生，使之成为管道管理的重点。在地质灾害对管道的影响研究方面，国内外学者已经开展了大量科学研究[2-8]，但是现有研究大多是基于简化的管道地质灾害模型，将管道抽象为梁模型，分析得到简化的地质灾害下管道力学计算公式，通过开展简化的直管道地质灾害实验和数值模拟，得到在简化地质灾害下的管道力学响应规律。而在实际工程中，管道的走向往往十分复杂，因而目前得到的地质灾害下管道力学解析公式的计算结果不能够反映整个灾害发育过程中的管道受力变化情况。数值模拟能够准确反映地质灾害发生过程中的管道受力变化情况，但是目前基于ABAQUS和ANSYS的有限元数值模拟软件在三维管道地质灾害建模方面难度很大，计算很慢，需要耗费大量的时间成本以及计算资源。因此，为了能够快速、准确、有效地评价复杂地质灾害下的管道安全，提出了基于三维建模软件Rhino建立三维管道地质灾害模型，采用有限差分软件FLAC 3D进行求解计算的数值模拟方法，以期能够相对快速地得到特定地质灾害发育下的管道受力变化，为地质灾害下的管道安全防控提供重要技术支撑。

1 模型建立

复杂地形下的三维管道地质灾害模拟一直是困扰数值模拟应用于管道工程的难题，埋地管道与地质灾害土体尺寸相差巨大，直接限制了模型网格划分以及计算求解速度。以某山区管道滑坡灾害为例，开展了三维管道地质灾害数值模拟。该滑坡体的坡面倾角为10°～12°，从坡脚至坡顶共分为五级坡坎。坡体主要有①层新黄土（粉土为主，稍湿，松散，透水），②层新黄土（粉土为主,湿～很湿，稍密～中密，液性指数＞1.0，局部呈流塑状态，透水）。该滑坡体为牵引式滑坡，滑面位于 第②层新黄土中，管道埋深2 m左右。黄土参数如下：第①层黄土：土体体积模量Κ＝65 MPa，内聚力c＝14.5 kPa，密度ρ ＝1950 kg/m3，内摩擦角φ＝22.5°，剪切模量G＝30 MPa；第②层黄土：土体体积模量Κ＝65 MPa，内聚力c＝18.23 kPa，密度ρ＝1960 kg/m3，内摩擦角φ＝20°，剪切模量G＝30 MPa。模拟管道钢材为X70，弹性模量E＝210 GPa，泊松比μ＝0.3，密度ρ ＝7.98×103 kg/m3，最小屈服强度σ s＝4.85×108 Pa，运行压力P＝10 MPa，管道规格Φ＝1016 mm×28 mm。通过Rhino软件，采用完全耦合的方式建立双地层的埋地管道三维地质模型，整体模型长度400 m左右，宽度300 m左右，在管道位置处进行局部加密，并实现网格大小的平稳过渡。由Griddle工具生成FLAC 3D网格，导入FLAC 3D设置单元属性、边界条件以及根据实际情况设置位移监测点进行数据监测。通过数值求解计算，得到了滑坡发育过程中的土体变形以及管道力学响应。三维地质灾害模型如图 1、图 2所示。

2 模拟结果分析

2.1 滑坡变形分析

FLAC 3D数值模拟滑坡发育过程，在管道应力接近管材屈服应力时停止计算，得到滑坡整体位移以及位移监测点的数据变化如图 3、图 4所示。滑坡整体纵向位移呈现坡度大、位移大的基本规律。由于该滑坡上半部分坡度最大，故最大位移位于滑坡体上半部分，在管道局部应力接近屈服极限时，滑坡体最大纵向位移下降可达8.65 m左右。在该滑坡中部位置，由于地下输气管道的存在，阻碍了滑坡土体的下滑，上部下滑土体在此发生堆积，该位置土体出现了隆起，地表纵向位移最大增加2.2 m左右，与此同时，管道也因此发生变形，管道应力迅速增加。该滑坡区域布置的三处纵向位移监测点都位于管道上部，在滑坡发育过程中，监测数据都先显著减小，然后略微反弹，维持一段平稳状态，然后监测位移迅速下降；在三处位移监测点中，粉色监测点维持平稳状态最久，中间红色监测点后期纵向位移变化最剧烈。因此在工程实际中，当三处监测点的位移迅速降低时，需要密切关注管道安全状况，对该处滑坡管道采取紧急防护措施，防止管道发生损坏。

2.2 管道力学响应

埋地管道在滑坡发育过程中的变形以及应力响应如图 5、图 6所示。从管道接近屈服应力时的管道变形图可知，在该滑坡发育过程中，穿过滑坡体的管道中间部位整体变形较为明显，并且在其中的一些部位出现明显应变，应变甚至达到0.1 m左右。此外，管道整体变形情况呈现非均一性，与直管道的抛物线形分布具有明显差别，这是因为实际工程管道走向复杂，管土相互作用也十分复杂，对于不同的滑坡都要具体问题具体分析，很难一概而论。模拟过程中，在管道接近最小屈服应力σs＝485 MPa 时停止求解计算，管道整体应力处于250 MPa附近，但是管道局部最大应力达到451 MPa左右，经查找，管道最大应力集中于滑坡边界以及土层交界附近，但并不直接位于边界上，同样也需要针对具体滑坡灾害建立模型确定，不能一概而论。根据该滑坡模拟结果，可以得到滑坡发育过程中的位移监测点变化情况以及可能存在的管道损坏准确位置，为该处管道地质灾害的防控提供重要数据参考，可大大降低灾害治理的人力物力成本。

3 结论

提出了一种基于Rhino三维建模软件建立的管道地质灾害模型，实现了复杂地形下三维管道地质灾害的相对快速数值模拟，能够为地质灾害下的管道安全防控提供有力的技术支撑。通过实际工程滑坡案例模拟，得到了该地质灾害发育下埋地管道的应力集中准确位置，这便于现场人员采取针对性的治理措施来保证管道的运行安全，减少人力物力的投入。此外还发现，在管道滑坡地质灾害中，管道在穿越地层分界以及滑坡边界附近由于位移不均，更容易导致管道产生应力集中，是应力监测以及管道应力安全校核重点位置，但是该位置并不严格位于边界处，确定具体位置还得根据灾害区建立模型开展数值模拟计算分析。

参考文献：

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[8] 席莎，文宝萍.滑坡作用下横向折线形埋地输气管道的力学响应[J].油气储运， 2019， 38(12)： 1350-1358.

基金项目：国家重大研发计划资助项目“油气管道及储运设施安全风险评价技术研究”， 2016YFC0802104。

作者简介：刘鹏， 1995年生，在读博士生， 2018年毕业于中国石油大学（华东）油气储运工程专业获得学士学位，现主要从事天然气管道安全研究工作。联系方式： 17854227668，b18060022@s.upc.edu.cn。

通讯作者：李玉星，男，1970年生，教授，博士生导师， 1997 年博士毕业于中国石油大学（北京）油气储运专业，现主要从事油气长距离管输技术方向的研究工作。联系方式： 0532-86981818， liyx@upc.edu.cn。