郑磊 邓丰林 马烨 刘伟 张婷

国家管网集团西南管道公司兰州输油气分公司

摘  要：为实现管道地质灾害预防性监测与预警，从管道沿线地域环境出发，探讨了地质灾害主要影响因素及致灾形式、管道受灾后的渐变特征和管道失效力学判据，提出地质灾害风险监测与预警在理论及技术上的可行性。选址布设管道地质灾害监测预警网，经实际应用表明，能够监测管道应力应变以及管道周边地层蠕变情况，为管道地质灾害风险的前期监测与预警提供了可能。

关键词：油气管道；地质灾害； 滑坡；力学判据； 预防性监测预警

随着油气管道里程的逐年增加，沿线人类工程活动扰动和自然环境突发事件的频繁发生，管道地质灾害已呈多发态势，管道运行安全与沿线地质灾害频发之间的矛盾日益凸显，近年来，国内发生多起由于山体滑坡造成的管道损毁事件。西南山区管道沿线地质、地貌和水文条件复杂，崩塌、泥石流、水毁、黄土陷穴、不稳定斜坡等地质灾害较为活跃，尤其不稳定斜坡出现滑坡的灾害风险较高，对管道安全运营威胁较大。为了管控地灾风险、确保管道安全，建设地质灾害风险监测预警体系势在必行。

1 管道地质灾害及监测预警原理

1.1 主要地质灾害及致灾形式

管道地质灾害主要影响因素有地质因素、气象条件、人类工程活动、风化侵蚀及地震等。

常见地质灾害主要包括滑坡和水毁，前者会造成管道剪切破坏、拉伸破坏和压覆破坏；后者会使管道外露、悬空、漂管以及导致水工设施破坏等。

1.2 地质灾害的渐变特征

延缓发育性管道地质灾害具有明显的“因果型灾害链”，只要能够掌握致灾体与承灾体之间的因果联系，就有可能及时预警，提前采取治理措施。图 1以致灾体与承灾体之间的关系，描述了管道地质灾害发生的演变过程。

管道地质灾害的发生是由于致灾体的变形、失稳而导致的管道应力集中和管体变形，最终管体应变超出许用范围，使得管道发生弯曲变形、管体失效。由于管道力学分析模型理论相对较为完善，只要建立了合理的管道力学模型，摸清管道变形、失效的临界应力应变数据，便可准确定量描述灾害条件下管道的临灾力学状态，进而为管道灾害的预警预报提供可能性。

1.3 管道应力判据

管道受外界荷载时，管体自身应力随之增加，管道变形处于弹性区间时，受约束管道的强度应同 时满足两个条件。一是管道轴向应力之和不高于0.8σs（σ s为管道标准屈服强度）；二是当管道轴向应力之和为负值时，管道组合当量应力不高于0.9σs。应力满足这两个指标，管道不会发生应力集中破坏。

2 预防性监测预警网布设

2.1 布设基本原则

（1）以承灾体管道管体的应力应变监测为主，致灾体地表位移、雨量监测为辅，综合判断管道地质灾害的发生及灾害情况。

（2）实现灾前预警，以较小代价或者零代价换取管道长久安全，使灾害治理成本降到最低。

（3）实现管道地质灾害长时间、全方位监测，避免短期监测不连续和单一性缺陷。

2.2 布设案例

2019年，在甘肃境内管道风险较高的不稳定斜坡区域实地勘察后，在兰成渝管道K004+400米段选址安装了地表位移、应力应变、雨量检测三类自动化监控设备。结合管道地质灾害普查对监测工作进行现场踏勘和复核，对该处高风险不稳定斜坡开展实时监测。

2.2.1 工程概况及区域稳定性评价

兰成渝管道K004+400米管段斜穿7米宽沟道，以大开挖方式通过沟道右岸斜坡进入斜坡上侧，斜坡坡度约45°～60°，斜坡高60米。管道上坡后沿斜坡横向铺设，铺设长度约150米，距离斜坡边沿距离约5米。管道穿越的河道为排洪沟，四周山体雨水汇集后通过该河道进行排洪，下雨时河道内水流较大。此外，在管道通过高速公路的两个桥墩处，暴雨时容易发生回流，会冲刷沟底，可能引起边坡失稳诱发滑坡，危及在斜坡上方横向铺设的管道安全。

2.2.2 监测方案及监测点布置

（1）斜坡体地表位移监测方案。在管道通过冲沟两侧斜坡段布置地表位移监测点GNSS（GlobalNavigation Satellite System，全球卫星导航定位系统），对监测点的水平方向和垂直方向的位移开展自动测量。通过数据传输系统将同一时刻的GNSS基准站及GNSS监测站的原始观测数据发送到数据中心，由专业变形监测软件对数据进行自动解算处理，得到监测点实时的毫米级坐标值。

（2）管道应变监测方案。在管道本体潜在剪切处、管道转角应力集中处采用应变计对管道的变形进行监测。

（3）雨量监测方案。应用雨量计对斜坡监测区域的降雨情况进行自动化监测。通过实时采集区域降水量，为综合分析斜坡体变形发展趋势，提供数据支撑。

（4）监测点布置。在存在形变斜坡坡脚上方、坡顶各设置1个管道应变监测站，共布设2个（图 2）。在坡顶沿斜坡方向布设2座GNSS监测站，在坡体外稳定区域布置1座地表位移基准站和1个雨量自动监测站，构成1条监测剖面（图 3）。

2.2.3 系统组成及监测频率

兰成渝管道K004+400米段自动监测系统主要组成设备清单如表 1所示。报警状态分别为正常级、关注级、警示级、警报级，自动监测频率依次为4.0次/h、2.0次/h、 1.0次/h、 0.5次/h。

2.2.4 数据传输及预警阈值

所 有 监 测 数 据 均 采 用 无 线 传 输 方 式 ， 利 用GPRS/4G网络作为主信道进行实时数据传输；同时将北斗卫星通信作为备用信道。所有原始数据直接上传 指定服务器，通过部署于服务器上的软件进行数据解算。自动监测初始阈值设置参照表 2。

2.3 数据采集情况

目前，已在兰成渝管道、兰成管道、兰郑长管道干线和支线管道灾害高风险区域共布设17处预防性监测点，每处监测点均包括管道应力应变监测、地表位移监测及降雨量监测等，初步形成甘肃区域管道地质灾害预防性监测预警网。监测到关注级预警20多次，成功消除各类中、小型地质灾害隐患30多处，预先避免了管道地质灾害的恶化及发生。

3 效果评价

（1）准确监测预警。预防性监测预警网能准确监测管道地质灾害隐患点，发出预警，提前预防及治理，为管道完整性管理奠定了良好的基础。

（2）提供原始数据。通过不间断监测，积累了大量原始数据，包括管道地质灾害点的变形过程、应力集中趋势、应变变化大小，以及管道地质灾害成型的主要原因等。对后期管道地质灾害治理提供了不可或缺的数据支撑，节约灾害治理费用。

（3）评价治理效果。通过监测预警网收集的数据，对比灾害治理前、治理后的数据，有效度量治理效果，检验治理效果是否达到预期目的，为今后灾害治理工程的设计和方案比选、监护、维修、检测等提供依据。

作者简介：郑磊， 1982年生，工程师，毕业于西安交通大学机械工程及自动化专业，从事油气管道的阴极保护、水毁及地灾防治、完整性管理等工作。联系方式： 13519445269，308365099@qq.com。