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管道研究

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基于监测数据的穿越滑坡区油气管道预警模型

来源:《管道保护》2021年第4期 作者:余东亮 李虎 杨霞 方迎潮 时间:2021-8-4 阅读:

余东亮1 李虎2 杨霞3 方迎潮1
1.国家管网集团西南管道公司技术中心; 2.四川省地质工程勘察院集团有限公司;3.四川蜀渝石油建筑安装工程有限责任公司 


摘要:穿越滑坡区埋地管道的安全运行及预警问题一直是管道行业关注的重点与难点。以实际监测数据为基础,引入切线角理论,分别构建了管道力学多级预警模型和滑坡形变多级预警模型,并以管道预警为主,滑坡形变预警为辅,形成了综合预警模型。某穿越滑坡区管道的预警案例分析结果表明,综合预警模型能在一定程度上对穿越滑坡的管道做出合理的预警,为管道的安全运行提供保障。

关键词:油气管道;滑坡;切线角;预警模型; 预警级别


西南山区地形起伏大、地质条件复杂,管道长距离敷设过程中不可避免地穿越大量的滑坡区域,安全运行压力大。及早感知、及时预警管道滑坡,对采取有效措施减少滑坡对管道的影响尤为重要。近年来,不少学者结合降雨量、水位线、含水量等因子提出了一系列的神经网络模型[1-3]。滑坡灾害的预警预报主要集中在灾害本体预警模型的构建上,对于穿越滑坡区管道的预警预报则相对较少,且大多研究基于理论分析,少有基于实际监测数据对滑坡和管道同时进行监测分析并建立相应的预警模型。本文将管道力学预警预报模型与滑坡本体预警模型结合,提出基于监测数据的穿越滑坡区埋地管道的预警预报模型,为穿越滑坡区油气管道的安全运营提供技术保障。

1  管道沿线地质灾害监测与预警平台

西南管道公司在滑坡体灾害监测和管道应力应变监测的基础上开发了管道沿线地质灾害监测与预警平台,实现对监测数据的实时采集,分析地质灾害发展,评估管道的安全状态,并针对不同的预警结果提出相应的响应机制,以及预测未来一段时间的发展趋势,为管道管理各部门及时提供监测数据及评估结果,提升对沿线地质灾害风险的管控能力。

2  穿越滑坡区油气管道预警模型

滑坡体是诱发管道变形的主要因素之一。因此,以管道力学变化为主,以滑坡体变形为辅,建立综合考虑监测值和监测值切线角指标的综合模型,解决以往注重滑坡监测轻管道监测的弊端。

2.1  管道力学多级预警模型

Q/SY 1673―2014《油气管道滑坡灾害监测规范》对管道附加应力的预警准则规定,当管道附加应力σ超过允许附加应力σs    的30%、60%、90%时分别发布蓝色预警、黄色预警和红色预警。

管道在受滑坡推力作用时,管道的变形随滑坡的变形而协同变形。在此基础上引入切线角理论[4],即将监测得到的应力值或位移值的匀速变化阶段的速度作为基础速度v,用应力值或位移值除以基础速度将应力值或位移值转换为时间T的量纲,如式(1),使得原应力值或位移值与应变的监测时间 t 的关系转化为时间T与检测时间 t 的关系,最后求取T- t 的切线角关系,如式(2)。


式中:σ( i )为匀速变形某一单位时间段(一般采用一个监测周期,如1天、1周等)内管道应力增长量,MPa;v为匀速变形阶段的应力变化速率,MPa/周期;T( i )为变换后与时间相同量纲的纵坐标值;αi为改进的切线角,°;ti为某一监测时刻;Δt为时间段;ΔT为Δt时间段内T( i )的变化量。

根据文献[5],滑坡在初始变形阶段时,切线角为小于45°,到等速变形阶段,切线角约等于45°,这两种变形状态下管道都处于相对安全的状态,预警为绿色级;滑坡初加速阶段时,切线角大于45°,报蓝色级预警;中加速阶段时,切线角变化约为80°到85°,报黄色预警;当切线角大于85°时报红色预警。考虑到管道应力变化时管道的安全性,将管道预警附加应力与切线角预警级别相结合,以最不利原则作为管道力学预警模型的最终级别,如表 1所示。


1 管道力学多级综合预警等级



2.2  滑坡形变多级预警模型

滑坡监测可能安装多种不同类型的监测设备,且因每个滑坡具有独特性,预警判据值需根据监测滑坡点位的具体现场工况综合提出。本文沿用改进切线角方法求取的滑坡地表位移切线角、深部位移切线角、裂缝切线角以及倾斜量切线角作为每一种监测设备的单指标预警判据,每个判据均包含绿色级、蓝色级、黄色级和红色级,如表 2所示。而滑坡的综合预警等级的确定采用最不利原则,将多种监测设备所达到的最高预警级别作为滑坡综合预警等级。


2 滑坡形变多级综合预警模型



2.3  综合预警模型

穿越滑坡区的埋地管道综合预警主要对管道的安全隐患及时做出预警预报,以直接反应管道本体特征的管道力学多级预警模型为主,以诱导管道发生变形的滑坡形变多级预警模型为辅构建综合预警模型,如表 3所示。


3 穿越滑坡区埋地管道综合预警模型



当管道力学和滑坡形变都处于绿色级时,滑坡处于初始阶段,管道力学变化较小,综合预警为正常级。当管道力学行为或滑坡形变特征都达到蓝色级,管道应力或滑坡形变都进入到等速变形阶段,但管道应力不大(允许附加应力的30%),处于关注级。当管道力学或滑坡形变达到黄色级时,表示滑坡进入初加速阶段或管道应力已经达到允许附加应力的60%,此时管道应力较大或滑坡形变变化加快,危险程度增大,为警示级,需采取措施消除风险。为保证人员和管道安全,警示级为危险事件最迟处理阶段。当滑坡继续变形或管道应力持续增加到红色级时,已经达到允许附加应力的90%,管道随时可能达到屈服阶段,或者滑坡已经达到临滑阶段,此时处于极度危险的状态,为警报级。

3  实例分析

某滑坡位于甘肃省陇南市,平面形态呈圈椅状,滑坡后缘以斜坡陡坎为界,两侧边界以滑动时剪切裂隙为界,前缘剪出口位于黄土冲蚀沟内。滑坡所在坡面地形起伏不大,自然坡度约15°~30°,坡向260°,长35 m,宽55 m,平均滑体厚3.0 m,总体积约6000 m3,属小型滑坡。管道从滑坡后部穿过,与主滑方向呈50°交角。管道材质为X80,壁厚15.3 mm,管径1016 mm。现场布设了两种监测设备,地表位移计布设在滑坡主滑方向的前缘,中段以及后缘,监测周期为半小时一次;管道应变计安装在滑坡主滑方向左右两侧处,监测周期为一天两次,如图 1所示。该点关注级、警示级和警报级地表位移阈值分别设置为200 mm、260 mm和300 mm,管道允许附加应力阈值分别为124 MPa、248 MPa和372 MPa。2020年6月15日,滑坡前缘地表位移切线角达到80°,前缘位移值与切线角处于正常级,管道应力值与应力切线角均处于正常级范围内,发出警示级预警。



1 滑坡监测布设图


选取6月上旬到发生预警时间段的地表位移计监测值进行分析(图 2),经切线角理论改进得到的T- t 曲线与相应的切线角(图 3),管道应力值曲线(图 4),转化得到的T- t 曲线与切线角曲线(图 5)。


2 地表位移监测值

3 地表位移T-t曲线与切线角曲线

4 管道附加应力监测值

5 管道附加应力T-t曲线与切线角曲线


由图 2和图 3可知,地表位移值在50 mm左右波动, 6月14日时突然从47.89 mm增加到56.45 mm,未达到所设置的预警级别,属于正常级,但其对应的T- t 曲线也在此时随之增长,切线角此时达到81.2°,符合滑坡切线角预警模型警示级级别。综合滑坡形变多级预警模型此时报警示级。

由图 4和图 5可知,管道附加应力均在35 MPa~50 MPa之间波动,未超过设置的关注级值124 MPa,管道附加应力预警属于正常级。由于所选取的时间较长,管道应力增长缓慢,切线角在监测周期内成小范围内波动,但波动范围均未超过45°,管道附加应力切线角预警级别仍属于正常级。综合管道多级预警模型,管道应力处于正常级范围内。

综合管道多级预警结果与滑坡形变多级预警结果,结合表 3,6月14日对该点报警示级预警。经实勘,现场局部出现滑移沉降,在滑坡前缘较为明显。坡体出现裂缝,后缘出现下错开裂,如图 6所示。案例证明,运用综合预警模型在一定程度上能预警埋地管道滑坡灾害的发生,为管道安全运营及时提供决策参考信息,减轻灾害影响,降低经济损失。



6 滑坡前缘地表下错


4  结论

以管道应力应变监测和滑坡形变监测等多种监测手段为基础,根据监测设备回传的实时数据构建了管道力学多级预警模型和滑坡形变多级预警模型,最终形成穿越滑坡区油气管道的综合预警模型并进行现场应用。应用结果表明:

(1)基于实时监测数据的预警模型能在一定程度上对穿越滑坡的埋地管道进行实时预警,为管道的安全提供技术保障,具有较高的实用性和借鉴价值。

(2)针对滑坡采用多种监测设备获取不同物理参数的监测数据,进行综合判别能在一定程度上提高预警模型的准确率。

(3)下一步应分析不同监测数据之间的内在关联性,进一步优化完善预警预报模型。

 

参考文献: 

[1]唐睿旋,晏鄂川,唐薇.基于粗糙集和BP神经网络的滑坡易发性评价[J]. 煤田地质与勘探,2017(6):129-138.

[2]冯非凡,武雪玲,牛瑞卿,等. 粒子群优化BP神经网络的滑坡敏感性评价[J]. 测绘科学,2017,10(42):170-175.

[3]李璐,温宗周,张阳阳,等. 基于RBF神经网络滑坡灾害发生概率预报方法[J]. 西安工程大学学报,2017,4(10):521-526.

[4]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):501-505.

[5]李岩岩. 天然气管道滑坡地质灾害监测预警技术研究[D]. 成都:西南石油大学. 2017.

 


作者简介:余东亮,国家管网集团西南管道有限责任公司技术中心副经理,高级工程师,主要从事管道完整性管理方向的研究工作。联系方式:18030869758, 57730006@qq.com。

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