高陡边坡敷设条件下管道应力预警处置
来源:《管道保护》2022年第2期 作者:魏宇 李洪涛 贺小康 时间:2022-3-28 阅读:
魏宇 李洪涛 贺小康
国家管网集团西南管道贵阳输油气分公司
摘要:高陡边坡是山区管道典型的敷设环境之一,在降雨及不良地质条件的共同影响下极易发生地质灾害,进而造成管道应力集中甚至失效。利用地质灾害的渐变特征,对管体进行应力应变实时监测是确保管道安全运行的有效方法。以贵州山区某管道一处高陡边坡段的应力预警处置过程为例,分析高陡边坡段管道应力预警处置要点。
关键词:山区管道;地质灾害; 应力集中; 高陡边坡; 预警处置
贵州境内油气管道具有明显山地特征,即高落差、“V”字形、沿线途经高陡边坡段较为频繁。同时,由于当地雨量较为充沛,易引发地质灾害导致管道受力甚至失效。运用应力应变监测技术可以对管道本体受力情况进行实时监测,为管道安全状态评价提供依据。本文以一处高陡边坡段天然气管道应力预警处置为例,结合初期预警出现、监测值持续增高、监测值得到控制等不同处置过程进行分析,讨论应力预警处置要点。
1 高陡边坡概况
1.1 边坡基本情况
该斜坡坡度约35°~45°,边坡纵长150 m,横宽50 m,管道整体为顺坡敷设,管道埋深为2 m ~4 m。回填土土质较松散,土体间空隙较大,因管道沿坡面建设导致坡体受到一定的扰动。
1.2 管道保护措施
该段管道建设时在斜坡上部修有伴行路,并通过挡土墙及截水墙对坡体进行水工保护(图 1)。
图 1 高陡边坡现场情况
为进一步确保管道运行安全,投产前在斜坡中上部弯头位置及坡脚处分别安装X9及X8应力应变监测截面,管道轴向拉压应力及监测拉压应力阈值的计算方式如图 2所示。
图 2 应力阈值计算过程
首先计算得出X9及X8截面的监测压应力阈值为﹣261.2 MPa,监测拉应力阈值为360.3 MPa。其次再依据Q/SY 1673―2014《油气管道滑坡灾害监测规范》对预警值进行设置,即当应力监测值达到管道监测轴向附加拉/压应力容许值的30%、60%、90%时分别启动蓝色预警、黄色预警、红色预警。
2 预警情况
管道于2019年4月正式投产运营,运营初期监测数据无明显变化。当年6月,由于强降雨导致X9截面上方浆砌石挡墙垮塌,直接压覆管道上方,X9截面监测值迅速增高,附加压应力值达到黄色预警级别(﹣173 MPa,为容许值的66%)。通过立即对垮塌挡墙进行修复,监测值逐步降至蓝色预警级别并长时间处于稳定状态。2021年6月23日,受连续性强降雨的影响,X9截面监测值出现大幅增高,附加压应力值再次达到黄色预警级别(﹣180 MPa,为容许值的68.9%)且处于持续增高状态(图 3)。X8截面监测数据长期较为稳定,不做分析。
图 3 最大轴向拉压应力时程曲线
3 处置过程及分析
第一次预警原因及处置情况都较为简单明了,处置也较为有效,不做详述。重点对第二次监测预警的处置情况进行分析和解读。
3.1 初期处置
6月23日X9截面应力监测值达到黄色预警级别后,立即组织地质专家及监测单位对现场情况进行了踏勘,发现X9截面上方混凝土挡墙出现轻微沉降,挡墙顶部与伴行路连接处出现拉张裂缝。通过监测数据分析,X9截面管道受最大压应力为近0点钟方向,受最大拉应力为近6点钟方向,推断该处管道有向下弯曲的变形迹象,初步判定为挡墙沉降导致附加应力增大(图 4)。
图 4 X9截面应力沿管道环向分布
综合现场踏勘及分析得出整个边坡体处于稳定状态,经研究决定暂时先采取排水疏通及加密监测的处置方案。为防止雨水沿着裂缝下渗,加剧挡墙下沉,对新增裂缝进行了夯填,然后在坡顶位置利用防雨布及排水沟进行排水疏通,将监测频次调整为每小时1次,并加强该监测点的人工巡护,对监测数据和坡体变化情况进行密切关注。
3.2 应急处置
由于该区域降雨量持续较大,排水疏通后X9截面附加压应力仍处于持续增高态势,于6月28日增至﹣205.1 MPa,为压力容许值的78.6%。结合当时气象情况,认为应力值还有继续增高的可能,立即启动应急响应进行处置,以保障管道安全运行。
通过开挖监测截面上方覆土验证监测数据有效性,开挖过程中截面压应力逐渐降低,反映了监测设备仍处于正常工作状态。随后,局部开挖挡墙基础发现其未嵌入稳定岩层,核实了挡墙下沉的原因。
7月1日X9截面压应力值增至﹣240.1 MPa,为容许值的91.9%,达到红色预警级别。对此,力学专家分析认为,由于原容许值是根据设计运行压力(10 MPa)计算的,当前管道运行压力仅为5 MPa,判断管道目前仍处于安全状态,若管道所受应力进一步增高,有可能出现管道失效的情况,决定在不停输情况下进行应急处置。将监测频次紧急加密至每5分钟1次,人工监测坡体稳定性及管道应力变化情况,过程中监测数据较为稳定,考虑到天气相对较好,决定采取拆除挡墙、对挡墙下方管道进行开挖释放应力方案进行处置。处置方案资金投入较高、工期相对较长,但从根本上解决了挡墙下沉的问题,便于后续应力释放。
应急处置后,最大压应力值由红色预警级别(最高﹣273 MPa,为容许值的104.52%)成功降至黄色预警(﹣187.1 MPa,为容许值的71.63%),管道应力集中情况得以控制。
从表 1处置过程中的压应力变化情况分析可知,6月29日至7月3日均为强降雨过程,X9截面压应力明显增高。伴行路路面及挡墙拆除过程中(7月2日至7月10日)X9截面压应力除了7月3日降雨导致增高外无明显变化;挡墙下方管道开挖过程中(7月11日至16日)X9截面压应力显著降低,取得较好的应力释放效果(图 5)。
表 1 处置过程中X9截面最大压应力变化情况
图 5 X9截面压应力变化趋势
3.3 永久处置
为验证应力监测数据的准确性,采用超声波检测方法对管体受力情况进行检测,与应力监测对比表明两者数据基本吻合,当前管体所受应力情况比较可靠。
开挖过程中发现X9截面上方截水墙断裂,截水墙上半部分沿管沟向下滑移约1.5 m,且存在管道防腐层脱落、光缆硅管局部拉断现象,推断地表水渗入管沟内土体,管沟土体发生滑移也是造成管体应力增加的因素之一。
分析认为,当前X9截面处管道所受应力值(压应力值为﹣187.1 MPa,为容许值的71.63%)满足管道的长期运行要求,但考虑到斜坡下部管道的防腐层、光缆硅管损坏的可能性较高,决定先采用抗滑桩及桩板墙对坡体上部及坡脚进行支挡保护,然后再继续开挖X9截面下方管道,进一步释放应力并对防腐层及光缆硅管进行验证。由于该陡坡段土层较厚,混凝土截水墙可能会压覆管道,造成应力进一步增高,因此采取草袋墙对上下两道桩板墙之间的管沟土进行分级支挡(图 6)。
图 6 永久处置治理效果
4 结语
(1)高陡边坡段管道在回填土松散、降雨量充沛等不良因素的作用下,容易导致地下水沿管沟流动,带动管沟土往斜坡前缘缓慢滑移,进而影响原有水工设施(截水墙、挡墙等)失稳,最终导致管道应力集中。降雨是导致地质灾害加剧、管道受力增加的主要原因,应合理设置并维护排水系统,尽可能减少雨水渗入坡体及管沟。
(2)应力应变监测能够有效反映管道受力变化情况,可通过开挖及超声波应力检测进行验证,其数据可作为后续处置依据。
(3)监测预警初期要及时分析原因,可采取加密监测频次及人工监测的方式密切关注,监测值若连续升高,应及时启动应急处置。
(4)管道上方挡墙拆除过程中应力监测值几乎没有变化,而将受力段管道挖出后起到了较好的应力释放效果。
(5)高陡边坡段管沟土滑移易导致防腐层失效及光缆硅管拉断,考虑到保护管道及光缆达到永久治理效果,建议采取抗滑桩及桩板墙的方式进行治理。
作者简介:魏宇,1993年生,工学硕士,助理工程师,主要从事管道地质灾害防治相关工作。联系方式:13385116592,weiyu@pipechina.com.cn。
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