劉鵬1 李玉星1 張宇1 王子2 孫明源1

1.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院； 2.國家管網集團西氣東輸管道分公司

摘  要：長輸管道敷設不可避免會經過地形復雜的山區，各種地質災害會威脅管道的安全運營。復雜山區管道地質災害數值模擬是評估地質災害發生時管道安全與否的重要技術手段。以某山區輸氣管道滑坡災害為例，基于Rhino軟件建立了三維管道滑坡災害模型，結合FLAC 3D進行數值模擬計算，模擬結果顯示了未來滑坡發育情況，得到了滑坡發育下的管道力學響應，給出了管道可能的應力集中位置，為現場采取針對性措施、保障管道安全運行提供了技術支撐。

關鍵詞：復雜山區；輸氣管道；滑坡災害；數值模擬

我國輸氣管網規模大、分布廣，沿途地形和地質環境復雜多樣，特別是山區管道會受到各種地質災害的威脅和侵害。輸氣管道通常采用高壓輸送，并且天然氣具有易燃易爆的特性，一旦發生事故，將對生命財產及能源供給造成重大危害[1]。近年來，由地質災害引發的輸氣管道泄漏事故時有發生，使之成為管道管理的重點。在地質災害對管道的影響研究方面，國內外學者已經開展了大量科學研究[2-8]，但是現有研究大多是基于簡化的管道地質災害模型，將管道抽象為梁模型，分析得到簡化的地質災害下管道力學計算公式，通過開展簡化的直管道地質災害實驗和數值模擬，得到在簡化地質災害下的管道力學響應規律。而在實際工程中，管道的走向往往十分復雜，因而目前得到的地質災害下管道力學解析公式的計算結果不能夠反映整個災害發育過程中的管道受力變化情況。數值模擬能夠準確反映地質災害發生過程中的管道受力變化情況，但是目前基于ABAQUS和ANSYS的有限元數值模擬軟件在三維管道地質災害建模方面難度很大，計算很慢，需要耗費大量的時間成本以及計算資源。因此，為了能夠快速、準確、有效地評價復雜地質災害下的管道安全，提出了基于三維建模軟件Rhino建立三維管道地質災害模型，采用有限差分軟件FLAC 3D進行求解計算的數值模擬方法，以期能夠相對快速地得到特定地質災害發育下的管道受力變化，為地質災害下的管道安全防控提供重要技術支撐。

1 模型建立

復雜地形下的三維管道地質災害模擬一直是困擾數值模擬應用于管道工程的難題，埋地管道與地質災害土體尺寸相差巨大，直接限制了模型網格劃分以及計算求解速度。以某山區管道滑坡災害為例，開展了三維管道地質災害數值模擬。該滑坡體的坡面傾角為10°～12°，從坡腳至坡頂共分為五級坡坎。坡體主要有①層新黃土（粉土為主，稍濕，松散，透水），②層新黃土（粉土為主,濕～很濕，稍密～中密，液性指數＞1.0，局部呈流塑狀態，透水）。該滑坡體為牽引式滑坡，滑面位于 第②層新黃土中，管道埋深2 m左右。黃土參數如下：第①層黃土：土體體積模量Κ＝65 MPa，內聚力c＝14.5 kPa，密度ρ ＝1950 kg/m3，內摩擦角φ＝22.5°，剪切模量G＝30 MPa；第②層黃土：土體體積模量Κ＝65 MPa，內聚力c＝18.23 kPa，密度ρ＝1960 kg/m3，內摩擦角φ＝20°，剪切模量G＝30 MPa。模擬管道鋼材為X70，彈性模量E＝210 GPa，泊松比μ＝0.3，密度ρ ＝7.98×103 kg/m3，最小屈服強度σ s＝4.85×108 Pa，運行壓力P＝10 MPa，管道規格Φ＝1016 mm×28 mm。通過Rhino軟件，采用完全耦合的方式建立雙地層的埋地管道三維地質模型，整體模型長度400 m左右，寬度300 m左右，在管道位置處進行局部加密，并實現網格大小的平穩過渡。由Griddle工具生成FLAC 3D網格，導入FLAC 3D設置單元屬性、邊界條件以及根據實際情況設置位移監測點進行數據監測。通過數值求解計算，得到了滑坡發育過程中的土體變形以及管道力學響應。三維地質災害模型如圖 1、圖 2所示。

2 模擬結果分析

2.1 滑坡變形分析

FLAC 3D數值模擬滑坡發育過程，在管道應力接近管材屈服應力時停止計算，得到滑坡整體位移以及位移監測點的數據變化如圖 3、圖 4所示。滑坡整體縱向位移呈現坡度大、位移大的基本規律。由于該滑坡上半部分坡度最大，故最大位移位于滑坡體上半部分，在管道局部應力接近屈服極限時，滑坡體最大縱向位移下降可達8.65 m左右。在該滑坡中部位置，由于地下輸氣管道的存在，阻礙了滑坡土體的下滑，上部下滑土體在此發生堆積，該位置土體出現了隆起，地表縱向位移最大增加2.2 m左右，與此同時，管道也因此發生變形，管道應力迅速增加。該滑坡區域布置的三處縱向位移監測點都位于管道上部，在滑坡發育過程中，監測數據都先顯著減小，然后略微反彈，維持一段平穩狀態，然后監測位移迅速下降；在三處位移監測點中，粉色監測點維持平穩狀態最久，中間紅色監測點后期縱向位移變化最劇烈。因此在工程實際中，當三處監測點的位移迅速降低時，需要密切關注管道安全狀況，對該處滑坡管道采取緊急防護措施，防止管道發生損壞。

2.2 管道力學響應

埋地管道在滑坡發育過程中的變形以及應力響應如圖 5、圖 6所示。從管道接近屈服應力時的管道變形圖可知，在該滑坡發育過程中，穿過滑坡體的管道中間部位整體變形較為明顯，并且在其中的一些部位出現明顯應變，應變甚至達到0.1 m左右。此外，管道整體變形情況呈現非均一性，與直管道的拋物線形分布具有明顯差別，這是因為實際工程管道走向復雜，管土相互作用也十分復雜，對于不同的滑坡都要具體問題具體分析，很難一概而論。模擬過程中，在管道接近最小屈服應力σs＝485 MPa 時停止求解計算，管道整體應力處于250 MPa附近，但是管道局部最大應力達到451 MPa左右，經查找，管道最大應力集中于滑坡邊界以及土層交界附近，但并不直接位于邊界上，同樣也需要針對具體滑坡災害建立模型確定，不能一概而論。根據該滑坡模擬結果，可以得到滑坡發育過程中的位移監測點變化情況以及可能存在的管道損壞準確位置，為該處管道地質災害的防控提供重要數據參考，可大大降低災害治理的人力物力成本。

3 結論

提出了一種基于Rhino三維建模軟件建立的管道地質災害模型，實現了復雜地形下三維管道地質災害的相對快速數值模擬，能夠為地質災害下的管道安全防控提供有力的技術支撐。通過實際工程滑坡案例模擬，得到了該地質災害發育下埋地管道的應力集中準確位置，這便于現場人員采取針對性的治理措施來保證管道的運行安全，減少人力物力的投入。此外還發現，在管道滑坡地質災害中，管道在穿越地層分界以及滑坡邊界附近由于位移不均，更容易導致管道產生應力集中，是應力監測以及管道應力安全校核重點位置，但是該位置并不嚴格位于邊界處，確定具體位置還得根據災害區建立模型開展數值模擬計算分析。

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基金項目：國家重大研發計劃資助項目“油氣管道及儲運設施安全風險評價技術研究”， 2016YFC0802104。

作者簡介：劉鵬， 1995年生，在讀博士生， 2018年畢業于中國石油大學（華東）油氣儲運工程專業獲得學士學位，現主要從事天然氣管道安全研究工作。聯系方式： 17854227668，b18060022@s.upc.edu.cn。

通訊作者：李玉星，男，1970年生，教授，博士生導師， 1997 年博士畢業于中國石油大學（北京）油氣儲運專業，現主要從事油氣長距離管輸技術方向的研究工作。聯系方式： 0532-86981818， liyx@upc.edu.cn。