鄭磊 鄧豐林 馬燁 劉偉 張婷

國家管網(wǎng)集團西南管道公司蘭州輸油氣分公司

摘  要：為實現(xiàn)管道地質(zhì)災害預防性監(jiān)測與預警，從管道沿線地域環(huán)境出發(fā)，探討了地質(zhì)災害主要影響因素及致災形式、管道受災后的漸變特征和管道失效力學判據(jù)，提出地質(zhì)災害風險監(jiān)測與預警在理論及技術上的可行性。選址布設管道地質(zhì)災害監(jiān)測預警網(wǎng)，經(jīng)實際應用表明，能夠監(jiān)測管道應力應變以及管道周邊地層蠕變情況，為管道地質(zhì)災害風險的前期監(jiān)測與預警提供了可能。

關鍵詞：油氣管道；地質(zhì)災害； 滑坡；力學判據(jù)； 預防性監(jiān)測預警

隨著油氣管道里程的逐年增加，沿線人類工程活動擾動和自然環(huán)境突發(fā)事件的頻繁發(fā)生，管道地質(zhì)災害已呈多發(fā)態(tài)勢，管道運行安全與沿線地質(zhì)災害頻發(fā)之間的矛盾日益凸顯，近年來，國內(nèi)發(fā)生多起由于山體滑坡造成的管道損毀事件。西南山區(qū)管道沿線地質(zhì)、地貌和水文條件復雜，崩塌、泥石流、水毀、黃土陷穴、不穩(wěn)定斜坡等地質(zhì)災害較為活躍，尤其不穩(wěn)定斜坡出現(xiàn)滑坡的災害風險較高，對管道安全運營威脅較大。為了管控地災風險、確保管道安全，建設地質(zhì)災害風險監(jiān)測預警體系勢在必行。

1 管道地質(zhì)災害及監(jiān)測預警原理

1.1 主要地質(zhì)災害及致災形式

管道地質(zhì)災害主要影響因素有地質(zhì)因素、氣象條件、人類工程活動、風化侵蝕及地震等。

常見地質(zhì)災害主要包括滑坡和水毀，前者會造成管道剪切破壞、拉伸破壞和壓覆破壞；后者會使管道外露、懸空、漂管以及導致水工設施破壞等。

1.2 地質(zhì)災害的漸變特征

延緩發(fā)育性管道地質(zhì)災害具有明顯的“因果型災害鏈”，只要能夠掌握致災體與承災體之間的因果聯(lián)系，就有可能及時預警，提前采取治理措施。圖 1以致災體與承災體之間的關系，描述了管道地質(zhì)災害發(fā)生的演變過程。

管道地質(zhì)災害的發(fā)生是由于致災體的變形、失穩(wěn)而導致的管道應力集中和管體變形，最終管體應變超出許用范圍，使得管道發(fā)生彎曲變形、管體失效。由于管道力學分析模型理論相對較為完善，只要建立了合理的管道力學模型，摸清管道變形、失效的臨界應力應變數(shù)據(jù)，便可準確定量描述災害條件下管道的臨災力學狀態(tài)，進而為管道災害的預警預報提供可能性。

1.3 管道應力判據(jù)

管道受外界荷載時，管體自身應力隨之增加，管道變形處于彈性區(qū)間時，受約束管道的強度應同 時滿足兩個條件。一是管道軸向應力之和不高于0.8σs（σ s為管道標準屈服強度）；二是當管道軸向應力之和為負值時，管道組合當量應力不高于0.9σs。應力滿足這兩個指標，管道不會發(fā)生應力集中破壞。

2 預防性監(jiān)測預警網(wǎng)布設

2.1 布設基本原則

（1）以承災體管道管體的應力應變監(jiān)測為主，致災體地表位移、雨量監(jiān)測為輔，綜合判斷管道地質(zhì)災害的發(fā)生及災害情況。

（2）實現(xiàn)災前預警，以較小代價或者零代價換取管道長久安全，使災害治理成本降到最低。

（3）實現(xiàn)管道地質(zhì)災害長時間、全方位監(jiān)測，避免短期監(jiān)測不連續(xù)和單一性缺陷。

2.2 布設案例

2019年，在甘肅境內(nèi)管道風險較高的不穩(wěn)定斜坡區(qū)域?qū)嵉乜辈旌螅�在蘭成渝管道K004+400米段選址安裝了地表位移、應力應變、雨量檢測三類自動化監(jiān)控設備。結(jié)合管道地質(zhì)災害普查對監(jiān)測工作進行現(xiàn)場踏勘和復核，對該處高風險不穩(wěn)定斜坡開展實時監(jiān)測。

2.2.1 工程概況及區(qū)域穩(wěn)定性評價

蘭成渝管道K004+400米管段斜穿7米寬溝道，以大開挖方式通過溝道右岸斜坡進入斜坡上側(cè)，斜坡坡度約45°～60°，斜坡高60米。管道上坡后沿斜坡橫向鋪設，鋪設長度約150米，距離斜坡邊沿距離約5米。管道穿越的河道為排洪溝，四周山體雨水匯集后通過該河道進行排洪，下雨時河道內(nèi)水流較大。此外，在管道通過高速公路的兩個橋墩處，暴雨時容易發(fā)生回流，會沖刷溝底，可能引起邊坡失穩(wěn)誘發(fā)滑坡，危及在斜坡上方橫向鋪設的管道安全。

2.2.2 監(jiān)測方案及監(jiān)測點布置

（1）斜坡體地表位移監(jiān)測方案。在管道通過沖溝兩側(cè)斜坡段布置地表位移監(jiān)測點GNSS（GlobalNavigation Satellite System，全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)），對監(jiān)測點的水平方向和垂直方向的位移開展自動測量。通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將同一時刻的GNSS基準站及GNSS監(jiān)測站的原始觀測數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，由專業(yè)變形監(jiān)測軟件對數(shù)據(jù)進行自動解算處理，得到監(jiān)測點實時的毫米級坐標值。

（2）管道應變監(jiān)測方案。在管道本體潛在剪切處、管道轉(zhuǎn)角應力集中處采用應變計對管道的變形進行監(jiān)測。

（3）雨量監(jiān)測方案。應用雨量計對斜坡監(jiān)測區(qū)域的降雨情況進行自動化監(jiān)測。通過實時采集區(qū)域降水量，為綜合分析斜坡體變形發(fā)展趨勢，提供數(shù)據(jù)支撐。

（4）監(jiān)測點布置。在存在形變斜坡坡腳上方、坡頂各設置1個管道應變監(jiān)測站，共布設2個（圖 2）。在坡頂沿斜坡方向布設2座GNSS監(jiān)測站，在坡體外穩(wěn)定區(qū)域布置1座地表位移基準站和1個雨量自動監(jiān)測站，構(gòu)成1條監(jiān)測剖面（圖 3）。

2.2.3 系統(tǒng)組成及監(jiān)測頻率

蘭成渝管道K004+400米段自動監(jiān)測系統(tǒng)主要組成設備清單如表 1所示。報警狀態(tài)分別為正常級、關注級、警示級、警報級，自動監(jiān)測頻率依次為4.0次/h、2.0次/h、 1.0次/h、 0.5次/h。

2.2.4 數(shù)據(jù)傳輸及預警閾值

所 有 監(jiān) 測 數(shù) 據(jù) 均 采 用 無 線 傳 輸 方 式 ， 利 用GPRS/4G網(wǎng)絡作為主信道進行實時數(shù)據(jù)傳輸；同時將北斗衛(wèi)星通信作為備用信道。所有原始數(shù)據(jù)直接上傳 指定服務器，通過部署于服務器上的軟件進行數(shù)據(jù)解算。自動監(jiān)測初始閾值設置參照表 2。

2.3 數(shù)據(jù)采集情況

目前，已在蘭成渝管道、蘭成管道、蘭鄭長管道干線和支線管道災害高風險區(qū)域共布設17處預防性監(jiān)測點，每處監(jiān)測點均包括管道應力應變監(jiān)測、地表位移監(jiān)測及降雨量監(jiān)測等，初步形成甘肅區(qū)域管道地質(zhì)災害預防性監(jiān)測預警網(wǎng)。監(jiān)測到關注級預警20多次，成功消除各類中、小型地質(zhì)災害隱患30多處，預先避免了管道地質(zhì)災害的惡化及發(fā)生。

3 效果評價

（1）準確監(jiān)測預警。預防性監(jiān)測預警網(wǎng)能準確監(jiān)測管道地質(zhì)災害隱患點，發(fā)出預警，提前預防及治理，為管道完整性管理奠定了良好的基礎。

（2）提供原始數(shù)據(jù)。通過不間斷監(jiān)測，積累了大量原始數(shù)據(jù)，包括管道地質(zhì)災害點的變形過程、應力集中趨勢、應變變化大小，以及管道地質(zhì)災害成型的主要原因等。對后期管道地質(zhì)災害治理提供了不可或缺的數(shù)據(jù)支撐，節(jié)約災害治理費用。

（3）評價治理效果。通過監(jiān)測預警網(wǎng)收集的數(shù)據(jù)，對比災害治理前、治理后的數(shù)據(jù)，有效度量治理效果，檢驗治理效果是否達到預期目的，為今后災害治理工程的設計和方案比選、監(jiān)護、維修、檢測等提供依據(jù)。

作者簡介：鄭磊， 1982年生，工程師，畢業(yè)于西安交通大學機械工程及自動化專業(yè)，從事油氣管道的陰極保護、水毀及地災防治、完整性管理等工作。聯(lián)系方式： 13519445269，308365099@qq.com。