石曉櫳

中石化川氣東送天然氣管道有限公司

 

 

摘  要：不良地質(zhì)條件下實現(xiàn)管道安全運(yùn)行難度較大，開展滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究尤為必要。以川氣東送管道某典型滑坡為例，布設(shè)專業(yè)監(jiān)測設(shè)備，開展位移、降雨、管道應(yīng)變等要素監(jiān)測，實現(xiàn)變形、應(yīng)變等多元數(shù)據(jù)的自動化獲取與數(shù)據(jù)傳輸。通過滑坡動態(tài)變形和管道安全狀態(tài)聯(lián)合監(jiān)測，根據(jù)滑坡的變形位移切線角和管道屈服應(yīng)力臨界破壞標(biāo)準(zhǔn)，建立管道滑坡災(zāi)害預(yù)警模型，為管道的安全運(yùn)營提供保障。

關(guān)鍵詞：油氣管道；滑坡災(zāi)害；臨界破壞標(biāo)準(zhǔn)；監(jiān)測預(yù)警

 

我國正處在油氣管道建設(shè)的高峰期，穿越復(fù)雜地質(zhì)條件和特殊地貌的情況日益增多，受地質(zhì)災(zāi)害的影響也愈發(fā)突出，滑坡引發(fā)的管道事故頻頻發(fā)生[1-4]。目前監(jiān)測主要以滑坡的變形監(jiān)測和活動狀態(tài)監(jiān)測為主，不能反映管道的易損性和安全狀態(tài)，有必要開展油氣管道滑坡地質(zhì)災(zāi)害的聯(lián)合監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究。本文選擇川氣東送管道沿線重慶某典型滑坡，研究滑坡作用下管道安全狀態(tài)和風(fēng)險預(yù)警。

1 管道滑坡災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)

滑坡變形—管道安全性能聯(lián)合監(jiān)測預(yù)警技術(shù)包括現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)據(jù)獲取和傳輸、數(shù)據(jù)分析。

監(jiān)測指標(biāo)包括雨量、位移、土壓力、水壓力等。數(shù)據(jù)采集大多以小時為間隔，部分以半小時或更短時間為間隔。聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)如圖 1所示，包括降雨等影響因素監(jiān)測、滑坡位移監(jiān)測、管道應(yīng)變監(jiān)測。

自動雨量站監(jiān)測設(shè)備終端配置避雷系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及雨量傳感器，自動采集、實時控制和雙向傳輸雨情信息，可設(shè)定采樣間隔、采集頻率。設(shè)備采用雙信道設(shè)置，用一備一，在異地中心站能夠遙控設(shè)置設(shè)備參數(shù)、改變路徑、讀取數(shù)據(jù)等。

地表位移數(shù)據(jù)監(jiān)測，包括測量、采集、控制、傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)，當(dāng)監(jiān)測點位移發(fā)生變化或設(shè)定定時采集數(shù)據(jù)時，設(shè)備控制指令啟動測量，測量結(jié)果通過集成采集，經(jīng)傳輸模塊發(fā)射至數(shù)據(jù)接收處，數(shù)據(jù)接收端接收數(shù)據(jù)入庫。

管道本體應(yīng)變監(jiān)測，通過光柵光纖式應(yīng)變計監(jiān)測 管道外表面的微小應(yīng)變，主要關(guān)注管體軸向應(yīng)變。在管體每一截面安裝三個應(yīng)變監(jiān)測計，繞管道截面均勻布設(shè)在12點、 3點、 9點鐘位置（圖 2）。

2 管道滑坡災(zāi)害預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)研究

2.1 管道應(yīng)力預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)

實時監(jiān)測某個管道斷面的實際應(yīng)力（應(yīng)變）狀態(tài)，與管材屈服強(qiáng)度相比，從而確定管道應(yīng)力超限預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。

按照管道強(qiáng)度校核規(guī)范，埋地管道的軸向應(yīng)力合計和組合當(dāng)量應(yīng)力不應(yīng)大于管材最低屈服強(qiáng)度的0.9倍。

拉應(yīng)力最大值：

壓應(yīng)力最大值：

其中σh 為管道環(huán)向應(yīng)力， MPa； σt 為管道溫度應(yīng)力， MPa； σp為管道內(nèi)壓應(yīng)力， MPa。

根據(jù)實時監(jiān)測應(yīng)變數(shù)據(jù)，計算得到的管道附加應(yīng)力分別達(dá)到管材許用應(yīng)力的不同比例時，分別對應(yīng)不同預(yù)警級別。

提示級，管體附加應(yīng)力達(dá)許用應(yīng)力的 30～50％，發(fā)布藍(lán)色信號。

關(guān)注級，管體附加應(yīng)力達(dá)許用應(yīng)力的 50～70％，發(fā)布黃色信號。

警示級，管體附加應(yīng)力達(dá)許用應(yīng)力的70～90％，發(fā)布橙色預(yù)警。

警報級，管體附加應(yīng)力超過許用應(yīng)力的90％，發(fā)布紅色預(yù)警。

2.2 滑坡變形預(yù)警閾值

采用切線角方法，將滑坡位移（S-t）曲線采用等速變形速率轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一量綱T-t曲線[5]。

式中， ∆Si 為某一觀測時間段內(nèi)滑坡表面位移變形量， ν為等速變形速率， Ti 為轉(zhuǎn)換后與時間相同量綱的縱坐標(biāo)值。以此滑坡變形閾值統(tǒng)一分析判斷變形速率。

2.3 監(jiān)測預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)

將“滑坡變形閾值”和“管道應(yīng)力”兩者組合，構(gòu)建預(yù)警矩陣，建立管道滑坡災(zāi)害預(yù)警模型，分別用綠色、黃色、橙色、紅色表示注意級、警示級、警報級、災(zāi)變級（表 1）。

3 監(jiān)測預(yù)警實例及應(yīng)用

3.1 工程地質(zhì)概況

重慶某典型滑坡上陡下緩，上部有稀疏矮樹植被，坡度約35度，坡面為松散土體，厚度大約10米，有部分坍塌滑坡出現(xiàn)；下部為田地，坡度約10～15度，土壤含水率較大，部分管段周圍土體接近飽和狀態(tài)。坡體前緣較遠(yuǎn)處有溪流常年有水，水位斷面流量寬度約3米，水深約10厘米，洪水期斷面流量較大，兩岸有樹木，無沖刷痕跡（圖 3）。附近300米內(nèi)無 居民住宅。管道穿過坡體前緣，與坡體呈正交，管道沿線地形起伏，中間高兩側(cè)低，中間部位無滑動可能。管道管徑559毫米，埋深約1.5米。

3.2 滑坡體現(xiàn)場監(jiān)測

地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險等級較高，發(fā)生災(zāi)害的可能性較大。地質(zhì)風(fēng)險專業(yè)監(jiān)測點應(yīng)選擇典型滑坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險等級較高的區(qū)域；交通相對便利，便于運(yùn)送安裝儀器設(shè)備，方便看護(hù)設(shè)備，不易被破壞；附近有自動遙測雨量站，能實時監(jiān)測雨量；附近地形地貌適于管道土體開挖和儀器設(shè)備安裝調(diào)試。該典型滑坡體現(xiàn)場實時監(jiān)測如圖 4所示。

現(xiàn)場設(shè)備采集監(jiān)測數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)發(fā)射模塊無線傳輸至服務(wù)器并存儲至數(shù)據(jù)庫。

3.3 監(jiān)測預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)的確定

滑 坡 區(qū) 域 管 道 為 X 7 0 級 ， 最 小 抗 拉 強(qiáng) 度485 MPa，管材許用應(yīng)力按最小抗拉強(qiáng)度的0.9倍計為436.5 MPa。計算該典型滑坡體對管道應(yīng)力臨界破壞標(biāo)準(zhǔn)分別對應(yīng)監(jiān)測預(yù)警級別。

提示級，管體附加應(yīng)力達(dá)130～218 MPa，發(fā)布藍(lán)色信號。

關(guān)注級，管體附加應(yīng)力達(dá)218～306 MPa ，發(fā)布黃色信號。

警示級，管體附加應(yīng)力達(dá)306～390 MPa，發(fā)布橙色預(yù)警。

警報級，管體附加應(yīng)力超過390 MPa，發(fā)布紅色預(yù)警。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

滑坡初始變形階段、勻速變形階段、加速變形階段的變形速率不同，對管道造成的威脅程度各異，依據(jù)滑坡累計位移－時間曲線切線角的大小可識別出滑坡的發(fā)育階段。管道在滑坡變形作用下發(fā)生泄漏，管材都要經(jīng)歷彈性變形、塑性變形直至最終斷裂。

據(jù)2019年6月滑坡災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)（圖 5），可得出：①隨著降雨量的增大，管道所受應(yīng)力有所增強(qiáng)，是由于降雨使得滑坡體含水量增加，加大了滑坡推力。②管道應(yīng)力變化相對平穩(wěn)，應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于臨界應(yīng)力值，滑坡地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)也同時印證管道處于安全狀態(tài)。

5 結(jié)論

（1）布設(shè)監(jiān)測設(shè)備開展自動化監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)了滑坡變形—管道安全狀態(tài)的聯(lián)合監(jiān)測。

（2）確定了管道滑坡災(zāi)害預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，為滑坡地質(zhì)災(zāi)害條件下管道的分級預(yù)警提供了數(shù)據(jù)支撐。

 

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙忠剛，姚安林，趙學(xué)芬，等. 長輸管道地質(zhì)災(zāi)害的類型、防控措施和預(yù)測方法[J]. 石油工程建設(shè)， 2006， (01)： 7-12.

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[4] 周驚慧. 西氣東輸工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估[D]. 天津：天津大學(xué)， 2007.

[5] 許強(qiáng)，曾裕平，錢江澎，等.一種改進(jìn)的切線角及對應(yīng)的滑坡預(yù)警判據(jù)[J]. 地質(zhì)通報， 2009，28(04)： 501-506.

 

作者：石曉櫳，男， 1988年生，工程師，現(xiàn)主要從事管道管理及地災(zāi)防治工作。