余東亮1 李虎2 楊霞3 方迎潮1
1.國家管網集團西南管道公司技術中心； 2.四川省地質工程勘察院集團有限公司；3.四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責任公司 

摘要：穿越滑坡區埋地管道的安全運行及預警問題一直是管道行業關注的重點與難點。以實際監測數據為基礎，引入切線角理論，分別構建了管道力學多級預警模型和滑坡形變多級預警模型，并以管道預警為主，滑坡形變預警為輔，形成了綜合預警模型。某穿越滑坡區管道的預警案例分析結果表明，綜合預警模型能在一定程度上對穿越滑坡的管道做出合理的預警，為管道的安全運行提供保障。

關鍵詞：油氣管道；滑坡；切線角；預警模型； 預警級別

西南山區地形起伏大、地質條件復雜，管道長距離敷設過程中不可避免地穿越大量的滑坡區域，安全運行壓力大。及早感知、及時預警管道滑坡，對采取有效措施減少滑坡對管道的影響尤為重要。近年來，不少學者結合降雨量、水位線、含水量等因子提出了一系列的神經網絡模型[1-3]。滑坡災害的預警預報主要集中在災害本體預警模型的構建上，對于穿越滑坡區管道的預警預報則相對較少，且大多研究基于理論分析，少有基于實際監測數據對滑坡和管道同時進行監測分析并建立相應的預警模型。本文將管道力學預警預報模型與滑坡本體預警模型結合，提出基于監測數據的穿越滑坡區埋地管道的預警預報模型，為穿越滑坡區油氣管道的安全運營提供技術保障。

1  管道沿線地質災害監測與預警平臺

西南管道公司在滑坡體災害監測和管道應力應變監測的基礎上開發了管道沿線地質災害監測與預警平臺，實現對監測數據的實時采集，分析地質災害發展，評估管道的安全狀態，并針對不同的預警結果提出相應的響應機制，以及預測未來一段時間的發展趨勢，為管道管理各部門及時提供監測數據及評估結果，提升對沿線地質災害風險的管控能力。

2  穿越滑坡區油氣管道預警模型

滑坡體是誘發管道變形的主要因素之一。因此，以管道力學變化為主，以滑坡體變形為輔，建立綜合考慮監測值和監測值切線角指標的綜合模型，解決以往注重滑坡監測輕管道監測的弊端。

2.1  管道力學多級預警模型

Q/SY 1673―2014《油氣管道滑坡災害監測規范》對管道附加應力的預警準則規定，當管道附加應力σ超過允許附加應力σs    的30%、60%、90%時分別發布藍色預警、黃色預警和紅色預警。

管道在受滑坡推力作用時，管道的變形隨滑坡的變形而協同變形。在此基礎上引入切線角理論[4]，即將監測得到的應力值或位移值的勻速變化階段的速度作為基礎速度v，用應力值或位移值除以基礎速度將應力值或位移值轉換為時間T的量綱，如式（1），使得原應力值或位移值與應變的監測時間 t 的關系轉化為時間T與檢測時間 t 的關系，最后求取T- t 的切線角關系，如式（2）。

式中：σ( i )為勻速變形某一單位時間段（一般采用一個監測周期，如1天、1周等）內管道應力增長量，MPa；v為勻速變形階段的應力變化速率，MPa/周期；T( i )為變換后與時間相同量綱的縱坐標值；αi為改進的切線角，°；ti為某一監測時刻；Δt為時間段；ΔT為Δt時間段內T( i )的變化量。

根據文獻[5]，滑坡在初始變形階段時，切線角為小于45°，到等速變形階段，切線角約等于45°，這兩種變形狀態下管道都處于相對安全的狀態，預警為綠色級；滑坡初加速階段時，切線角大于45°，報藍色級預警；中加速階段時，切線角變化約為80°到85°，報黃色預警；當切線角大于85°時報紅色預警。考慮到管道應力變化時管道的安全性，將管道預警附加應力與切線角預警級別相結合，以最不利原則作為管道力學預警模型的最終級別，如表 1所示。

表 1 管道力學多級綜合預警等級

2.2  滑坡形變多級預警模型

滑坡監測可能安裝多種不同類型的監測設備，且因每個滑坡具有獨特性，預警判據值需根據監測滑坡點位的具體現場工況綜合提出。本文沿用改進切線角方法求取的滑坡地表位移切線角、深部位移切線角、裂縫切線角以及傾斜量切線角作為每一種監測設備的單指標預警判據，每個判據均包含綠色級、藍色級、黃色級和紅色級，如表 2所示。而滑坡的綜合預警等級的確定采用最不利原則，將多種監測設備所達到的最高預警級別作為滑坡綜合預警等級。

表 2 滑坡形變多級綜合預警模型

2.3  綜合預警模型

穿越滑坡區的埋地管道綜合預警主要對管道的安全隱患及時做出預警預報，以直接反應管道本體特征的管道力學多級預警模型為主，以誘導管道發生變形的滑坡形變多級預警模型為輔構建綜合預警模型，如表 3所示。

表 3 穿越滑坡區埋地管道綜合預警模型

當管道力學和滑坡形變都處于綠色級時，滑坡處于初始階段，管道力學變化較小，綜合預警為正常級。當管道力學行為或滑坡形變特征都達到藍色級，管道應力或滑坡形變都進入到等速變形階段，但管道應力不大（允許附加應力的30%），處于關注級。當管道力學或滑坡形變達到黃色級時，表示滑坡進入初加速階段或管道應力已經達到允許附加應力的60%，此時管道應力較大或滑坡形變變化加快，危險程度增大，為警示級，需采取措施消除風險。為保證人員和管道安全，警示級為危險事件最遲處理階段。當滑坡繼續變形或管道應力持續增加到紅色級時，已經達到允許附加應力的90%，管道隨時可能達到屈服階段，或者滑坡已經達到臨滑階段，此時處于極度危險的狀態，為警報級。

3  實例分析

某滑坡位于甘肅省隴南市，平面形態呈圈椅狀，滑坡后緣以斜坡陡坎為界，兩側邊界以滑動時剪切裂隙為界，前緣剪出口位于黃土沖蝕溝內。滑坡所在坡面地形起伏不大，自然坡度約15°～30°，坡向260°，長35 m，寬55 m，平均滑體厚3.0 m，總體積約6000 m3，屬小型滑坡。管道從滑坡后部穿過，與主滑方向呈50°交角。管道材質為X80，壁厚15.3 mm，管徑1016 mm。現場布設了兩種監測設備，地表位移計布設在滑坡主滑方向的前緣，中段以及后緣，監測周期為半小時一次；管道應變計安裝在滑坡主滑方向左右兩側處，監測周期為一天兩次，如圖 1所示。該點關注級、警示級和警報級地表位移閾值分別設置為200 mm、260 mm和300 mm，管道允許附加應力閾值分別為124 MPa、248 MPa和372 MPa。2020年6月15日，滑坡前緣地表位移切線角達到80°，前緣位移值與切線角處于正常級，管道應力值與應力切線角均處于正常級范圍內，發出警示級預警。

圖 1 滑坡監測布設圖

選取6月上旬到發生預警時間段的地表位移計監測值進行分析（圖 2），經切線角理論改進得到的T- t 曲線與相應的切線角（圖 3），管道應力值曲線（圖 4），轉化得到的T- t 曲線與切線角曲線（圖 5）。

圖 2 地表位移監測值

圖 3 地表位移T-t曲線與切線角曲線

圖 4 管道附加應力監測值

圖 5 管道附加應力T-t曲線與切線角曲線

由圖 2和圖 3可知，地表位移值在50 mm左右波動， 6月14日時突然從47.89 mm增加到56.45 mm，未達到所設置的預警級別，屬于正常級，但其對應的T- t 曲線也在此時隨之增長，切線角此時達到81.2°，符合滑坡切線角預警模型警示級級別。綜合滑坡形變多級預警模型此時報警示級。

由圖 4和圖 5可知，管道附加應力均在35 MPa～50 MPa之間波動，未超過設置的關注級值124 MPa，管道附加應力預警屬于正常級。由于所選取的時間較長，管道應力增長緩慢，切線角在監測周期內成小范圍內波動，但波動范圍均未超過45°，管道附加應力切線角預警級別仍屬于正常級。綜合管道多級預警模型，管道應力處于正常級范圍內。

綜合管道多級預警結果與滑坡形變多級預警結果，結合表 3，6月14日對該點報警示級預警。經實勘，現場局部出現滑移沉降，在滑坡前緣較為明顯。坡體出現裂縫，后緣出現下錯開裂，如圖 6所示。案例證明，運用綜合預警模型在一定程度上能預警埋地管道滑坡災害的發生，為管道安全運營及時提供決策參考信息，減輕災害影響，降低經濟損失。

圖 6 滑坡前緣地表下錯

4  結論

以管道應力應變監測和滑坡形變監測等多種監測手段為基礎，根據監測設備回傳的實時數據構建了管道力學多級預警模型和滑坡形變多級預警模型，最終形成穿越滑坡區油氣管道的綜合預警模型并進行現場應用。應用結果表明：

（1）基于實時監測數據的預警模型能在一定程度上對穿越滑坡的埋地管道進行實時預警，為管道的安全提供技術保障，具有較高的實用性和借鑒價值。

（2）針對滑坡采用多種監測設備獲取不同物理參數的監測數據，進行綜合判別能在一定程度上提高預警模型的準確率。

（3）下一步應分析不同監測數據之間的內在關聯性，進一步優化完善預警預報模型。

 

參考文獻： 

[1]唐睿旋，晏鄂川，唐薇.基于粗糙集和BP神經網絡的滑坡易發性評價[J]. 煤田地質與勘探，2017(6)：129-138.

[2]馮非凡，武雪玲，牛瑞卿，等. 粒子群優化BP神經網絡的滑坡敏感性評價[J]. 測繪科學，2017，10(42)：170-175.

[3]李璐，溫宗周，張陽陽，等. 基于RBF神經網絡滑坡災害發生概率預報方法[J]. 西安工程大學學報，2017，4(10)：521-526.

[4]許強，曾裕平，錢江澎，等. 一種改進的切線角及對應的滑坡預警判據[J]. 地質通報，2009，28(04)：501-505.

[5]李巖巖. 天然氣管道滑坡地質災害監測預警技術研究[D]. 成都：西南石油大學. 2017.

 

作者簡介：余東亮，國家管網集團西南管道有限責任公司技術中心副經理，高級工程師，主要從事管道完整性管理方向的研究工作。聯系方式：18030869758， 57730006@qq.com。