余東亮1 李虎2 楊霞3 方迎潮1
1.國家管網(wǎng)集團西南管道公司技術(shù)中心； 2.四川省地質(zhì)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(zé)任公司 

摘要：穿越滑坡區(qū)埋地管道的安全運行及預(yù)警問題一直是管道行業(yè)關(guān)注的重點與難點。以實際監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，引入切線角理論，分別構(gòu)建了管道力學(xué)多級預(yù)警模型和滑坡形變多級預(yù)警模型，并以管道預(yù)警為主，滑坡形變預(yù)警為輔，形成了綜合預(yù)警模型。某穿越滑坡區(qū)管道的預(yù)警案例分析結(jié)果表明，綜合預(yù)警模型能在一定程度上對穿越滑坡的管道做出合理的預(yù)警，為管道的安全運行提供保障。

關(guān)鍵詞：油氣管道；滑坡；切線角；預(yù)警模型； 預(yù)警級別

西南山區(qū)地形起伏大、地質(zhì)條件復(fù)雜，管道長距離敷設(shè)過程中不可避免地穿越大量的滑坡區(qū)域，安全運行壓力大。及早感知、及時預(yù)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(xué)者結(jié)合降雨量、水位線、含水量等因子提出了一系列的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[1-3]。滑坡災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報主要集中在災(zāi)害本體預(yù)警模型的構(gòu)建上，對于穿越滑坡區(qū)管道的預(yù)警預(yù)報則相對較少，且大多研究基于理論分析，少有基于實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對滑坡和管道同時進行監(jiān)測分析并建立相應(yīng)的預(yù)警模型。本文將管道力學(xué)預(yù)警預(yù)報模型與滑坡本體預(yù)警模型結(jié)合，提出基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的穿越滑坡區(qū)埋地管道的預(yù)警預(yù)報模型，為穿越滑坡區(qū)油氣管道的安全運營提供技術(shù)保障。

1  管道沿線地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警平臺

西南管道公司在滑坡體災(zāi)害監(jiān)測和管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測的基礎(chǔ)上開發(fā)了管道沿線地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警平臺，實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集，分析地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展，評估管道的安全狀態(tài)，并針對不同的預(yù)警結(jié)果提出相應(yīng)的響應(yīng)機制，以及預(yù)測未來一段時間的發(fā)展趨勢，為管道管理各部門及時提供監(jiān)測數(shù)據(jù)及評估結(jié)果，提升對沿線地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險的管控能力。

2  穿越滑坡區(qū)油氣管道預(yù)警模型

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

2.1  管道力學(xué)多級預(yù)警模型

Q/SY 1673―2014《油氣管道滑坡災(zāi)害監(jiān)測規(guī)范》對管道附加應(yīng)力的預(yù)警準(zhǔn)則規(guī)定，當(dāng)管道附加應(yīng)力σ超過允許附加應(yīng)力σs    的30%、60%、90%時分別發(fā)布藍(lán)色預(yù)警、黃色預(yù)警和紅色預(yù)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(xié)同變形。在此基礎(chǔ)上引入切線角理論[4]，即將監(jiān)測得到的應(yīng)力值或位移值的勻速變化階段的速度作為基礎(chǔ)速度v，用應(yīng)力值或位移值除以基礎(chǔ)速度將應(yīng)力值或位移值轉(zhuǎn)換為時間T的量綱，如式（1），使得原應(yīng)力值或位移值與應(yīng)變的監(jiān)測時間 t 的關(guān)系轉(zhuǎn)化為時間T與檢測時間 t 的關(guān)系，最后求取T- t 的切線角關(guān)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(jiān)測周期，如1天、1周等）內(nèi)管道應(yīng)力增長量，MPa；v為勻速變形階段的應(yīng)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(biāo)值；αi為改進的切線角，°；ti為某一監(jiān)測時刻；Δt為時間段；ΔT為Δt時間段內(nèi)T( i )的變化量。

根據(jù)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(tài)下管道都處于相對安全的狀態(tài)，預(yù)警為綠色級；滑坡初加速階段時，切線角大于45°，報藍(lán)色級預(yù)警；中加速階段時，切線角變化約為80°到85°，報黃色預(yù)警；當(dāng)切線角大于85°時報紅色預(yù)警。考慮到管道應(yīng)力變化時管道的安全性，將管道預(yù)警附加應(yīng)力與切線角預(yù)警級別相結(jié)合，以最不利原則作為管道力學(xué)預(yù)警模型的最終級別，如表 1所示。

表 1 管道力學(xué)多級綜合預(yù)警等級

2.2  滑坡形變多級預(yù)警模型

滑坡監(jiān)測可能安裝多種不同類型的監(jiān)測設(shè)備，且因每個滑坡具有獨特性，預(yù)警判據(jù)值需根據(jù)監(jiān)測滑坡點位的具體現(xiàn)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(jiān)測設(shè)備的單指標(biāo)預(yù)警判據(jù)，每個判據(jù)均包含綠色級、藍(lán)色級、黃色級和紅色級，如表 2所示。而滑坡的綜合預(yù)警等級的確定采用最不利原則，將多種監(jiān)測設(shè)備所達(dá)到的最高預(yù)警級別作為滑坡綜合預(yù)警等級。

表 2 滑坡形變多級綜合預(yù)警模型

2.3  綜合預(yù)警模型

穿越滑坡區(qū)的埋地管道綜合預(yù)警主要對管道的安全隱患及時做出預(yù)警預(yù)報，以直接反應(yīng)管道本體特征的管道力學(xué)多級預(yù)警模型為主，以誘導(dǎo)管道發(fā)生變形的滑坡形變多級預(yù)警模型為輔構(gòu)建綜合預(yù)警模型，如表 3所示。

表 3 穿越滑坡區(qū)埋地管道綜合預(yù)警模型

當(dāng)管道力學(xué)和滑坡形變都處于綠色級時，滑坡處于初始階段，管道力學(xué)變化較小，綜合預(yù)警為正常級。當(dāng)管道力學(xué)行為或滑坡形變特征都達(dá)到藍(lán)色級，管道應(yīng)力或滑坡形變都進入到等速變形階段，但管道應(yīng)力不大（允許附加應(yīng)力的30%），處于關(guān)注級。當(dāng)管道力學(xué)或滑坡形變達(dá)到黃色級時，表示滑坡進入初加速階段或管道應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到允許附加應(yīng)力的60%，此時管道應(yīng)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(fēng)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(dāng)滑坡繼續(xù)變形或管道應(yīng)力持續(xù)增加到紅色級時，已經(jīng)達(dá)到允許附加應(yīng)力的90%，管道隨時可能達(dá)到屈服階段，或者滑坡已經(jīng)達(dá)到臨滑階段，此時處于極度危險的狀態(tài)，為警報級。

3  實例分析

某滑坡位于甘肅省隴南市，平面形態(tài)呈圈椅狀，滑坡后緣以斜坡陡坎為界，兩側(cè)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(nèi)。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(zhì)為X80，壁厚15.3 mm，管徑1016 mm。現(xiàn)場布設(shè)了兩種監(jiān)測設(shè)備，地表位移計布設(shè)在滑坡主滑方向的前緣，中段以及后緣，監(jiān)測周期為半小時一次；管道應(yīng)變計安裝在滑坡主滑方向左右兩側(cè)處，監(jiān)測周期為一天兩次，如圖 1所示。該點關(guān)注級、警示級和警報級地表位移閾值分別設(shè)置為200 mm、260 mm和300 mm，管道允許附加應(yīng)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(dá)到80°，前緣位移值與切線角處于正常級，管道應(yīng)力值與應(yīng)力切線角均處于正常級范圍內(nèi)，發(fā)出警示級預(yù)警。

圖 1 滑坡監(jiān)測布設(shè)圖

選取6月上旬到發(fā)生預(yù)警時間段的地表位移計監(jiān)測值進行分析（圖 2），經(jīng)切線角理論改進得到的T- t 曲線與相應(yīng)的切線角（圖 3），管道應(yīng)力值曲線（圖 4），轉(zhuǎn)化得到的T- t 曲線與切線角曲線（圖 5）。

圖 2 地表位移監(jiān)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(yīng)力監(jiān)測值

圖 5 管道附加應(yīng)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(dá)到所設(shè)置的預(yù)警級別，屬于正常級，但其對應(yīng)的T- t 曲線也在此時隨之增長，切線角此時達(dá)到81.2°，符合滑坡切線角預(yù)警模型警示級級別。綜合滑坡形變多級預(yù)警模型此時報警示級。

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

綜合管道多級預(yù)警結(jié)果與滑坡形變多級預(yù)警結(jié)果，結(jié)合表 3，6月14日對該點報警示級預(yù)警。經(jīng)實勘，現(xiàn)場局部出現(xiàn)滑移沉降，在滑坡前緣較為明顯。坡體出現(xiàn)裂縫，后緣出現(xiàn)下錯開裂，如圖 6所示。案例證明，運用綜合預(yù)警模型在一定程度上能預(yù)警埋地管道滑坡災(zāi)害的發(fā)生，為管道安全運營及時提供決策參考信息，減輕災(zāi)害影響，降低經(jīng)濟損失。

圖 6 滑坡前緣地表下錯

4  結(jié)論

以管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測和滑坡形變監(jiān)測等多種監(jiān)測手段為基礎(chǔ)，根據(jù)監(jiān)測設(shè)備回傳的實時數(shù)據(jù)構(gòu)建了管道力學(xué)多級預(yù)警模型和滑坡形變多級預(yù)警模型，最終形成穿越滑坡區(qū)油氣管道的綜合預(yù)警模型并進行現(xiàn)場應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明：

（1）基于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)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(yù)警，為管道的安全提供技術(shù)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(jiān)測設(shè)備獲取不同物理參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行綜合判別能在一定程度上提高預(yù)警模型的準(zhǔn)確率。

（3）下一步應(yīng)分析不同監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，進一步優(yōu)化完善預(yù)警預(yù)報模型。

 

參考文獻： 

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作者簡介：余東亮，國家管網(wǎng)集團西南管道有限責(zé)任公司技術(shù)中心副經(jīng)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(lián)系方式：18030869758， 57730006@qq.com。