韓桂武1 邱光友2 熊健1 王麒1

1.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司；2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道公司

摘要：高填方地區(qū)由于土質(zhì)邊坡不穩(wěn)、土層不均勻沉降等問(wèn)題，極易影響敷設(shè)管道的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致管道失效。以西南某管道高填方地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)為例，針對(duì)地形地貌特點(diǎn)，首先對(duì)周圍土體滑坡可能性進(jìn)行了預(yù)判，其次根據(jù)土層物理特性和管道現(xiàn)狀對(duì)可能發(fā)生管道不均勻沉降的管道最大位移值和最大應(yīng)力值分別進(jìn)行了計(jì)算和校核，判定管道在高填方土層敷設(shè)中處于安全運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，提出了管道回填和持續(xù)監(jiān)測(cè)建議。

關(guān)鍵詞：油氣管道；并行敷設(shè)管道；地層沉降；高填方區(qū)；應(yīng)力分析

西南某油氣長(zhǎng)輸管道并行敷設(shè)于云南瑞麗某水果批發(fā)市場(chǎng)內(nèi)，屬于Ⅱ級(jí)高后果區(qū)。2021年在管道環(huán)焊縫開(kāi)挖檢測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該處管道埋深超過(guò)10 m以上，存在管道上方荷載過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)（圖 1）。為保證管道運(yùn)行安全，隨即進(jìn)行了管道穩(wěn)定性校核。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，油氣管道同溝敷設(shè)間距約為6 m，管道覆土厚度12 m～15 m，分兩級(jí)開(kāi)挖，土體為粉質(zhì)黏土。其中一條輸氣管道管徑1016 mm，壁厚15.3 mm，輸送壓力6.4 MPa，溫差變化28.1℃，管道材質(zhì)X80。

該管道本次環(huán)焊縫檢測(cè)合格。由于管道處于地勢(shì)較高處，不存在積水風(fēng)險(xiǎn)，周圍無(wú)邊坡或地質(zhì)滑坡體等其他地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)此判斷發(fā)生地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的可能性不大，主要存在的風(fēng)險(xiǎn)為覆土高填方風(fēng)險(xiǎn)。

1  管道徑向穩(wěn)定性校核

GB 50251―2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》根據(jù)經(jīng)典土壓力計(jì)算理論，將管頂土荷載按照垂直土柱的重力進(jìn)行計(jì)算，豎向土層壓力等于管頂上土柱的全部重力值，未考慮土壤的內(nèi)摩擦力，主要適用于淺埋管道的穩(wěn)定性校核。如果通過(guò)了校核，說(shuō)明管道徑向穩(wěn)定性在保守條件下符合要求。如未通過(guò)校核，則應(yīng)采用基于極限平衡理論的土柱滑動(dòng)面模型（馬斯頓模型），更接近實(shí)際管土狀態(tài)再次進(jìn)行驗(yàn)算。

式中：γ為土層重度，N/m3；B為溝槽寬度，m；W0為單位管長(zhǎng)的豎向永久荷載，N/m；Cd為土壓力集中系數(shù)；D為管徑，m；H為管頂覆土厚度，m；Kf為土壤吸附作用強(qiáng)度系數(shù)，砂土及腐殖土（干燥）0.192，砂土、腐殖土（濕的和飽和的硬黏土）0.165，塑性黏土0.148，流動(dòng)性黏土0.132。表 1取砂土及腐殖土（干燥）Kf為0.192進(jìn)行計(jì)算。

通過(guò)馬斯頓模型計(jì)算可知，在各種敷設(shè)條件下，管道最大變形值為2.01%，小于規(guī)范 3%變形允許值，管道徑向穩(wěn)定性滿足安全要求。

2  不均勻沉降的管道安全校核

2.1  土體不均勻沉降值

由于管道下部欠固結(jié)土的不均勻沉降，將引起其中敷設(shè)管道的受力不均。對(duì)于填方4 m（H1）和14 m（H2）的土體，其沉降值有明顯差異，如表 2所示。本文采用有限元計(jì)算方法（圖 2），計(jì)算不同高度回填土的土體沉降值和由此產(chǎn)生的管道附加應(yīng)力值。

表 2 不同高度填方的輸氣管道應(yīng)力結(jié)果對(duì)比

2.2  管土作用參數(shù)

GB/T 50470―2017《 油氣輸送管道線路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄E “通過(guò)活動(dòng)斷層埋地管道有限元方法的彈簧參數(shù)”規(guī)定，根據(jù)土體的特性確定土彈簧具體參數(shù)，按照管道軸向、水平側(cè)向和豎向三個(gè)方向考慮土體與管道的相互關(guān)系，表 3列出土彈簧極限位移和對(duì)應(yīng)的土作用力值。

表 3 粉質(zhì)黏土三向土彈簧參數(shù)表

2.3  管道應(yīng)力分析

本次校核范圍為QAA108樁—QAA109-1樁段管道，如圖 3所示，據(jù)此建立管道有限元模型，并將不同管道節(jié)點(diǎn)的差異性沉降值作為位移荷載施加到土彈簧上。

根據(jù)有限元應(yīng)變計(jì)算結(jié)果，得到不同高度填方的管道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處地表沉降值，如表 4所示。

計(jì)算得到土體固結(jié)之后（5年后）管道位移分布和應(yīng)力分布如圖 4、圖 5所示。

2.4  計(jì)算結(jié)果

高填方區(qū)管道除了受內(nèi)壓、溫差、走向變化影響外，同時(shí)受土體不均勻沉降的作用；輸氣管道最大位移范圍為0.04 m～0.17 m，最大應(yīng)力點(diǎn)組合應(yīng)力值為254 MPa（圖 5），最大組合應(yīng)力雖略有增高，但遠(yuǎn)小于X80鋼管材質(zhì)允許極限應(yīng)力值（499.5 MPa），可判定管道運(yùn)營(yíng)處于安全狀態(tài)。

3  結(jié)論

本文通過(guò)有限元計(jì)算方法，對(duì)高填方區(qū)油氣管道安全性進(jìn)行了校核。計(jì)算結(jié)果表明高填方雖然會(huì)引起土體產(chǎn)生超過(guò)10 cm以上的不均勻沉降，但管道仍然有很大的應(yīng)力余量，仍處于安全運(yùn)行狀態(tài)。本案例對(duì)于平整場(chǎng)區(qū)的高填方管道安全性判定具有借鑒意義。但對(duì)于高填方管道同時(shí)處于不穩(wěn)定邊坡等特殊地災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的工況，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行針對(duì)性分析。

作者簡(jiǎn)介：韓桂武，1977年生，工學(xué)博士，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事管道應(yīng)力分析及巖土工程、地下儲(chǔ)油庫(kù)工程設(shè)計(jì)及研究工作。聯(lián)系方式：15081677911，hanguiwu@cnpc.com.cn。