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(shí)現管道安全運行難度較大，開(kāi)展滑坡地質(zhì)災害監測預警技術(shù)研究尤為必要。以川氣東送管道某典型滑坡為例，布設專(zhuān)業(yè)監測設備，開(kāi)展位移、降雨、管道應變等要素監測，實(shí)現變形、應變等多元數據的自動(dòng)化獲取與數據傳輸。通過(guò)滑坡動(dòng)態(tài)變形和管道安全狀態(tài)聯(lián)合監測，根據滑坡的變形位移切線(xiàn)角和管道屈服應力臨界破壞標準，建立管道滑坡災害預警模型，為管道的安全運營(yíng)提供保障。

關(guān)鍵詞：油氣管道；滑坡災害；臨界破壞標準；監測預警

 

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

1 管道滑坡災害監測預警技術(shù)

滑坡變形—管道安全性能聯(lián)合監測預警技術(shù)包括現場(chǎng)監測、數據獲取和傳輸、數據分析。

監測指標包括雨量、位移、土壓力、水壓力等。數據采集大多以小時(shí)為間隔，部分以半小時(shí)或更短時(shí)間為間隔。聯(lián)合監測系統如圖 1所示，包括降雨等影響因素監測、滑坡位移監測、管道應變監測。

自動(dòng)雨量站監測設備終端配置避雷系統、電源系統、通信系統以及雨量傳感器，自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)控制和雙向傳輸雨情信息，可設定采樣間隔、采集頻率。設備采用雙信道設置，用一備一，在異地中心站能夠遙控設置設備參數、改變路徑、讀取數據等。

地表位移數據監測，包括測量、采集、控制、傳輸等環(huán)節，當監測點(diǎn)位移發(fā)生變化或設定定時(shí)采集數據時(shí)，設備控制指令啟動(dòng)測量，測量結果通過(guò)集成采集，經(jīng)傳輸模塊發(fā)射至數據接收處，數據接收端接收數據入庫。

管道本體應變監測，通過(guò)光柵光纖式應變計監測 管道外表面的微小應變，主要關(guān)注管體軸向應變。在管體每一截面安裝三個(gè)應變監測計，繞管道截面均勻布設在12點(diǎn)、 3點(diǎn)、 9點(diǎn)鐘位置（圖 2）。

2 管道滑坡災害預警標準研究

2.1 管道應力預警標準

實(shí)時(shí)監測某個(gè)管道斷面的實(shí)際應力（應變）狀態(tài)，與管材屈服強度相比，從而確定管道應力超限預警標準。

按照管道強度校核規范，埋地管道的軸向應力合計和組合當量應力不應大于管材最低屈服強度的0.9倍。

拉應力最大值：

壓應力最大值：

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

根據實(shí)時(shí)監測應變數據，計算得到的管道附加應力分別達到管材許用應力的不同比例時(shí)，分別對應不同預警級別。

提示級，管體附加應力達許用應力的 30～50％，發(fā)布藍色信號。

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

警示級，管體附加應力達許用應力的70～90％，發(fā)布橙色預警。

警報級，管體附加應力超過(guò)許用應力的90％，發(fā)布紅色預警。

2.2 滑坡變形預警閾值

采用切線(xiàn)角方法，將滑坡位移（S-t）曲線(xiàn)采用等速變形速率轉換為統一量綱T-t曲線(xiàn)[5]。

式中， ∆Si 為某一觀(guān)測時(shí)間段內滑坡表面位移變形量， ν為等速變形速率， Ti 為轉換后與時(shí)間相同量綱的縱坐標值。以此滑坡變形閾值統一分析判斷變形速率。

2.3 監測預警標準

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

3 監測預警實(shí)例及應用

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(shù)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；下部為田地，坡度約10～15度，土壤含水率較大，部分管段周?chē)�土體接近飽和狀態(tài)。坡體前緣較遠處有溪流常年有水，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(shù)木，無(wú)沖刷痕跡（圖 3）。附近300米內無(wú) 居民住宅。管道穿過(guò)坡體前緣，與坡體呈正交，管道沿線(xiàn)地形起伏，中間高兩側低，中間部位無(wú)滑動(dòng)可能。管道管徑559毫米，埋深約1.5米。

3.2 滑坡體現場(chǎng)監測

地質(zhì)災害風(fēng)險等級較高，發(fā)生災害的可能性較大。地質(zhì)風(fēng)險專(zhuān)業(yè)監測點(diǎn)應選擇典型滑坡地質(zhì)災害風(fēng)險等級較高的區域；交通相對便利，便于運送安裝儀器設備，方便看護設備，不易被破壞；附近有自動(dòng)遙測雨量站，能實(shí)時(shí)監測雨量；附近地形地貌適于管道土體開(kāi)挖和儀器設備安裝調試。該典型滑坡體現場(chǎng)實(shí)時(shí)監測如圖 4所示。

現場(chǎng)設備采集監測數據后，通過(guò)數據發(fā)射模塊無(wú)線(xiàn)傳輸至服務(wù)器并存儲至數據庫。

3.3 監測預警標準的確定

滑 坡 區 域 管 道 為 X 7 0 級 ， 最 小 抗 拉 強 度485 MPa，管材許用應力按最小抗拉強度的0.9倍計為436.5 MPa。計算該典型滑坡體對管道應力臨界破壞標準分別對應監測預警級別。

提示級，管體附加應力達130～218 MPa，發(fā)布藍色信號。

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

警示級，管體附加應力達306～390 MPa，發(fā)布橙色預警。

警報級，管體附加應力超過(guò)390 MPa，發(fā)布紅色預警。

4 監測數據分析

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，依據滑坡累計位移－時(shí)間曲線(xiàn)切線(xiàn)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2019年6月滑坡災害監測數據（圖 5），可得出：①隨著(zhù)降雨量的增大，管道所受應力有所增強，是由于降雨使得滑坡體含水量增加，加大了滑坡推力。②管道應力變化相對平穩，應力水平遠低于臨界應力值，滑坡地表位移監測數據也同時(shí)印證管道處于安全狀態(tài)。

5 結論

（1）布設監測設備開(kāi)展自動(dòng)化監測與數據分析，實(shí)現了滑坡變形—管道安全狀態(tài)的聯(lián)合監測。

（2）確定了管道滑坡災害預警標準，為滑坡地質(zhì)災害條件下管道的分級預警提供了數據支撐。

 

參考文獻：

[1] 趙忠剛，姚安林，趙學(xué)芬，等. 長(cháng)輸管道地質(zhì)災害的類(lèi)型、防控措施和預測方法[J]. 石油工程建設， 2006， (01)： 7-12.

[2] 張光華. 川氣出川管道工程地質(zhì)災害芻議[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2007， 34(05)： 81-84

[3] 董紹華，楊祖佩. 全球輸氣管道完整性技術(shù)與管理的最新進(jìn)展—中國管道完整性管理的發(fā)展對策[J]. 油氣儲運， 2007， 26(02)： 8-24.

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

[5] 許強，曾裕平，錢(qián)江澎，等.一種改進(jìn)的切線(xiàn)角及對應的滑坡預警判據[J]. 地質(zhì)通報， 2009，28(04)： 501-506.

 

作者：石曉櫳，男， 1988年生，工程師，現主要從事管道管理及地災防治工作。