（工程力学专业论文）地质灾害环境下埋地油气管线安全性研究.pdf

摘要 “西气东输管线、川气东送管线”横跨中国西部数干公里的地质灾害地段，就地质灾 害环境对油气管线的安全影响问题进行深入的研究具有重要的工程意义。论文主要分析 了滑坡、活动断层、地震动载荷等地质灾害环境对埋地油气管线安全性影响，探讨了影 响管道安全性的多种因素，提出了相应的预防措施。具体工作内容包括： 1 以川气东送管线沿线的罗针田边坡为例，分析了管沟开挖前后的边坡稳定性， 提出滑坡治理方案。模拟了山体滑坡发生时，滑坡岩( 土) 体冲刷管道埋土、冲击裸露 管道的过程，结果表明：管道在滑坡体冲刷管道埋土的过程中受力较小，而在滑落块体 直接撞击裸露管道的过程中，受力超过屈服极限，失稳破坏。 在此基础上，研究了滑坡体长度、坡角角度、滑落块体体积、管沟回填土类型、管 道埋深等主要因素对管道破坏的影响。得出管道在滑坡体长度及坡角较小时即发生破 坏，管道应力随滑落块体体积的增大而快速增加，增大管道埋深可以减小管道受冲击作 用的影响，采用粘土填充时，可减小冲击荷载引起的管道变形。 2 现有的关于断层作用下埋地管道稳定性理论和梁模型有限元分析方法都难以分 析管截面发生大变形的情况，例如屈曲变形。因此，论文采用管道壳单元结合土弹簧的 管土耦合模型，分析了活动断层作用下埋地管道的非线性大变形反应。分析表明管道跨 越断层最佳角度为9 0 0 ；大管径、壁厚管道能抵抗更大的断层位移；管道应浅埋并选择 松散的砂性回填土。 3 建立了地震波作用下管土非线性接触动力分析模型，以中国天津( 1 9 7 6 ) 地震 记录中南北向地震波为地震载荷，分析了埋地管道在地震波作用下的力学反应，探讨了 多项因素对管道应力的影响。管道应力随输入地震波幅值的增加而非线性增大，随埋深 的增加而小幅增大，随管土间摩擦角度的增大而增大，随管径的增大和壁厚的增大而减 小。 关键词：埋地管道；活动断层；滑坡；地震波；管道抗震设计 t h es a f e t yo fb u r i e do i l g a sp i p e l i n e u n d e r g e o l o g i c a ld i s a s t e r z h ux i u x i n g ( e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s ) d i r e c t e db yp r o f t o n gx i n g h h aa n dp r o fx u es h i f e n g a b s t r a c t t h eo i la n dg a sp i p e l i n e ss u c ha st h ew e s t - e a s tp i p e l i n ea n dt h es i c h u a n - e a s tp i p e l i n e a r el o c a t e di nt h e t h ew e s t e r nr e g i o no fc h i n aw i t hc o m p l e xg e o l o g i c a le n v i r o n m e t ，w h i c h l e a d st or e c u r r e n tm u l t i p l eg e o h a z a r d s s oi ti si m p o r t a n tt os t u d yt h es a f e t yo fb u r i e do i l g a s p i p e l i n eu n d e rg e o - d i s a s t e r t h ei n f l u e n c eo fl a n d s l i p ，a c t i v ef a u l ta n de a r t h q u a k ew a v eo n t h es a f e t yo fp i p e l i n e ，i n c l u d i n gc o r r e s p o n d i n gm e c h a n i c a lr e s p o n s e si nb u r i e dp i p e l i n ea n d i t se n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yw e r ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h ed e t a i l e dw o r k si n c l u d e ： 1 t h es t a b i l i t yo fl u oz h e n t i a ns l o p ew a ss t u d i e df o r ea n da f t e rt r e n c h i n ge x c a v a t i o n ， a n dp r o p o s e di t ss c h e m et oa v o i dl a n d s l i d e t h ef e mm o d e lo fb u r i e dp i p e l i n ea n dl a n d s l i d e w a sc o n s t r u c t e dt os i m u l a t et h ed y n a m i cr e s p o n s eo fp i p ec a u s e db ym o u n t a i nl a n d s l i d e t h e w h o l ep r o c e s sc a nb er o u g h l yd i v i d e di n t ot w os t r a t e g i cp e r i o d s f i r s t l y , r o c k f a l ls l i d e da n d w a s h e dt h ec o v e r e ds o i lo fp i p e l i n e ，s e c o n d l y , r o c k f a l lf l u s h e dt h ep i p e l i n ed i r e c t l y t h e p i p e l i n er e m a i n e ds t e a d yi nt h ef i r s ts t a g e ，w h i l e i ts u f f e r e db u c k l i n gi nt h es e c o n ds t a g e s o m em a i ni n f l u e n t i a lf a c t o r s ，s u c ha st h el a n d s l i d el e n g t h ，t h el a n d s l i d ea n g l e ，t h ev o l u m eo f r o c k f a l l ，t h es t y l eo fb a c k f i l l ，t h eb u r y i n gd e p t ho fp i p e l i n e ，w e r es t u d i e d ，t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tp i p ew a sd e s t r o y e dw h e nl a n d s l i d el e n g t ha n dl a n d s l i d ea n g l ew a ss m a l l t h e v o l u m eo fr o c k f a l lw a sa n o t h e ri m p o r t a n tf a c t o rt h a tc o n t r o lt h em a x i m u mo fs t r e s si n p i p e l i n e t h el a r g eb u r y i n gd e p t ho fp i p e l i n ec o u l dd e c r e a s et h ei m p a c to fl o a d i n g ，t h u sa s m a l ld e f o r m a t i o nw a sc a u s e di nb u r i e dp i p e l i n ew i t hs a n db a c k f i l l 2 c u r r e n tb e a mt h e o r ya n dd e s i g nm e t h o d sf o rb u r i e dp i p e l i n ec r o s s i n ga na c t i v ef a u l t c o u l d n tb eu s e dt oa n a l y z et h el a r g ed e f o r m a t i o ni nt h ep i p es e c t i o n ，s u c ha sb u c k l l i n g t h e r e f o r eac o u p l e dp i p e l i n g s o i lm o d e l ，c o m b i n e db yc y l i n d r i c a ls h e l le l e m e n tw i t h n o n l i n e a rs p r i n g ，w a ss u g g e s t e di n t h i sp a p e r t h el a r g en o n l i n e a rd e f o r m a t i o no fab u r i e d p i p e l i n eu n d e rf a u l tm o v e m e n ti ss i m u l a t e db ya n s y ss o f t w a r e s o m ei n f l u e n t i a lf a c t o r so n t h es e i s m i cr e s p o n s e so fb u r i e dp i p e l i n ew e r es t u d i e d t h eb e s ta n g l e sb e t w e e np i p e l i n ea n d f a u l ti s9 0 u ，t h es m a l lb u r y i n gd e p t ho fp i p e l i n ei sb e t t e r ，t h el a r g ed i a m e t e r o fp i p e l i n ea n dt h e h i g hr a t i oo fd i a m e t e rt ot h i c k n e s so fp i p ec a nh e l pi tt or e s i s t a n tt ol a r g ef a u l tm o v e m e n t 3 f u r t h e r m o r e ，an o n - l i n e a rc o n t a c te l e m e n tw a si n c o r p o r a t e di n t ot h ef o r e n a m e d c o u p l e dp i p e l i n e s o i l ，t os t u d yt h em e c h a n i c a lb e h a v i o r o fb u r i e dp i p e l i n e u n d e rt h e l a t i t u d i n a le a r t h q u a k ew a v er e c o r d e di nt i a n j i n1 9 4 6 t h es t r e s si np i p e l i n ei n c r e a s e sw i t h i n c r e a s i n ge a r t h q u a k ew a v ea m p l i t u d e ，b u r y i n gd e p t h ，a n dt h ef r i c t i o na n g l eb e t w e e np i p ea n d s o i l 。 k e yw o r d s ：b u r i e dp i p e l i n e ；a c t i v ef a u l t ，l a n d s l i d e ；e a r t h q u a k ew a v e ；a s e i s m a t i cd e s i g ni n p i p e l i n e 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求足的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中困石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：么基丕西乙。 只期：碲月叩r 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：弓装她 指导教师签名：二 日期：a 嘶年夕月哆同 同期。刁年厂月歹，日 中国，( i 油人学( # 东) 硕l j 学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 由于我国幅员辽阔，绝大部分省区都有埋地油气输送管道分布，所以影响管道安全 运行的所有地质灾害种类在我国都有所涉及。地质灾害一般是指由地球内力作用引起的 地壳变形、位移及地表物质运动所产生的有害过程和现象。这里，可按地质灾害的产生 原因将影响管道安全运行的地质灾害划分为3 大类：( 1 ) 地壳内部构造自身起主要作用 的地质灾害，包括地震、地面塌陷( 沉降) 、地裂缝、断裂灾害等；( 2 ) 地壳外部构造 起主要作用的地质灾害，包括滑坡( 塌) 、泥石流与洪水冲蚀、沙埋和风蚀灾害等；( 3 ) 特殊土体所导致的地质灾害，主要是指湿陷性黄土、膨胀土、盐渍土、多年冻土发生变 形引起的灾害等【1 1 。 一旦发牛大规模的地质灾害，管线将受到严重的破损，而且还产生许多次生灾害， 如火灾、爆炸、环境污染等，给国家带来重大损失和人员伤亡，这样的案例在国内外已 有很多。1 9 7 1 年美国圣费尔南多地震，地下煤气管线发生4 5 0 处破坏事故，平均每公 旱2 4 处，其中一条直径0 4 6 m ，长l o k m 的输气钢管线上就有5 2 处损坏，给居民生活 和工业生产带来重大经济损失。1 9 7 6 年唐山地震中，秦京输油管线有4 处破损，流失 原油万余吨，不仅造成了资源的严重浪费，而且污染了大片农田、河流，造成环境被 严重破坏。1 9 9 4 年1 月1 7 日，美国北岭地震中也出现了大量的输油( 气) 管线破裂， 并由此引发了数百起火灾。1 9 9 5 年1 月1 7 日，日本兵库县南部发生地震，因输气管线 破坏漏气而引起了火灾，造成1 0 0 万平方米的建筑物毁于大火【2 】o 目前，国家正在实施西部大开发策略，将建设一批重大的长输管线工程，如西气东 输、川气东送等，这些管线不可避免地跨越众多的地质灾害区，其安全性是工程建设需 要考虑的一个重要问题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 滑坡对埋地管线影响的研究现状状1 3 j 1 4 l 【5 l 虽然人类历史上对滑坡早有记载，但十九世纪以前仅限于灾害记录。随着人类对自 然环境的改造利用日益广泛，滑坡灾害已直接妨碍人类的经济活动，这使得西方国家开 展了对滑坡的研究。在二十世纪前半期，随着工程地质学和土力学的形成和发展，滑坡 研究逐渐进入萌芽阶段。 第一帝绪论 二次大战后，随着世界经济的发展，采矿、水利、交通和建筑等工程的大规模建设， 形成了大规模的矿山边坡、大坝坝肩和水库库岸、铁路和公路的路堑边坡等，1 9 5 9 年法 医l m a l p a s s e t 大坝岩体的崩溃 f 己1 9 6 3 年意大禾t j v a j o n t 大坝库岸滑坡等，使人们清醒地认识 到了坡体破坏力学机理研究的不足一地质灾害的发生不是一个单纯用极限平衡理论就 可以描述的过程。 在我国经济建设中，出现了一系列大型滑坡，它们都难以用常规的静力学观点去认 识。随着岩体力学的发展，为这个问题的解决提供了理论基础，它帮助工程地质学家认 识到了岩体的“可变形性”、变形的“时效性”和岩体结构对这种变形乃至最终破坏可 能起到的控制作用，从而丌始了对地质灾害的形成演变进行“地质过程机制分析”的时 代，促进了边坡研究的系统化和深入。这期间，我国边坡岩体稳定性研究大致经历了三 个阶段。在五十年代主要是从研究铁路滑坡开始的，当时着重滑坡类型的划分：六十年 代，开展了野外大型岩体力学试验，滑坡稳定性计算方法也有了很大的进展；七十年代 以后，开始研究边坡变形破坏机制，在计算方法方面，不仅应用了极限平衡原理，还应 用了弹塑性力学理论，并且随着计算机的发展，广泛采用了有限元法来分析滑坡变形破 坏条件及评价边坡稳定性，基本形成一套比较完整的地质力学学术观点和方法。在研究 滑坡稳定问题上，积累了比较丰富的实践经验。 进入八十年代后，随着现代地质学、数学力学、数理统计及现代计算机技术的广泛 应用，使对坡体从过去的定性分析评价体系上升到了模式机制分析定量评价预测体 系的高度，并在一系列重大工程中获得了成功应用。数值模拟技术有限单元法、边 界单元法和离散单元法在岩土体坡体的分析中得到了广泛应用。用于分析岩土介质的模 型包括了线弹性、弹塑性、粘弹塑性和粘塑性等，其次作为非线性科学支柱的耗散结构 论、突变论和分形理论己开始被引入工程地质中，使地质灾害分析手段与方法取得了长 足进步。 九十年代是系统工程地质学形成和发展时期，也是人们对复杂地质过程和复杂灾害 系统认识上的又一次质的飞跃时期。它有两个标志，一是从八十年代术期丌始，系统科 学的思想被引入复杂地质过程和地质灾害的研究中，人们从系统的结构上认识到，地质 灾害的发生是一个复杂的地学系统内部各子系统相互协调及其与外部系统相互作用的 过程，从而从更深层次上分析地质灾害的形成和发育规律，并逐渐认识了地质灾害的控 制机制与可能的控制途径，从而逐渐形成了“系统工程地质学 和“工程地质系统集成” 等学术思想。二是非线性科学被引入到了地质灾害的研究中，人们借助于非线性系统的 2 中围，f i 油人学( # 东) 硕l ：学位论文 历史性转变，由此相继建立了一些初步的描述崩塌及滑坡灾害非线性行为的动力学方 程，提出了一些基于突变理论、分形理论及非线性动力学理论的预测模型。 传统滑坡稳定性评价方法往往建立在单体滑坡的基础上，在稳定性评价和滑坡预报 研究方面己取得了较为深入的研究成果。其评价的基本思路是利用单体滑坡具体的岩体 介质、岩体结构、地下水位、岩土的粘聚力、摩擦角、地震活动等条件确立滑坡的规模， 利用边坡变形观测资料结合模拟试验对滑坡的时间进行预测。目前常用的方法可以分为 几大类，其中，动力学和运动学方法有：有限元、边界元、能量判别法等；统计方法有： 概率统计法、单因子评价法等；非线性判别方法有：模糊判别法( 夏元友，1 9 9 8 ；张锐 波，1 9 9 8 ) 、神经网络法( 秦四清，1 9 9 3 ；胡铁松，1 9 9 8 ) 等。滑坡从地质工程学科上 说，它使地质与工程深层次系统地结合，已经由稳定性评价和变形预测，发展到按钱学 森提出的综合集成理论，把工程的、地质的和力学的不同来源的知识综合起来，储存成 为描述工程地质力学作用的模型，分析解决工程问题。 根据滑坡成因分析，可能造成埋地管线破坏的滑坡形式为：首先具有软弱节理面的 岩质边坡、脆性倾倒型岩体失稳，形成较大体积的滑动体，由于滑动体具有较大的势能， 在下滑过程中加速飞行，并多次与山体发生碰撞、破碎，形成重量大小不等的块石撞击 地面，使管道周围土体发生较大局部变形，从而引起管道破坏。这是一个复杂的非线性 过程，主要包括两个阶段：一是重力作用下失稳岩体在空中加速度滑行、碰撞、破碎； 二是大小不等的崩落岩( 土) 体连续撞击地面引起埋地管道破坏的过程。 2 0 0 0 年熊传祥、龚晓南等采用突变理论建立了高速滑坡尖点突变模型，提供了定 量描述岩石滑坡滑速定量描述的思想和方法。 2 0 0 1 年张东臣、b b l k o b5 i m 对横向滑坡体作用下，管道应力最大点位置、下滑力大 小及作用角度、管壁压应力分布等进行了论述。 2 0 0 1 年刘忠玉、马崇武、苗天德等建立了预测高速滑坡远程运动的块体模型，应 用模型可以模拟滑坡发生后滑体运动的全过程，同时可以预测滑坡的最大速度。 2 0 0 2 年刘涌江、胡厚田等应用力学原理从理论上分析了大型高速滑坡岩体与阻挡 山体碰撞的过程，得出了碰撞后滑坡岩体的平均运动速度和运动方向的关系，并采用碰 撞试验研究了滑坡岩体碰撞解体后的加速运动效应，得出了不同速度段岩体体积的分布 规律。 2 0 0 7 年程谦恭、张倬元等对近几十年高速岩土体崩滑动力学领域取得的研究成果 ，及发展趋势作了较详细的总结论述。 3 第一章绪论 1 2 2 活动断层对埋地管线影响的研究现状| 6 1 1 7 l 【8 l 断层活动是指两部分地壳板块之问挤压而导致断裂面，并沿该断裂面发生相对运 动。断层类型有3 种：走滑断层、正断层和逆断层。走滑断层的主要运动发生在水平面， 根据管线与断层的相交角度不同，可导致管线拉伸或压缩；正断层和逆断层的主要地层 位移是在竖直方向，正断层使管线承受拉伸变形，而逆断层使管线承受压缩变形。管线 穿越断层时有3 种可能的破坏模式：拉裂、局部屈曲和梁式屈曲。埋地钢管在穿越正断 层或以小于9 0 。的交角穿越走滑断层时，主要承受拉力，破坏模式为拉裂。由于钢管具 有良好的韧性，因此能承受较大的应变，通常极限拉应变取4 ，大于该值即认为管线 已发生拉裂破坏。地下管线穿越逆断层或以大于9 0 0 的交角穿越走滑断层时，主要承受 压力，其可能的破坏模式包括局部屈曲和梁式屈曲。 跨越断层埋地管线受灾分析模型最早由n e w m a r k ( 1 9 7 5 ) 建立，假定忽略惯性力因 素，地震断层作用下管土一起运动，用地震行波模拟地震波动效应，将管线模型简化为 连续刚性管，用常曲率模拟管线位移，研究结果表明，管线的抗震能力主要由最大的轴 向应变来控制。 为了考虑土体对管线的横向作用、弯曲段的曲率和弯曲应力、被动土压力等因素， 1 9 7 7 年k e n n e d y 等采用大挠度理论对n e w m a r k 方法进行了改进，得出走滑断层的临界 位错量。 1 9 8 4 年t a r i m a n 研究了地表大变形造成埋地管线屈曲和破坏的机理，利用非线性 薄壳理论，考虑土体的塑性变形，忽略土的横向约束力，确定了地震断层附近导致管线 轴向屈曲的临界断裂位移。 1 9 8 5 年王汝良提出断层附近管线采用悬索，远端采用弹性地基梁的计算模型，给 出了管线轴向受压时的力学反应，该方法的不足之处是高估了管线的弯曲应变。 1 9 9 5 年王汝良等采用非线性悬臂梁模型，分析了地下管线在地震断层大位移作用 下的受力反应。在断层错动位移较大的情况下，将地下管线受力状态简化为悬臂梁模型， 梁自由端受横向剪切力，沿梁跨度承受均布土压力，使用切向模数逼近的方法，分析了 弹性范围内管线在轴向应力和弯矩相互作用下的反应，通过修正n e w m a r k 刚度数值集 成法计算了管线屈曲状态。 1 9 9 5 年y a w - j e n gc h i o u 等人研究了受压失效埋地管线的屈曲反应，通过改善管土 作用模型，使管线在断层运动中的受力反应更接近真实情况。他们采用数值方法分别对 管线进行了梁单元模型和薄壳单元模型的屈曲分析，并建立了不同土体下管线的径厚比 4 中困4 i 油人学( 华东) 硕i ：学位论文 与埋藏深度之问的关系，经与梁单元结构屈曲分析比较，将薄壳结构局部屈曲载荷临界 值作为结构失稳的极限载荷，两种方法计算的管线屈曲结果和实际的震例吻合的很好。 1 9 9 7 年张进国、吕英民等对地震裂缝位错作用下埋地管线进行了有限元分析，但 必须优化计算模型和计算机处理时间，以便降低费用。 1 9 9 8 年s h i r o t a k a d a 和j i a n w e nl i a n g 等采用薄壳单元对跨越断层管线进行了有限 元分析，考虑了几种参数对管线地震反应的影响。 2 0 0 0 年赵林等把管线视为薄壳结构，将管线模型化为四结点薄壳单元，土介质简 化为弹塑性弹簧，建立了管土相互作用的模型，考虑了埋地管线与土介质的相互作用， 对断层大位移错动下埋地管线的反应进行了分析。 2 0 0 4 年刘爱文和s h i r ot a k a d a 针对k o c a e l i 地震和集集地震中埋地管线的震害， 采用等效边界条件，用薄壳有限元方法研究断层运动对埋地管线的影响。 e a v o u g i o u k a s 和c t h e o d o s s i s 研究了埋地管线受正断层和逆断层运动作用的情 况，得到了不同的结论，认为弯曲曲率主要由跨越角度夕决定。走滑断层为变量，正 逆断层p 均为常量，管线的破坏受到土体剪切弹性模量西影响，西越小，衰减越快， 而且受拉情况下要比受压情况衰减的更快，管线几何特性差别随管径增大而减小。为了 避免管线屈曲，建议管线应沿可能产生受拉的方位埋设，同时给出了部分管线敷设施工 参数设计取值，见表1 - 1 。 表1 - 1 管线计算参数的取值 t a b l e l - 1t h ep a r a m e t e rv a l u e so fp i p e 参数跨越角度 埋藏深度砌管线直径伽_ ，l管线肇厚m m管士摩擦角 取值 卢 6 0 。 h 0 9d 1 2 5 a 2 0 。 1 2 3 地震波对埋地管线影响的研究现状【6 l 【7 1 1 9 6 7 年n e w m a r k 分析了地震波对埋地油气管线的影响，分析基于两个基本假定： ( 1 ) 惯性力可以忽略不计，这个假定与后来的试验及理论没有矛盾；( 2 ) 管线与土一起 运动，地震波可用地震行波模拟。设l 为管线长度，、彳一分别为地面最大速度和 加速度，c ，和e 分别为土层纵波和横波沿管线的传播速度，则管线的最大轴应变s 哪、 最大曲率z 一和接头的最大相对位移u 一、最大相对转动分别为：f 一一c p 、 z 一；彳一c ：2 、u 嗽= c 。及p 一= l a 。，c ：2 ，结果表明，管线的抗震设计一般 5 第一章绪论 由最大轴应变控制。 七十年代，同本学者提出了管线与土之间存在相互作用的理论，进而提出了弹性地 基梁模型，将管线与土之间看作有若干弹簧连接，土体的波动位移通过弹簧传给管线， 他们对管线与土之问的滑移做了一系列的试验，发现相互作用是不可忽略的重要因素。 目前，r 本对于地下管线的计算采用的所谓“反应位移法”，即假定基岩由单一均匀土 组成，将管线作为弹性地基梁，从支座输入正弦波，其振幅由场地性质及设计烈度确定。 七十年代木，l r l w a n g 提出了地下管线的拟静力分析法，假定：( 1 ) 忽略管线与 土之间的相互作用，认为管线与土变形相同；( 2 ) 地下管线的惯性力很小，可以忽略不 计，地震时管线的性能完全依赖于土的性能。基于以上的假定，对连续管线和分段管线 进行了分析，提出了相应的抗震设计标准。但是，该方法只能求出管线应变的上限值。 1 9 7 5 年p a r m e l e e 和l u d t k e 提出了采用半弹性空间中的弹性地基梁模型来分析地下 管线与土介质的相互作用，他将土和管线看作一个整体，用管道的刚度与土的有效刚度 之和作为系统的刚度，用管道的质量与土的有效质量之和作为系统的质量，得出了一些 有益的结论。 1 9 7 9 年m u l e s k i 和a r i m a n 等提出了圆柱壳理论，理论假定管线为粘弹性介质中的 弹性各向同性薄圆柱壳，此理论不但可以研究失稳与破裂，而且可以研究管线曲率引起 的其它位移，结果表明，在地震时管线与地基的运动是一致的。 1 9 8 0 年c h e n 、a r i m a n t 和l e e 采用壳模型和拟分叉理论对地下管线的屈曲进行了 研究。其后，k y r i a k i d e s 和y u n 对地下管线的梁型屈曲和壳型屈曲进行了静态分析。 1 9 8 7 年熊占路采用n o v a k r 的模型对地下管线进行了大量的计算。同年，王海波和 林皋采用边界元方法求解了半无限弹性介质中管一土相互作用，对管线进行了地震反应 分析。 1 9 8 8 年甘文水和侯忠良利用有限元方法对地震荷载作用下的管线进行了计算，得 出：( 1 ) 波速对地震行波作用下埋地管道的应变有很大影响；( 2 ) 假定地震波为简谐波 进行计算时，周期应取速度的峰值周期；( 3 ) 管线与土之间的滑移对管线应变的影响与 地震位移峰值及管土间最大相对弹性位移有关。 1 9 9 0 年k o h 和q u e k 在k y r i a k i d e s 和y u n 的梁屈曲模型的基础上，研究了荷载条 件下非对称性对刚性地基中埋管的极限荷载的影响，并运用非线性动力学和土结构相 互作用原理对管线进行了数值模拟分析。 1 9 9 3 年y a w j e m gc h i o u 和s h u e y e o n gc h i 提出了非弹性半无限空间中无限长梁的 6 中罔彳i 油人学( 华东) 硕i j 学位论文 弹塑性分析模型，运用有限差分法、有限元法和边界元法对地下管线的极限荷载进行了 研究。 2 0 0 0 年k a t s u m im a t s u b a r a 和m a s a r uh o s h i g a 运用静弹性理论提出了一种管土相互 作用的分析方法，推导了管轴向土弹簧常数的公式，并且结合弹性动力学理论，分析了 土对埋地管道的动力影响作用。 1 3 研究意义 随着西气东输、川气东送等工程的建设，长输管线受地质灾害影响而破坏的问题同 益严重，为此国家投巨资在全国范围内丌展了地质灾害的探查研究工作，以最大限度提 高管线工程抵御灾害的能力，保证管线的安全运营。 建立地质灾害作用下埋地油气管线的力学分析模型，研究受灾管线的力学反应，找 出受灾管线的薄弱环节以及各项因素的影响规律，并在此基础上提出预防措施，是保证 埋地管线安全的基础，因而本项研究具有重要的工程应用价值。 1 4 研究内容 查阅川气东送埋地油气管线所经地带的地质构造特征以及沿线场地的地质灾害活 动资料，确定地震活动性参数、活动断层分布、危险滑坡区域等，研究以下问题： 1 重点滑坡的稳定性分析及滑坡体冲击作用下管道的安全性； 2 活动断层作用下埋地油气管线的安全性； 3 地震波作用下埋地油气管线的安全性； 4 管道抗灾措施研究。 7 笫尊滑坡对埋地油气管线发令，降的影响 第二章滑坡对埋地油气管线安全性的影响 滑坡是一种不良的地质现象，对埋地油气管线十分有害，滑坡的发生具有突然性， 来势迅猛，致灾力强，在泥沙、块石等固体物质的快速移动作用下产生巨大的推力，使 管道受到强烈的冲击而产生弯曲变形和断裂，常导致管线泄漏或破裂，以至发生火灾和 爆炸，而且对环境可以产生长期的影响。在西气东输、川气东送等长输管线工程的建设 中，管线不可避免的要途径一些容易发生滑坡的不良地区，因此，研究山体滑坡冲击作 用下管道的受力情况，为管道设计和施工提出相应的建议和防护措施具有重要意义。 本章分析了川气东送管道沿线危险边坡一罗针用边坡丌挖前后的稳定性，提出滑坡 治理方案，并采用有限元软件模拟了山体滑坡时滑落岩( 土) 体冲击埋地管道的过程， 研究了冲击荷载作用下管道的安全性，进而探讨主要因素( 滑坡长度和角度、滑落块体 体积、管沟回填土类型、管道埋深等) 对管道安全的影响，提出了相应的预防措施。 2 1 滑坡地质灾害 2 1 1 滑坡定义 滑坡是指斜坡上的土体或岩体，受河流冲刷、地下水活动、地震及人工切坡等因素 影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面或者软弱带，整体地或者分散地顺坡向下滑动 的自然现象。滑坡的机制是某一滑移面上剪应力超过了该面的抗剪强度，斜坡岩土体沿 着惯通的剪切破坏面滑移。同所有的物理地质现象一样，滑坡是发生在一定的地貌、地 形、地质、水文和气候条件下的。滑坡有很多不同的规模，其涉及的范围从几立方米的 岩土物质小的下滑( 例如在许多公路端面能观察到的) 到几平方公罩和上百立方米地层 的巨大滑动1 9 1 。 2 1 2 滑坡发生主要条件 一是地质条件与地貌条件，二是内外营力( 动力) 和人为作用的影响。第一个条件 与以下几个方面有关： 1 岩土类型。岩土体是产生滑坡的物质基础，一般说，各类岩( 土) 都有可能构成 滑坡体，其中结构松散、抗剪强度和抗风化能力较低、在水的作用下性质易发生变化的 岩( 土) ，如松散覆盖层、黄土、红粘土、页岩、泥岩、煤系地层、凝灰岩、片岩、板 岩、千枚岩等及软硬相间的岩层所构成的斜坡易发生滑坡。 8 中固杠油人学( o 芦东) 顾i j 学位论文 2 地质构造条件。组成斜坡的岩( 土) 体只有被各种构造面切割分离成不连续状态 时，才有可能向下滑动的条件。同时，构造面又为降雨等水流进入斜坡提供了通道，故 各种节理、裂隙、层面、断层发育的斜坡，特别是当平行和垂直斜坡的陡倾角构造面及 顺坡缓倾的构造面发育时，最易发生滑坡。 3 地形地貌条件。只有处于一定的地貌部位且具备一定坡度的斜坡，才可能发生滑 坡。一般江、河、湖( 水库) 、海、沟的斜坡，前缘开阔的山坡、铁路、公路和工程建筑 物的边坡等都是易发生滑坡的地貌部位。坡度大于1 0 。，小于4 5 。，下陡中缓上陡、上部 成环状的坡形是产生滑坡的有利地形。 4 水文地质条件。地下水活动在滑坡形成中起着主要作用，它的作用主要表现在： 软化岩( 土) ，降低岩( 土) 体的强度，产生动水压力和孔隙水压力，潜蚀岩( 土) ， 增大岩( 土) 容重及对透水岩层产生浮托力等，尤其是对滑面( 带) 的软化作用和降低 强度的作用最突出。 就第二个条件而言，在现今地壳运动地区和人类工程活动频繁地区是滑坡多发区， 外界因素和作用可以使产生滑坡的基本条件发生变化，从而诱发滑坡。主要的诱发因素 有：地震、降雨和融雪、地表水的冲刷、浸泡、河流等地表水体对斜坡坡脚的不断冲刷； 不合理的人类工程活动，如开挖坡脚、坡体上部堆载、爆破、水库蓄( 泄) 水、矿山开 采等都可诱发滑坡；海啸、风暴潮、冻融等作用也可诱发滑坡【1 0 1 。 2 1 3 影晌滑坡因素 影响滑坡的因素综合起来可分为两大方面，即内在因素和外在因素。内在因素包括： 滑坡岩土的类型和性质，岩土体结构等；外在因素包括：水文地质条件、地表水和大气 的作用、岩石风化、地震以及人为因素等。对滑坡稳定性有影响的最根本因素为内在因 素，它们决定滑坡变形破坏的形式和规模，对滑坡的稳定性起着控制作用，对岩质滑坡 的影响尤为显著。外在因素则只有通过内在因素才能对滑坡的稳定性的变化起到促进作 用，促使滑坡变形破坏的发生和发展1 1 l l l l 2 】1 1 3 l 。、 1 岩土类型及性质 滑坡岩土体的性质是决定滑坡抗滑力的根本因素。坚硬完整的岩石如花岗岩、石灰 岩等，能够形成很陡的斜坡而不失其稳定，而软弱岩石或土只能形成低缓的滑坡。 由沉积岩组成的滑坡最大特点是具有层理，而层理面具有控制滑坡稳定性的作用。 沉积岩层常夹有软弱岩层，如厚层灰岩中夹泥灰岩、砂，砾岩中央泥岩，页岩薄层等， 9 第一二錾滑坡对埋地油e 管线虫令性的影响 这些软弱岩层常易构成滑动面( 带) 。 由岩浆岩组成的滑坡稳定性一般较好，但原生节理发育，也常有崩塌发生，特另l j 是 在j x l 化强烈地区，如华南沿海和福建等地，小型崩塌和浅层滑坡较为多见，其主要原因 是风化应力的作用，使风化带内的岩石强度降低，导致滑坡崩塌。在凝灰岩为主的火山 岩系中，因其强度较低，常见滑坡发生。凝灰质页岩性质更差，往往成为滑坡蘧，依附 于其上的一系列山坡均不稳定，滑坡成群出现。 变质岩的滑坡稳定性一般比沉积岩要好，尤其深变质岩，如片麻岩、石英岩等其性 质与岩浆岩帽近。片岩类依其矿物成分不同，工程地质性质有着极大差异，石英片岩、 角闪片岩的强度很高，能维持较高的陡坡，而滑石片岩、绢云母片岩、绿泥石片岩等强 度很低，千枚岩、泥质板岩因其易泥化，性质软弱，最易发生表层挠曲或弯折倾倒等变 形，如宝成铁路阳灵岩寺至响岩子段，在滑坡上的片岩经风化后广泛出现这类现象。 我国粘土类土和黄土类土分布广泛，由这类土组成的滑坡，崩塌也很发育。特别是 由裂隙粘土和胀缩土组成的滑坡，当边坡很平缓时仍能破坏。黄土滑坡稳定性决定于黄 土的密实程度和结构特征，这和它的成因与时代有关，黄土坡直立性较强，常形成陡坡， 破坏形式主要为崩塌性滑坡及崩塌。 研究表明，我国滑坡分布与岩性有密切关系。在易滑地层分布区域，往往滑坡成群 出现，而在非易滑地层的出露地区则滑坡稳定性较好。因此在滑坡稳定性研究中，应首 先确定研究区是否有易滑地层分布和出现，因为滑坡变形破坏常以这些地层出露地段最 为强烈。 2 地质结构 滑坡中的各种结构面对滑坡稳定性有着重要的影响。特别是软弱结构面与滑坡临空 面的关系，对滑坡稳定起着很大的作用。这种关系多种多样，稳定性也各不相同，可以 分为以下几种情况： ( 1 ) 平叠坡。主要软弱结构面是水平的，这种滑坡一般比较稳定。 ( 2 ) 顺向坡。主要是软弱结构面的走向与滑坡面的走向平行或接近，且倾向一致的 滑坡。当结构面倾角声小于坡角a 时，滑坡稳定性最差，极易发生顺层滑坡。自然界中这 种滑坡最为常见，人工滑坡也易遭破坏，当罗大于a 时，滑坡稳定性较好。 ( 3 ) 逆向坡。主要软弱结构面的倾向与坡面倾向相反，即岩层面倾向坡内。这种滑 坡一般是稳定的，有时有崩塌现象，而滑动的可能性较小，但有其它断裂结构面配合时， 也可形成滑坡。 1 0 中困厶油人学( f 扛东) 硕l j 学位论义 ( 4 ) 斜交坡。主要软弱结构面与坡面走向成斜交关系，其交角越小，稳定性就越差。 ( 5 ) 横交坡。主要软弱结构面的走向与坡面走向近于垂直，这类滑坡稳定性较好， 很少发生大规模的滑坡。 3 地表水和地下水 每逢雨季，崩塌和滑坡就频繁发生，很多滑坡都是发生在地下水比较丰富的滑坡地 带，水库蓄水后周围岸坡因浸水而多有滑动，这些事实说明地表水、地下水对滑坡稳定 性的影响是十分明显的。水的作用主要表现为对岩土的软化、泥化作用、水的冲刷作用、 静水压力和动水压力等。土坡或岩质边坡中的泥质岩层，在雨水渗入或地下水位升高而 受到浸湿时就会改变其稠度，使之软化，抗剪强度降低，从而可能引起滑坡变形和破坏。 页岩、凝灰岩、粘土岩等亲水性很强，水对其软化作用很显著。 水流冲刷坡脚，切断滑动面使之临空，从而导致滑坡的形成。由于雨水渗入，河水 位上涨或水库蓄水等原因，使得地下水位上升，水位抬高，又使孔隙水压力提高，降低 了抗滑力，造成滑坡失稳。当地下水由滑坡岩土体中排出时，由于有一定的水力梯度， 形成动水压力，增加了沿地下渗流方向的滑动力，对滑坡稳定性不利。水库使用期，库 水位迅速的下降，而滑坡岩土中的水排出较慢，这样地下水位的下降就滞后于水库水位， 故形成较大的动水压力，岸坡遭受破坏。 4 地震 地震是造成滑坡破坏最重要的触发因素之一，许多的大型崩滑或滑坡的发生与地震 密切相关。究其原因，首先是地震的强烈作用使斜坡土石的内部结构发生破坏和变化， 原有的结构面张裂、松弛，加上地下水也有较大变化，特别是地下水位的突然升高或降 低对斜坡稳定是很不利的。另外，一次强烈地震的发生往往伴随着许多余震，在地震力 的反复振动冲击下，斜坡土石体就更容易发生变形，最后就会发展成滑坡。 5 人类活动 随着科学技术的不断进步，人类工程经济活动的规模同益增大，因此对滑坡稳定性 的影响也越来越大。由于采矿掏挖坡脚引起坡体失稳的实例举不胜举，另外大量开挖的 人工边坡对滑坡稳定性都有较大影响。除了采矿和兴建工程外，人类的居住及同常生活 对滑坡稳定都有影响，例如很多村庄都坐落在老滑坡上，生活用水、灌溉用水常直接排 入坡体，引起老滑坡局部复活。 第一二章滑坡对埋地油e 管线安伞忡的影响 2 2 滑坡作用下埋地管线的力学分析 2 2 1 横向滑坡过程中管线内力和变形的计算 将处于滑坡体中的油气管道看作受当量轴力& 作用的梁，如图2 1 所示。考虑到该 管梁的挠度可能较大，按纵横弯曲问题，计入几何方程的非线性来研究管梁的变形。认 为下滑泥土作用在管道上的压力q 沿滑坡宽度工均布。 将滑坡体外的管道看作小变形的半无限长梁或杆，不考虑弯曲、拉伸的耦合作用， 认为管道横向土壤抗力符合w i n k l e r 假定；纵向抗力符合双线性假设，即纵向抗力与管道 纵向位移的关系用弹性工作段和极限平衡段( 塑性工作段) 来描述。 在上简化模型中，梁的两端无固定，在均匀向下的载荷作用下发生变形，变形后图 形如图2 1 中曲线所示，埋入端的受力如图2 2 所示。m 。为管道在埋入端所受的弯矩，图 示方向为负，反向则为正；g 为管道所受的向下的均布载荷，包括管道的自身重力，管 道内气体的重量，管道上方土体的重量和管道两边土下滑时造成的土与土之间的剪切 力。 卜 一 q o ， il上、 ， i 、r 一 莩；矗 & 弓 o ! l 誓m n 正 图2 1 滑坡体内的管线 f i 9 2 - 1p i p e l i n ei n s i d et h el a n d s l i d e 图2 2 滑坡体外的管线 f i 9 2 - 2p i p e l