（安全技术及工程专业论文）埋地管道在地震波作用下的动力响应分析.pdf

a b s t r a c t p i p e l i n et r a n s p o r ti st h em a i nm e a n so fe n e r g yt r a n s m i s s i o n p i p e l i n e sp l a ya r a t h e ri m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h em o d e r ni n d u s t r i a l p r o d u c t i o na n dp e o p l e sl i v e s h o w e v e r , t h eh i s t o r yo fd i s a s t e r ss h o w st h a t u n d e r g r o u n dp i p e l i n e sv u l n e r a b l et o e a r t h q u a k ed a m a g ea n dd i s r u p t i o nc a u s e db ys y s t e mf a i l u r e s ，w h i c hm a yh a y ea v a r i e t yo fs e c o n d a r yd i s a s t e r st op e o p l e 。sl i v e sa n dp r o p e r t y t h e r e f o r e ，i ti s g r e a t s i g n i f i c a n tf o ru st os t u d yt h ea n a l y s i so fs e i s m i cd a m a g eo f u n d e r g r o u n dp i p e l i n e sf o r r e d u c i n gu r b a nd i s a s t e r c o m p a i r e dw i t hg r o u n dp i p e l i n e s ，b u r i e dp i p e l i n e ss u s t a i nm a n yl o a db e s i d et h e l o a do nt h eg r o u n d ，s u c h 丛b a c kt os o i l w e i g h tc a u s e db ye x t e r n a lp r e s s u r e ；t h e p r e s s u r eo f w h e e l so rs t a t i cl o a do fg r o u n d ；t h ef o r c eo f u n e q u a ls u b s i d e n c e s oi tc a n c l e a r l yb es e e nt h a tt h eb u r i e dp i p e l i n e sa r em o r ec o m p l i c a t e dt h a ng r o u n d p i p e l i n e s t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r so nt h ee f f e c t so f b u r i e dp i p e l i n e t h e nb a s e do nt h ee l a s t i c i t ya n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，w a v et h e o r y ，t h et h e o r yo f v i b r a t i o n ，a sw e l la st h er e l a t i v ed e f o r m a t i o nt h e o r y , t h ee f f e c t so fb u r i e dp i p e l i n e u n d e rs e i s m i cs t r e s sw e r ea n a l y z e d b u r i e dp i p e l i n e sa r es u r r o u n d e db ys o i l b u td u et ot h es e i s m i cw a v e s s o i la n d p i p e l i n e sg e n e r a t ed e f o r m a t i o na n dv i b r a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h ep i p ea n ds o i li sn o l o n g e rm a i n t a i nt h ef l e x i b l ec o m b i n a t i o n f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em o v e m e n to f t h eb u r i e dp i p e l i n e ，t h et e x te s t a b l i s h e dt h ei n t e r a c t i o nm o d e lo fb u r i e d p i p e l i n e f u t h e r m o r e ，a p p l i c a t i o no fa n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ef o rb u r i e dp i p e l i n e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，w eo b t a i n e dt h e d y n a m i cr e s p o n s es i t u a t i o no fb u r i e d p i p e l i n e su n d e rt h es e i s m i cw a v e s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fd a m a g eo fb u r i e dp i p e l i n e ，a n dt h er e s u i t s f r o mt h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s e s ，p r o t e c t i v em e a s u r e ss h o u l dt ob et a k e ni np r o j e c t d e s i g na n dc o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ： b u r i e dp i p e l i n e s ； d y n a m i cr e s p o n s e ； s e i s m i cr e s p o n s e ： s e i s m i cw a v e s ； s o i li n t e r a c t i o n 玎 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：燃飞日期：加口降6 月 9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：触飞 日期：刎年易月吕 日 新鹕：形彳醐珂丁棚叫 硕士学位论文 1 1 研究意义 第1 章绪论 管道运输是能源输送的主要手段。管道在现代化的工业生产和人们生活中占 有相当重要的位置，其在输送水、油、气、煤以及通信、供电、交通、运输和排 水等方面得到了广泛的应用，成为现代工业和城镇生活的大动脉，因而被称为生 命工程i l 】。管道作为物料输送的一种重要设施在现代工农业生产和人民生活中起 着重要的作用，成为国民经济发展和城乡人民生活的大动脉，是除公路、铁路、 水运和航空以外的现代生产的第五大运输方式，在国家建设中占据着重要的地位 【2 】 o 随着社会经济的发展，在一些大城市，出于安全和节约用地的考虑，已经被 迫将原置于地面的管道、信号、电信电力缆线埋设于地下。发展地下管道输送系 统将有助于缓解许多大中城市的拥挤问题，节省大量土地。可以说，埋地管道的 大量使用是现代城市发展的必然【3 】。城市煤气使用已越来越普及，大城市几乎没 有不使用煤气的，中小城市、甚至有些集镇也在发展煤气。煤气主要靠管道输送， 其安全关系到千家万户。但是，我国对城市地下管道的管理严重滞后，还没有达 到有序管理的水平，在城市里许多煤气管道被违章占压，据某市公用局调查，该 市违章占压管线就有上万处之多，有的占压管线还是高中压输气管线，占压的情 况亦是多种多样，如植树埋杆、堆料堆物、建房盖楼、农贸市场，有的把管道检 查井都圈进了屋内。这样给地下管道增加了负荷，容易造成管道损坏，一旦发生 煤气泄漏，在伤员集中的地方，明火源多，易引燃起爆或造成中毒伤亡事件，后 果是十分严重的。在城市建设中将煤气管挖破的事故也时有发生。1 9 8 6 年沈阳一 居民楼地下煤气管道受压过大产生过载断裂，煤气漏人楼内，遇楼内明火引燃， 全楼处于烟火之中。经消防队和各方人员及时关闭煤气总阀，并控制火势，使被 困居民先后脱险。该三层砖混结构住宅楼严重受损，还造成3 人死亡和6 人受伤。 1 9 8 9 年冬天的一个早晨，正值上班高峰，某市一路口突然发生爆炸。原因是地下 气管道漏气，达到爆炸极限，遇明火引起爆炸，造成6 人死亡、2 6 人受伤。1 9 9 5 年济南市因地下煤气管道密封不严，煤气漏人高压电缆沟，附近正好有一个蜂窝 煤炉，引燃了泄漏的煤气，随后一万伏高压电缆突然跳闸，再次引爆电缆沟内的 煤气，引起大爆炸。使2 2 公里路面、附近房屋、汽车被毁，经济损失上百万元， 并致1 3 人死亡、4 8 人受伤。这种由于煤气管道漏气遇明火引发爆炸造成严重人 员伤亡和巨大经济损失的惨痛教训值得我们重视。城市的建设都是逐步发展的， 埋地管道在地震波作用下的动力响应分析 而且各类管线的经费来源不同，主管部门不同，设计、施正，管理部门各异，很 多城市的地下管网资料不齐全，分布混乱，造成了许多不安全因素。 我国埋地管道主要是原油管道、天然气管道、油田集输管道和少量成品油管 道，目前已建有原油和天然气管道共1 7 0 0 0 k m 。据预测，在今后的一个短时期内 我国天然气输送管道和成品油输送管道将会有大的发展。埋地管道有专门的管理 系统，设计、施工和技术管理均有一定的质量控制措施和较先进的检测手段。进 入9 0 年代以来，有关部门陆续引进国外先进检测仪器，对部分管线进行内检测有 效地遏制了腐蚀漏油事故。 长输管线往往途经不同的省、市、县，沿途环境复杂，安全管理有一定难度。 在安全方面存在一些问题。国务院于1 9 8 9 年3 月1 2 日颁布了 ：石油、天然气管 道保护条例，对保护石油、天然气埋地管道起了很大的作用。但因没有配套完整 的实施细则，具体执行有一定困难。譬如，某些地方政府及沿途农民有抵触，所 以仍有一些违章建筑强行施工；多处管道被取土挖砂，造成管道裸露、悬空；公 路、水利工程多处与管道相交；多处管道被划入经济开发区。所有这些都使一些 管道的安全受到威胁。在有些地方，农民甚至在管道上打孔盗油，造成严重的不 安全因素。 埋地管道由于铺设在土壤中，相对于地上的普通管道其受力状态更加复杂， 填土的方式与性态都会影响到管道所受的土压力，埋地管道的施工条件比较恶劣， 在役检测困难，再加上输送介质的特性，一旦发生泄漏或断裂，将有可能引起爆 炸、燃烧、中毒等重大事故，使人民的生命和财产遭受重大的损失，使社会的生 产和经济遭受严重破坏，并直接影响社会生活的安定。埋地管道主要用于输送石 油、天然气以及城市燃气等，在市政工程中也有很广泛的应用，一般都承受一定 的内压。埋地管道的失效，从本质上讲与地上普通管道是一样的，但是从具体的 载荷工况、制造质量和失效等方面来看，埋地管道又具有本身的特点。埋地管道 制造与施工质量的保证也差于地上管道，埋地管道一般施工距离长、周围环境恶 劣，而其安装大多是在施工现场进行，施焊条件、位置和环境差，致使埋地管道 的焊缝中常常存在较多的缺陷，且在野外进行检测相对比较困难。埋地管道由于 土壤中杂质多、成份复杂以及其他一些因素使管道的腐蚀危险增大，这些因素都 使得埋地管道的失效可能性大大增加。 据不完全统计，国内目前运行的油、气管线中有超过4 0 0 0 千米的管龄已超过 1 5 年，其中有3 0 0 0 多千米已超过2 0 年，爆管、断管、腐蚀、泄漏等重大事故呈上 升趋势。因此如何提高长输管线的设计、制造、检验技术，提高管理水平，对于 保证长输管线的安全运行是至关重要的。我国的在役油气埋地管道8 0 以上超过 设计寿命期，已进入事故多发期。这些管线9 0 以上埋设于地下，穿越地区广， 管理技术复杂、地形复杂，土壤性质差别大，输送介质易燃易爆且工作压力高， 2 硕士学位论文 潜在危险很大，而且事故发生有隐蔽性。一旦发生泄露或断裂将有可能引发爆炸、 中毒等重大事故，使社会生产和经济遭受严重破坏，人民的生命和财产蒙受重大 损失，直接影响社会生活的安定。 我国埋地管道的安全状况不容乐观，加强对埋地管道设计、制造、安装、检 验和运行等各个环节的科学化管理与监督，针对长期、普遍存在的严重问题进行 技术攻关研究，并进一步建立健全的法律法规标准，提高埋地管道方面的整体技 术水平，迅速降低埋地管道事故率，是一项艰巨而重要的任务。为此，埋地管道 安全性和风险性问题日益受到人们的重视，对埋地管道进行安全评价【4 l 就更为迫 切。为了满足埋地管道安全与风险评价的需求，必须通过理论分析与试验研究来 掌握埋地管道的承载能力、破坏机理和失效模式等，同时寻求这些性能与管道材 料、结构等参数间的关系。 1 2 目前研究概况 1 9 7 2 年以前，埋地管道的设计是不考虑抗震要求的。由于1 9 7 1 年圣费尔南 多( s a n m a n d o ) 地震给加利福尼亚州沿圣安德烈斯断层s y l i n a r 段一带的地下输气管 道造成了严重破坏，人们才不得不考虑埋地管道的抗震问题。纵观国内外，短短 几十年地震波作用下管道的抗震取得了很大的进展。研究成果主要集中以下方面： 早在六十年代末n e w m a r k t 5 】就对地下管线进行了抗震研究，但他在分析中忽 略了惯性力的影响，并且假定管线与土一起运动。目前包括美国、中国在内的许 多国家的相关规范都基于该假定。 七十年代，日本学者【6 】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个弹簧连接，土体的波动位移通 过弹簧传给管线。目前，日本对地下管道的计算采用的“反应位移法”就是采用 这一模型。 1 9 7 5 年，n m n e w m a r k 和w j h a l l 首次提出跨断层埋地管线地震反应方法， 这是一种近似分析计算法。认为直接作用在管线上的土壤滑动摩擦力与土压力相 对静止( 静态压力) ，且不考虑土壤的自身阻力。它使用小变形理论来计算管线的 伸长量，在计算中假定管线由纵向变形来吸收断层位移作用，忽略土的横向作用 力和管线的弯曲变形。 同年，p a r m e l e e 7 】和l u d t k e 提出了半弹性空间中的弹性地基梁来分析地下管线 与土介质的相互作用，将土和管线看作一个整体，用管线的刚度与土的有效刚度 之和作为系统的刚度，用管线的质量与土的质量之和作为系统的质量，得出了一 些有用的结论。 1 9 7 7 年，k e n n e d y 8 】等人通过考虑均匀的动态土壤压力和大挠度理论，发展 埋地管道在地震波作用下的动力响应分析 了n e w m a r k 和h a l l 的方法，该方法将管线看成是只有拉伸刚度而无弯曲刚度的 悬索，在弯曲变形与轴向变形比较小时可以得到满意的结果，但在弯曲变形较大 时则可能造成较大误差。n e w m a a 和k e n n e d y 二者的计算模型都忽略了管线的弯 曲刚度，因而不能满足管线穿越引起管线压缩应力的逆冲断层的平衡条件。 同年，t a k a d a 提出了非线性摩擦理论，他用实验的方法确定了管道在土中非 线性静、动摩擦力，试验表明摩擦力与振动频率无关，而且频率对滞回圈的形状 也无影响。他还给出了管线与土之间的相对位移的分析解。 1 9 7 9 年，m u l e s k i 9 】和a r i m a n 等提出了圆柱壳理论，假定管道为粘弹性介质中 的弹性各向同性薄圆柱壳。同年，h i n d y 和n o v a k 1 0 】提出了半无限空间理论，采用 静态解与平面动应变相结合的方法来求解土管线的相互作用，认为它们之间的相 互作用可以降低管线的应力，尤其是轴向应力。s t a k a t a 1 l _ 1 3 】采用传递矩阵法对 管线进行了三维拟静态分析，同时考虑了接头的非线性和土与管线之间的滑移 他还采用壳模型和有限元方法计算了梁模型所不能涉及的管道环向应力和沿管周 的土压力分布。 1 9 8 0 年，c h e n 、a r i m a n t l l 4 1 5 】和l e e 1 6 】采用壳模型和拟分叉理论对地下管道 的屈曲进行了研究。他们分析了在弹性均匀的土介质中有限长圆柱壳在轴向对称 载荷作用下的壳型动力屈服问题，利用实际地震记录对弹塑性和弹性失稳进行计 算，发现动力效应很小，动力失稳载荷和静力失稳载荷基本相同，采用静力模型 完全可以分析失稳问题。 h y u n 1 7 】和s k y r i a k i d e s l l 8 1 9 1 系统地对两种失稳形式进行了静力分析，梁型 失稳采用弹性地基上的重梁模型，壳型失稳采用弹性介质中的圆柱模型，同时还 研究了由于两种失稳形式的相互作用而出现的非对称壳型失稳。 1 9 8 5 年，l e o n r u l i a n g w a n g 等人修改了反应位移法的一些假设，提出采用 局部大挠度梁模型来分析穿过走滑断层的地下管线的性能，考虑了管线的弯曲刚 度，但结果并不十分精确。 1 9 8 8 年，甘文水、侯忠副2 0 】等人利用有限元方法对在地震载荷作用下的管线 进行了计算，得出波速对地震行波作用下埋管的应变有很大影响：如假定地震波 为简谐波进行计算时，周期营区速度的峰值周期；管线与土之间的滑移对管道应 变的影响与地震位移峰值及管土间最大弹性相对位移有关。 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 1 年，甘文水、侯忠良等人提出了一种基于有限元基本原理的穿越断层区 管线抗震分析方法，该方法将管线抽象成置于土弹簧之上的连续梁，并考虑了横 向土弹簧和管线木身的非线性特征，根据虚功原理建立了管线的平衡方程，并用 4 硕士学位论文 迭代法求解管线在断层位移作用下的反应。继而有限元分析方法被越来越多的学 者采用，管线从简化成二维梁模型发展到板壳模型；管土作用也由不考虑到考虑、 由简化为土弹簧发展到模拟管土接触面。 同年何玉敖、梁建文【2 1j 采用薄壳有限元对在地震荷载作用下地下管线三通接 头的性能进行了分析，发现在地震荷载作用下三通接头处有很高的应力集中，接 头直埋对抗震有利；同时，他们对地下管线的动态稳定进行了分析，发现在地震 波作用下埋地管线很容易出现梁型动态失稳。 1 9 9 2 年，他们又提出地下管网的三维空间模型，对地震波作用下成层半无限 空间中的管网进行了分析与计算，并对地下管道的壳型动态失稳和地下管线三通 头的非线性失稳进行了分析 1 9 9 3 年，y a w j e m g 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 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道的极限荷载 进行了研究。 1 9 9 8 年，s h i r o t a k a d a 2 2 】和j i a n w e n l i a n g 采用薄壳单元对跨越断层管线进行 了有限元分析，考虑了几种参数对地下管线抗震性能的影响。 1 9 9 9 年，冯启民、郭恩栋【2 3 4 】采用二维有限元模型模拟分析了跨断层的管 道在已知错动位移下的反应；并且他们首次对钢管做静力及动力振动台模拟试验， 采用梁模型分析计算了跨越断层管线的变形和强度。 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，分析了土对埋管的动力影响作用，他把动力分析融入到静力理论中，这也是 地下管道抗震发展的趋势。 2 0 0 1 年，赵林【2 5 】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。采用数值模拟的有限元 技术，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地下管线的反 应进行了分析。得出：埋深、断层类型对管线具有明显的影响，而断层破碎带对 管线则无明显影响。它的优点是形象地再现了管线的实际反应过程，但也存在不 足之处：分析时只考虑了3 0 倍管径长度的管线作为研究对象，事实上受断层影响 的管线长度远大于3 0 倍管径。郭思栋、冯启民利用有限元法采取梁土弹簧模型 考虑土弹簧单元和管线单元的非线性特征。建立了断裂位移作用下管线和土弹簧 的动力平衡方程。求解出连续渐变位移作用下管线及土体的反应状态。刘爱文1 2 6 j 等也对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大的断 层运动对埋地管线的作用。 在前人研究的基础上，李大勇 2 7 2 8 】等应用w i n k l e r 弹性地基梁理论对深基坑开 挖引起邻近地下管线的位移进行初步探讨，又应用有限元法对地下管线受基坑开 5 埋地管道在地震波作用下的动力响应分析 挖的影响进行了分析，证明了基坑开挖时邻近管道将产生较大的水平位移。段绍 伟【2 9 j 等用非线性有限元方法计算深基坑开挖对埋地管道的影响时应用有厚度的 接触面单元模拟管土相互作用，从而建立了接触面上的应力应变方程。李镜培【3 0 】 等应用弹性半空间受分布荷载作用的弹性力学解和w i n k l e r 弹性地基梁求解邻近 建筑物荷载作用下地下管道上的附加应力。这些学者的研究都证明了在上述情况 下，管线的水平位移是管道破坏的重要因素。但垂直荷载( 荷载作用垂直于水平面 但不关于管道中轴线对称，文中所指垂直荷载均为此种荷载) 埋地管道力学性状的 系统研究，管径、埋深、荷载位置和大小对管道应力的影响还不够深入，因此有 必要对垂直荷载作用下埋地管道的力学性状进行系统的研究，为工程设计和施工 提供一定的依据。国内还有很多学者做了大量的工作。薛景宏等【3 l q 3 】考虑了管 土之间的相互作用及管内流之间的耦联作用，研究了埋地管线在横向传递的剪切 波和轴向传递的压缩波作用下的动力响应，并利用有限元方法对运动方程进行了 求解，研究了土壤特性的改变对埋地管线地震响应的影响。张进国等【3 4 】针对地震 作用下的埋地管道纵向振动微分方程，利用加权余量法计算了地震作用时管道的 纵向运动位移响应。周晶等1 3 5 】利用水下振动台研究了海底悬跨管线在地震作用下 的动力反应。孙政策【3 6 】等针对海底管线抗震设计中存在的问题，分析了海底管线 的实际铺设环境，研究了地震条件下海底管线和地层的相互作用，给出了地震条 件下管土之间约束状态的判断准则。谭平等【3 7 】对天然气管道系统的地震激发的 动态响应进行了分析，计算出了三维地震激发的管系模态、管系位移、转角响应 幅值，以及地震激发的管系模态响应系数。 埋地管道的工作状态远较地面露天管道复杂，其原因主要是在外载荷( 如地面 载荷、土壤重力等) 作用下，管道周围的土壤介质与管壳结构之间存在着变形约束 与力的相互作用。这些问题有的迄今尚未完全弄清。目前有效的研究方法是从管、 土体系入手，判别管道刚性，进而分析和提出沿管线的管项垂直土压力性态。按 管道与土壤的相对刚度不同可将埋地管道分为柔性管和刚性管。所谓相对刚度指 的是管道的自身刚度与管道周围土壤的刚度之比，简称管土相对刚度比。钢管一 般都属于柔性管( 管、土相对刚度比小于1 ) 。它们的特点是在土压力等作用下管断 面的变形量很大，计算时不可忽略；铸铁管和钢筋混凝土管等都属于刚性管( 管、 土相对刚度比大于1 ) 。它们在土压力等作用下管断面变形量很小，计算时可以不 计。按管道埋置方式与受力状态的不同可将埋地管道分为沟埋式与上埋式。沟埋 式埋管也称窄槽式埋管，埋管前沿管线开挖很狭窄的矩形断面的沟槽，然后敷管、 回填土料并加以分层夯实。当填土体在重力等作用下发生沉陷变形时，沟槽侧壁 的摩阻力会对下沉土体起向上的牵制作用，从而减轻了管顶上的垂直土压力，因 此沟埋管所受垂直土压力小于管上土柱重量【3 引。这种由于边界约束所产生的摩阻 力对管顶土压力所起的卸荷作用，将随着沟槽宽度的加大丽逐渐减弱，当槽宽加 6 硕士学位论文 大到某一极限值时，槽壁的摩阻力对管项土压力已不起卸荷作用。此时管顶受力 条件就如同上埋式，这极限槽宽称为“临界槽宽 。上埋式埋管在开槽埋管时， 管侧留有较大的空间，以供施工、操作、通行，此时槽壁的摩阻力对管顶土压力 不起卸荷作用。 在埋地管道的计算与分析中，与地上管道相比，埋地管道除承受地上管道的 载荷外，受到的载荷还有：回填土重量引起的外压力：车辆的轮压力或地面堆置 载荷；沿管线遇到土壤不均匀沉陷，以及由于施工开挖，使地基产生不均匀沉陷 而出现的力。这也是埋地管道比地面管道相对复杂的方面【3 9 1 。 1 3 环境因素对埋地管道的影响 1 3 1 地质灾害 自然变异和人为作用都可能导致地质环境或地质体发生变换，当这种变化达 到一定程度时，便给人类和社会造成危害，即地质灾害，如地震、崩塌、滑坡、 泥石流、地面沉降、地面塌陷、土地沙漠化等。现分析地质灾害对埋地管道运行 安全性的影响【4 们。 1 3 1 1 地震 地震是人们通过感觉和仪器察觉到的地面振动，是一种比较普遍的自然现象。 它发源于地下某一点，该点称为震源，震动从震源传出，在地层中传播。地面上 离震源最近的一点，称为震中。它是接受振动最早的部位。强烈的地面振动，即 强烈地震，会直接和间接地造成破坏，成为灾害。凡由地震引起的灾害，称之为 地震灾害。 直接地震灾害是指由于强烈地面振动及形成的地面断裂和变形，引起建筑物 倒塌、生产设施损坏，造成人身伤亡及大量物质的损失。间接地震灾害则是指由 于强烈地震而使山体崩塌，形成滑坡、泥石流；水坝、河堤决口或发生海啸而造 成水灾；引起油气管道泄漏、电线短路或火源起火而造成火灾；使生产、储存设 备或输送管道破坏造成有毒气体泄漏、蔓延。 国内7 级以上地震的地理分布非常局限，仅分布在吉林省的延吉、安图、晖 春和黑龙江省的穆棱、东宁、牡丹江一带，大致呈北偏西方向展布，震源深度一 般为4 0 0 - - - , 6 0 0 k m ，震级5 7 5 级。 地震灾害是由传播的地震波和永久性地土变形而引起的。地震波所能影响的 区域要比永久性地土变形影响区域大，破坏管道系统薄弱部位的可能性大，而永 久性的地土变形比地震波的危害更大，常引起灾难性破坏。 地震对埋地管道、输送站( 场) 造成的危害有： 7 埋地管道在地震波作用下的动力响应分析 ( 1 ) 造成电力、通信系统中断、毁坏； ( 2 ) 永久性地土变形，如地表断裂、土壤液化、塌方等，引起管线断裂或严 重变形，构( 建) 筑物倒塌； ( 3 ) 地震波对埋地管道产生拉伸作用，但由此动力激发的惯性效应极小，不 至于造成按规范标准建设的埋地管道的破坏，但是有可能使那些遭受腐蚀或焊接 质量较差的薄弱管段破坏； ( 4 ) 地震产生的电磁场变化，干扰控制仪器、仪表正常工作。 为提高埋地管道抗震能力，应选择适当的管道线路，避开在动力作用下产生 液化的地震不稳定性区域及烈度在7 度以上的区域。对个别土质较差的地区则应 采取夯实、换土、加固等措施，山区管道要敷设在切土后做成的平台上，并设置 挡土墙。 1 3 1 2 滑坡、崩塌危害 滑坡是指斜坡上的岩土体由于种种原因在重力作用下沿一定的软弱面( 或软 弱带) 整体地向下滑动的现象；崩塌是指斜坡上的岩土体由于种种原因在重力作用 下部分地崩落塌陷的现象。滑坡、崩塌除直接成灾外，还常常造成一些次生灾害， 如在滑、崩过程中在雨水或流水的参与下直接形成泥石流；堵断河流，引起上游 回水使江河溢流，造成水灾。 云南、四川、西藏、贵州等西南地区为国内滑坡、崩塌分布的主要地区，滑 坡、崩塌的类型多、规模大、频繁发生、分布广泛、危害严重；西北黄土高原地 区，以黄土滑坡、崩塌广泛分布为其显著特；东南、中南等省山地和丘陵地区， 滑坡、崩塌规模较小，以堆积层滑坡、风化带破碎岩石滑坡及岩质滑坡为主，其 形成与人类工程经济活动密切相关；西藏、青海、黑龙江北部的冻土地区，分布 有与冻融有关、规模较小的冻融堆积层滑坡、崩塌；秦岭至大别山地区也是国内 主要滑坡、崩塌分布地区之一，堆积层滑坡大量出现。 滑坡、崩塌对埋地管道、站( 场) 造成的危害有： 损坏电力、通信系统，引起电力、通信中断，以至于管道系统无法正常工作； 形成的岩石或泥石流挤压管道，造成管道出现拉伸、弯曲、扭曲等变形甚至断裂； 引发的洪水冲刷管道会导致管道悬空，使管道在热应力和重力的作用下产生拱起 或下垂等变形；造成管道地基沉降，进而引起管道变形或断裂；毁坏输送站、储 存库内的储罐、计量设备、泵或压缩机组、阀门及管道等设备和建( 构) 筑物。 1 3 1 3 地面沉降危害 地面沉降是指在一定的地表面积内所发生的地面水平面降低的现象。作为自 然灾害，地面沉降发生有着一定的地质原因，如松散地层在重力作用下变成致密 地层、地质构造作用、地震都会导致地面沉降。也有人为因素，如人类过度开采 8 硕士学位论文 石油、天然气、固体矿产、地下水等直接导致了地面沉降。但随着人类社会经济 的发展、人口的膨胀，地面沉降现象越来越频繁，沉降面积也越来越大，人为因 素已大大超过了自然因素。 地面沉降对埋地管道、站( 场) 造成的危害有： ( 1 ) 导致管道下部悬空或产生相应变形，严重时发生断裂； ( 2 ) 地面输送站( 场) 、储存库设备、管道及建( 构) 筑物损坏，设备与管道连 接处变形或断裂； ( 3 ) 造成地下油气储存设施的破坏。 1 3 1 4 土地沙化、水土流失 在青藏高原，近二十年来进行了两次公路改建施工，施工过程中公路加宽填 高的大量土方取自管道附近，加上农牧民的开垦、放牧，破坏了草原植被而造成 大范围沙化地带。高原是多风地区，有资料表明：泵站历年平均风速为3 8 4 9 m s ，如此高的风速能使成片沙漠搬家，导致管道长距离裸露或悬空。并且， 高原的夏季也常有大雨滂沱和洪水泛滥的情况发生，加上高山上的积雪融化造成 的季河奔流，冲开管道，使之裸露或长距离悬空。 另外，中国又是世界上黄土分布最广的国家。地质地貌为山地丘陵和黄土地 区地形起伏。黄土或松散的风化壳在缺乏植被保护的情况下极易发生侵蚀。而国 内大部分地区属于季风气候，降水量集中，雨季降水量常达年降水量的6 0 8 0 ，且多为暴雨，易于发生水土流失。这些因素会导致管道长距离裸露或悬空。 土地沙化、水土流失对埋地管道造成的危害有： ( 1 ) 裸露管道防腐覆盖保护层易于老化，缩短管道的使用寿命； ( 2 ) 破坏管道埋深1 2 1 4 m 埋深的恒压作用，使管道在热应力的作用下产 生拱起或下垂等弯曲变形，甚至产生破坏； ( 3 ) 长距离悬空容易使管道失稳而折断，造成严重的跑油和停输事故。 1 3 2 气候灾害 由于大气作用对人类生命财产、国民经济建设和国防建设等所造成的损害， 称为气候灾害，它包括干旱、寒潮、雷电、低温、雪暴、大雾、暴雨、台风、热 浪和沙尘暴等。对埋地管道系统危害最为严重的是台风、雷电、低温和洪水。 1 3 2 1 台风 台风又称热带气旋，是发生在热带或副热带海洋上的大气漩涡，在北半球作 逆时针方向旋转，在南半球作顺时针方向旋转。它主要是依靠水汽凝结时放出的 潜热而生成的。热带气旋的强度是以其中心附近的最大平均风力来确定，共分热 9 埋地管道在地震波作用下的动力响应分析 带低气压( 6 7 级) 、热带风暴( 8 9 级) 、强热带风暴( 1 0 1 1 级) 和台风( 1 2 级及以 上) 台风的破坏力最强，而造成破坏的主要原因有： ( 1 ) 热带气旋中心附近的风速常达4 0 6 0 m s ，有的可达l o o m s 以上，引 起巨浪； ( 2 ) 热带气旋移近陆地或登陆时，由于其中心气压很。低及强风可使沿岸海 水暴涨，形成风暴潮，致使海浪冲破海堤、海水倒灌，造成人民生命财产的巨大 损失； ( 3 ) 迄今为止，最强的暴雨是由热带气旋产生的，并且能引起山洪暴发或使 大型水库崩塌等，造成巨大洪涝灾害。 台风对埋地管道、站( 场) 造成的危害有： ( 1 ) 破坏供电、通信系统，引起电力、通信中断，以致于引发故障； ( 2 ) 损坏港口输送( 接收) 站、陆地管道及储存库内的设备、设施，使系统无 法正常工作； ( 3 ) 造成站、库内建( 构) 筑物倒塌，或管道附近高层建( 构) 筑物倒塌，从而 损坏设备设施或管道。 1 3 2 2 雷电 雷电是一种大气中放电现象，产生于积雨云中。积雨云在形成过程中，某些 云团带正电荷，某些云团带负电荷。它们对大地的静电感应，使地面或建( 构) 筑 物表面产生异性电荷，当电荷积聚到一定程度时，不同电荷云团之间，或云团与 大地之间的电场强度可以击穿空气( 一般为2 5 - - 3 0 k v e m ) ，开始游离放电，称之 为“先导放电”。云对地的先导放电是云向地面跳跃式逐渐发展的，当到达地面时， 地面上的建筑物、架空输电线等，便会产生由地面向云团的逆导主放电。在主放 电阶段里，由于异性电荷的剧烈中和，会出现很大的雷电流( 一般为几十k a 至几 百z a ) ，并随之发生强烈的闪电和巨响，这就形成雷电。 雷电的危害方式分为直击雷、感应雷、球形雷三种，最常见的是直击雷和感 应雷。直击雷就是雷电直接打击到物体上；感应雷是通过雷击目标旁边的金属物 等导电体产生感应，间接打到物体上；球形雷民间俗称“滚地雷”，是一种带有颜 色的发光球体，般碰到导体即消失。在这些雷击中，直接雷危害最大。 雷电危害是多方面的，但从其破坏因素分析，可归纳为如下三类： ( 1 ) 电性质的破坏雷电放电可产生高达数万伏甚至数十万伏的冲击电压，因 此，可以毁坏电动机、变压器、断路器等电气设施的绝缘，引起短路，导致火灾、 爆炸事故；烧毁电气线路或电杆，造成大规模停电而引发安全事故；反击放电火 花也可能引起安全事故；使高电压电流窜人低压电流，造成严重的触电事故：巨 大的雷电流流入地下，在雷击点及其连接的金属部分产生极高的对地电压，可直 1 0 硕士学位论文 接导致接触电压或跨步电压的触电事故。 ( 2 ) 热性质的破坏当几十至上干安培的强大电流通过导体时，在极短的时间 内将转换成大量的热能。雷击点的发热能量约为5 0 0 - 2 0 0 0 j ，这一能量可熔化体 积为5 0 - - - 2 0 0 m 3 。的钢。故在雷击通道中产生的高温，往往会造成火灾； ( 3 ) 设备设施的破坏由于雷电的热效应作用，能使雷电通道中木材纤维缝 隙和其他结构缝隙中的空气剧烈膨胀，同时也使木材所含有的水分及其他物质分 解为气体。因此，在被雷击的物体内部出现强大的机械压力，导致被雷击物体遭 受严重的破坏或爆炸。 埋地管道系统中，存在高大建( 构) 筑物或设施，如办公楼、储存设施、通信 塔等。如果这些设备设施的防雷设施未设置、设置不合理，或防雷设施损坏未及 时进行修复，将造成直接雷击破坏。 1 3 ，2 3 低温 低温对埋地管道的危害主要体现在两个方面：一方面是使管道材料脆化，即 随着温度降低，碳素钢和低合金钢的强度提高，而韧性降低。当温度低于韧脆转 变温度时，材料从韧性状态转变为脆性状态，使埋地管道发生脆性破坏的概率大 大提高。另一方面，低温使埋地管道输送介质中的液体、气体发生相变，如水蒸 气变为水，水变为冰等，引发管路堵塞( 凝管) 事故。此外，由于热胀冷缩的作用， 随着环境温度的降低，有可能导致较大的热应力。 1 3 2 4 洪水 洪水是由于暴雨、急剧的融化冰雪、或堤坝垮坝等引起江河水量迅猛增加及 水位急剧上涨的现象。暴雨洪水是由较大强度的降雨而形成的洪水，在中国它是 最主要的洪水，其主要特点是峰高量大、持续时间长、洪灾波及范围广。 暴雨洪水在山区形成山洪，即山区溪沟中发生暴涨暴落的洪水。由于地面河 床坡降都比较陡，降雨后汇流较快，形成急剧涨、落的洪峰。所以山洪具有突发 性，水量集中，流速大，冲刷破坏力强，水流中挟带泥沙甚至石块等特点，严重 时形成泥石流。 泥石流暴发突然、运动快速、历时短暂、破坏力极大，是特殊的含水固体径 流，固体物质含量很高，可达3 0 - - 8 0 。流体作直线惯性运动，遇障碍物不绕 流而产生阻塞、堆积等正面冲击作用。 中国洪涝最多的地区是：广东、广西大部、闽南地区；湘赣北部；苏浙沿海 和闽北：淮河流域；海河流域。其次是湘赣南部和闽西北：汉水流域和长江中游 及川东地区；黄河下游地区；辽河地区。 洪水对埋地管道、站( 场) 造成的危害有： ( 1 ) 损坏电力、通信系统，引起电力、通信中断，以致于管道系统无法正常 埋地管道在地震波作用下的动力响应分析 工作； ( 2 ) 冲刷管道周围的泥土，会导致管道裸露或悬空，使管道在热应力和重力 的作用下拱起等弯曲变形； ( 3 ) 大面积的洪水会使管道地基发生沉降，造成管道的变形甚至断裂； ( 4 ) 洪水引发的泥石流挤压管道，造成管道变形甚至断裂。 1 3 3 环境灾害 由环境污染引起的灾害称为环境灾害，如工业“三废 ( 废气、废水、废渣) 污染、酸雨、全球性气候异常等。环境灾害对埋地管道的危害主要是腐蚀。 1 3 3 1 无意破坏 就国内目前的情况，由于购买管廊所有权属手续复杂，所需资金较多，为了 降低企业运营成本，一般管道运营企业只购买埋地管道管廊使用权，而未购买管 廊土地所有权。而埋地管道线长：面广、点多，所经行政区域范围大，因此造成 对其管理的难度增大。在其经过经济发达地区或城镇范围内，由于建( 构) 筑物的 施工、道路和桥梁等基础设施的建设、各种地下管线的敷设都是各自为政、没有 统一规划，涉及的管理部门众多，难于协调，所以在施工的同时，经常出现有损 埋地管道的现象。对于穿越河流、铁路、公路的管道，当航道、铁路、公路分别 进行清淤、维护施工作业时，如果未充分考虑管线的安全，很有可能对其造成破 坏。由于只有管廊使用权，因此管道附近甚至管道上都存在生产现象或取土情况， 这势必危及管线的安全，特别是管道附近大型建( 构) 筑物施工、爆破作业将带来 管道地基沉降，引起管道悬空，这样既破坏管道埋深恒压状态，又引起管道弯曲、 变形甚至断裂。 由于国内对压力管道的管理滞后，没有达到有序管理的水平。有一些单位和 个人受经济利益的驱使，常常忽视安全生产和管理，在管道附近空地甚至管道上 修建公路、房屋、建( 构) 筑物等设施、或进行开挖沟渠、挖砂、生产、打井等作 业，造成严重占压埋地管道现象。这种占压现象，既构成了对管道基础的破坏， 引起基础下沉，又增加了管道的负荷、破坏了管道的恒压状态，造成管道弯曲变 形甚至损坏。 另外，管线所经之地，除了人类活动的地区外，还经许多的山林、田野等地 区。在这些地区，一般都有自然生长的树木、灌木等植物。当这些根深植物在管 道附近甚至管道上生长时，由于地点偏僻不便巡线，造成漏巡，并且管道一般敷 设深度在1 2 m 左右，有时甚至更浅，树根很容易达到管道处。因此，深根植物 的根系将缠绕、挤压、损坏管道的防腐覆盖层，造成管道防腐失效。 1 2 硕士学位论文 1 3 3 2 有意破坏 埋地管道输送的介质如油品、天然气等，具有较高的经济价值，一旦盗取可 以获得一定的经济利益。一部分不法分子为了获取经济利益，而不惜冒着生命危 险破坏国家财产，进行各种盗油、盗气活动。加上国内相关的法律、法规不很完 善，造成管道运营企业管理乏力：管道所经行政区域多，牵涉的管理部门多及地 方保护主义等因素，使管理难度加大；管道运营企业管理职能不到位，管理措施 不适合：特别是管道企业没有权力限制人身自由的权利，要有效地打击开孔盗油、 盗气，就必须与警方积极沟通、合作，取得当地政府、当地公安部门的支持。如 果企业沟通不及时、公安部门打击不严厉，将使这种有意破坏经常发生，给国家、 企业带来了巨大的经济损失。 埋地管道有意破坏表现为盗、扒管道防腐层、仪器仪表、阀门或附属设施， 在管道上开孔盗油、盗气，或者人为蓄意破坏管线设施等。过去，对埋地管道的 有意破坏，只是小规模、无组织、单个进行，对管道运行造成的破坏小、损失也 小。近年来，打孔盗油、盗气已发展成团伙作案，不法分子大都手持木棒、尖刀 等凶器，个别甚至还非法持有枪支、高科技监控设备等。他们采用高科技设备， 使盗取活动更加隐蔽；进行武装，如果遇到公安机关的抓捕行动，开枪拒捕。还 有一些不法分子为报复社会的不满，或胁迫公安机关释放被关押的盗油、盗气犯 罪团伙头目，对管道实施报复性破坏，在管道上打孔后扬长而去，任其外泄。疯 狂盗油、盗气活动，给企业和国家财产造成的损失特别严重。