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滑坡作用下埋地管道的受力分析與防護(hù)對(duì)策

文檔作者：唐正浩，鄧清祿，萬(wàn) 飛，劉勇梅永貴文檔來(lái)源： 1．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院 2．華北油田山西煤層氣分公司，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年06月30日
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第45卷第3期
2 0 1 4年2月
人 民 長(zhǎng) 江
Yangtze River
Vo1．45．No．3
Feb．， 2014
文章編號(hào)：1001—4179(2014)03—0036—04
滑坡作用下埋地管道的受力分析與防護(hù)對(duì)策
唐正浩 ，鄧清祿 ，萬(wàn) 飛 ，劉 勇 ，梅永貴
(1．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢430074； 2．華北油田山西煤層氣分公司，山西晉城048000)
摘要：我國(guó)長(zhǎng)距離輸油氣管道沿途發(fā)育有眾多的地質(zhì)災(zāi)害，其中滑坡地質(zhì)災(zāi)害是導(dǎo)致埋地榆油氣管道損壞的
重要原因之一，因此，在滑坡變形帶中敷設(shè)管道時(shí)必須考慮坡體變形對(duì)管道的影響。根據(jù)工程實(shí)例，運(yùn)用AN—
SYS有限元模擬軟件建立模型，以Flac 軟件進(jìn)行計(jì)算，對(duì)管道橫穿、縱穿滑坡兩種不同形式下的管道受力和
變形進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明：管道橫穿滑坡時(shí)，管道兩端和中間部位易出現(xiàn)破壞；管道縱穿滑坡時(shí)，管道兩
端易出現(xiàn)破壞。最后，針對(duì)分析結(jié)果提出了管道穿越滑坡的防護(hù)對(duì)策。
關(guān)鍵詞：埋地管道；數(shù)值模擬；受力分析；防護(hù)對(duì)策；滑坡
中圖法分類號(hào)：P642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
我國(guó)幅員遼闊，地形復(fù)雜，特別是中西部山區(qū)發(fā)育
有眾多的滑坡。長(zhǎng)距離輸油氣管道往往不可避免地穿
越滑坡多發(fā)區(qū)?；碌刭|(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重影響了油氣管道的
正常安全運(yùn)行。
關(guān)于滑坡(含潛在不穩(wěn)定斜坡)的形成機(jī)制與運(yùn)
動(dòng)形式的研究已經(jīng)比較成熟，而埋地管道受滑坡作用
是復(fù)雜的非線性接觸問(wèn)題。在國(guó)外，前蘇聯(lián)科學(xué)家巴
拉達(dá)夫金和貝卡夫?qū)Φ鼗?由于滑坡而產(chǎn)生的土體
對(duì)管道的作用力)的兩種作用狀態(tài)進(jìn)行了研究? 。在
國(guó)內(nèi)，帥健，王曉霖等研究了地質(zhì)災(zāi)害作用下管道的破
壞行為與防護(hù)對(duì)策 ；鄧道明等提出用非線性方程計(jì)
算滑坡過(guò)程中管道的內(nèi)力和變形 ，但非線性方程考
慮因素比較多，計(jì)算起來(lái)較復(fù)雜；王磊等建立了輸氣管
道受滑坡垂向地滑力作用的力學(xué)模型 ，并用作圖法
對(duì)模型進(jìn)行求解，分析了管道的內(nèi)力和變形情況；林
冬，雷宇，許可方等采用人工堆積的方法構(gòu)建了埋設(shè)有
219 mm 口徑管道的全尺寸土質(zhì)滑坡模型 ，進(jìn)行了滑
坡對(duì)管道力學(xué)影響試驗(yàn)；郝建斌，劉建平，荊宏遠(yuǎn)等利
用極限平衡法推導(dǎo)了橫穿敷設(shè)情況下滑坡對(duì)管道推力
的計(jì)算方法 。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元、邊
界元的理論不斷完善，人們開(kāi)始采用數(shù)值模擬的方法
研究管土非線性接觸的問(wèn)題。由小川，張效羽等運(yùn)用
有限元軟件ABAQUS模擬了高壓天然氣管線在地質(zhì)
災(zāi)害下的失效行為 ，并提出了確保管道安全的懸空
跨度和埋置深度；楊俊，張崢，常波等 通過(guò)力學(xué)與有
限元的結(jié)合，利用ANSYS工程軟件建立管道在懸空狀
態(tài)下的大變形有限元模型，考慮土壤地基的影響，計(jì)算
了管道的最大應(yīng)力及其應(yīng)力分布。周曉瑩，郭永
華 ，史飛 等通過(guò)建立有限元模型，定性地分析了
不同影響參數(shù)情況下滑坡土體作用對(duì)埋地管道的力學(xué)
影響，得出了一些影響參數(shù)的規(guī)律性結(jié)論。
目前，滑坡作用下埋地管道的數(shù)值模擬研究較少，
且主要集中在管道橫穿滑坡的情況下。大部分的研究
都是定性地分析滑坡對(duì)管道的影響，缺乏工程實(shí)例。
本文根據(jù)已有的工程實(shí)例，運(yùn)用ANSYS有限元模擬軟
件建立模型，以Flac 軟件進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)管道橫
穿、縱穿滑坡兩種形式下埋地管道的受力和變形進(jìn)行
模擬分析。
1 管道與滑坡的位置關(guān)系
根據(jù)管道的走向與滑坡的滑動(dòng)方向，把管道與滑
坡的位置關(guān)系分為3類：① 管道橫穿滑坡，即管道走
向與滑坡滑動(dòng)方向垂直；② 管道縱穿滑坡，即管道走
向與滑坡滑動(dòng)方向平行；③ 管道斜穿滑坡，即滑坡滑
收稿日期：2013一l1一O2
作者簡(jiǎn)介：唐正浩，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害防治。E—mail：313564573@qq．COB
通訊作者：鄧清祿，男，教授，主要研究方向?yàn)檩斢蜌夤艿赖刭|(zhì)災(zāi)害的防治與分析。E—mail：dengqinglu@sohu．COB

38 人 民 長(zhǎng) 江
GP，泊松比0．3，密度7．9 X 10 kg／m ，管材的線膨脹系
數(shù)1．2 X 10 m／(m ·℃)，最低屈服極限540 MPa，管
道埋深2 m。
(2)管道尺寸。管道規(guī)格為01016 mm×21 mm，
即外管徑1 016 mm，壁厚21 mm。
(3)荷載。管道輸氣壓力4．0 MPa，溫差一10℃ ；
滑坡對(duì)管道的地滑力4．35 kN／m。
(4)其他參數(shù)。土壤縱向阻力綜合系數(shù)5．88
N／cm ，土壤橫向阻力綜合系數(shù)2．45 N／cm ，滑坡體外
土壤的極限抗剪強(qiáng)度24．6 kN／m。
4．1．3 模型建立及模擬結(jié)果
根據(jù)滑坡實(shí)體進(jìn)行建模分析，其模型及計(jì)算結(jié)果
如圖3～5所示。
圖3 滑坡和管道有限元模型
圖4 管道位移沿程曲線關(guān)系
圖5 管道內(nèi)力沿程曲線關(guān)系
從模擬計(jì)算結(jié)果可看出，在管道橫穿滑坡的情況
下，滑坡滑動(dòng)變形引起的管道穿越段中間的變形和撓
度最大，受力(應(yīng)力分布)則是兩端最大。經(jīng)不斷調(diào)節(jié)
滑帶土體相應(yīng)參數(shù)，至管道處于臨界破壞狀態(tài)時(shí)(模
擬中管道所受最大力為275．4 MPa。根據(jù)式 。<
[Or]=K6o- ，計(jì)算[ ]=0．5×1．0×540 MPa=270．
00 MPa<[O-]>< =306．14 MPa，管道此時(shí)處于破壞狀態(tài))，管道
變形量較小，滑坡變形最大位移為9 em(此值為滑坡
區(qū)變形最大理論值)。故縱穿滑坡管道對(duì)滑坡的變形
協(xié)調(diào)能力較差，滑坡的小變形就有可能導(dǎo)致管道屈服
破壞，在實(shí)際滑坡及管道監(jiān)測(cè)預(yù)警中，應(yīng)充分對(duì)管道兩
端進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
寶
X
R
圖7 邊坡和管道模型
圖8 管道內(nèi)力沿程曲線關(guān)系
5 滑坡區(qū)管道的防護(hù)對(duì)策
通過(guò)本文對(duì)滑坡作用下管道受力情況的研究，對(duì)
于長(zhǎng)輸氣工程中通過(guò)滑坡區(qū)的管道的防護(hù)，可以得到
如下幾點(diǎn)啟示。
(1)工程實(shí)例研究表明，較小的滑坡變形就可能
導(dǎo)致輸氣管線破壞。所以，管道應(yīng)采取改線、隧道穿
越、跨橋等方式繞避大型滑坡和治理困難的滑坡。當(dāng)
管道必須通過(guò)這些區(qū)域時(shí)，應(yīng)該采取防護(hù)措施并縮小
通過(guò)距離。同時(shí)管道應(yīng)盡量選擇遠(yuǎn)離變形區(qū)中心的位
置穿越滑坡。
(2)對(duì)輸氣管道受滑坡地滑力作用(不考慮管道
下側(cè)滑體對(duì)管線的作用)的研究表明，管道兩端和中
部是較容易破壞的部位，特別是兩端部位，因此在實(shí)際
管道滑坡的治理中應(yīng)盡量將防治措施靠近管道，這樣
才能真正確保管道的安全。
(3)根據(jù)前文的分析結(jié)果，管道穿越滑坡時(shí)，管道
兩端和管道中間易發(fā)生破壞，且管道破壞時(shí)，滑坡的位
移并不大(工程實(shí)例中，管道發(fā)生破壞時(shí)，橫穿條件下
滑坡的最大位移為54．8 cm，縱穿條件下滑坡的最大
位移為9 cm)。因此，對(duì)于輸氣管線所通過(guò)區(qū)域的滑
坡或滑坡群，除了實(shí)施相應(yīng)的治理措施外，也應(yīng)該加強(qiáng)
對(duì)滑坡體地表變形的監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解滑坡的變形情況，
這對(duì)判斷滑坡體中輸氣管道的受力情況具有間接的指
導(dǎo)作用。
6 結(jié)論
(1)管道橫穿滑坡時(shí)，地滑力垂直作用于管道軸
線方向，管道穿越段中間變形最大，兩端的應(yīng)力最大。
模擬中，管道穿越段中間最先被破壞，破壞時(shí)，管道中
間最大變形量為10．7 cm，滑坡區(qū)最大變形理論值為
54．8 em。可以看出，滑坡發(fā)生較小變形時(shí)，就可導(dǎo)致
管道破壞，且破壞部位一般位于管道穿越段中間。
(2)管道縱穿滑坡時(shí)，地滑力作用于管道軸線方
向，管道穿越段中間變形最大，兩端的應(yīng)力最大。模擬
中，管道兩端最先被破壞，破壞時(shí)，管道變形量較小，滑
坡區(qū)最大變形理論值僅為9 em?？梢钥闯?，縱穿滑坡
管道對(duì)滑坡的變形協(xié)調(diào)能力較差，滑坡的微小變形就
有可能導(dǎo)致管道破壞，且破壞部位一般位于管道穿越
段兩端。
(3)管道選線時(shí)，要注意采取繞避措施。當(dāng)管道
不得不穿越滑坡時(shí)，要采取監(jiān)測(cè)預(yù)警為主、治理為輔的
防護(hù)措施。
參考文獻(xiàn)：
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(編輯：趙鳳超)
(下轉(zhuǎn)第62頁(yè))
62 人 民 長(zhǎng) 江 2014生
通水。
(3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)施工過(guò)程的監(jiān)測(cè)強(qiáng)度，目前
混凝土內(nèi)部溫度通過(guò)溫度計(jì)等相關(guān)儀器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)
時(shí)監(jiān)測(cè)，但通水冷卻的進(jìn)出口溫度等依然采用人工數(shù)
據(jù)采集及計(jì)算調(diào)控，工作量很大，因此，需要增強(qiáng)智能
化、個(gè)性化冷卻通水的相關(guān)研究并加以推廣。
(4)目前分析通水冷卻效果的方法比較多，包括
定量、定性、有限元模擬和建模分析等，這些方法理論
性較強(qiáng)，假設(shè)條件太多，缺乏足夠的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐來(lái)驗(yàn)證其
有效性，因此，今后應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)溫控監(jiān)測(cè)，并將其作為
對(duì)冷卻通水進(jìn)行調(diào)控的最直接、有效的參考資料。
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成都：成都勘測(cè)設(shè)計(jì)院，200912．
(編輯：鄭毅)
Analysis on water cooling effect in foundation constrain zone of
high arch dam of Jinping I Hydropower Station
YAN Qiao，GAO Zhanhong，YU Yi，JIAO Yanbin
(College of Hydraulic and Environmental Engineering，China Three Gorges University，Yichang 443002，China)
Abstract： For exploring the concrete water cooling law of foundation constrain zone at right bank of high arch dam of Jinping I
Hydropower Station，statistical analysis was conducted for pipe cooling water temperature and dam inner temperature measured at
water cooling of stage I，mid—stage and stage II． It is concluded that cooling start time is an important factor for temperature
control，and the mid— stage cooling duration should be extended as long as possible． The results show that the water cooling
scheme adopted for Jinping I project can control the concrete temperature rise effectively．It is suggested that the in—situ cooling
temperature data should be treasured as the firsthand data for concrete temperature control，and the research on intelligent and in—
dividual water cooling should be strengthened．
Key words： foundation constrain zone；water cooling；concrete temperature control；Jinping I Hydropower Station
(上接第39頁(yè))
Stress analysis and protection measures of buried pipeline loaded with landslide
TANG Zhenghao ，DENG Qinglu ，WAN Fei ，LIU Yong ，MEI Yonggui
(1．Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China； 2．Shanxi Coalbed Gas Branch of Huabei Oil
Filed，Jincheng 048000，China)
Abstract： There are many geologic hazards along long—distance oil and gas pipelines in China and the landslide is one of the
important causes for failure of buried pipelines．Therefore，the influence of slope deformation on the pipeline must be taken into
consideration for the pipeline buried in landslide zone．According to the engineering examples．a(chǎn)nalysis models were built by u—
sing finite element software ANSYS．The stresses and deformation characteristics of the pipelines that transversally and longitudi—
nally pass through landslide were calculated by finite element software Flac3D．The analysis results show that for the pipeline
transversally buried in landslide，the both ends and central part of the pipeline are subjected to damage while for the pipeline Iongitudinally
buried in landslide，the both ends are easy to be damaged．Based on the analysis results，the protection measures are
proposed．
Key words： buried pipeline；numerical simulation；stress analysis；protection measures；landslide

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