川氣東送管道地質災害監測預警技術應用研究

常立功 解應濤

(天然氣川氣東送管道分公司,湖北武漢 430205)

川氣東送管道地質災害監測預警技術應用研究

常立功 解應濤

(天然氣川氣東送管道分公司,湖北武漢 430205)

油氣長輸管道沿山地敷設,易遭受地質災害侵襲。山地地質災害頻發,而管道埋深淺,且為薄殼鋼管結構、內含高壓易燃易爆介質,因此管道受地質災害威脅的安全風險較高,防治地質災害是管道安全管理工作中的一項嚴峻課題。管道地質災害監測預警正是管道安全管理的一個重要環節。本文針對川氣東送管道距離長、地質情況復雜等特點,采用室內外實驗相結合、現場數據與數值分析相結合的方法,對管道地質災害監測預警技術進行應用研究。

管道 地質災害 監測預警技術 受力分析 應用研究

我國，管道地質災害是伴隨西氣東輸、忠武輸氣管道、蘭成渝成品油管道及川氣東送管道等長距離穿越山區管道的建設而新涌現出來的一類地質災害型式，并已逐步被認識和重視。川氣東送管道是中國石化第一條長距離輸氣管道，管道全長2306km，其中普光與宜昌區間段管道穿行于川渝-鄂西山區，管道沿山地敷設，長達765．21km，特別容易受地質災害的侵襲。為能及時的發現管道地質災害及有效地進行管道地質災害預測預報，通過結合管道地質災害的特點，充分利用和借鑒地質災害領域中先進的監測預警技術，建立管道地質災害監測預警系統，服務于管道地質災害預報預警，是目前我國管道地質災害預報預警技術工作的方向。

1 管道地質災害特征

經管道地質災害調查(2010-2011)，川氣東送管道川渝-鄂西段管道穿行于山區，該段地質條件復雜，地質災害發育受各區段地形地貌、地質條件等之間的差異，管道沿線地質災害空間分布具有不均勻性。沿線發育的地質災害類型包括:滑坡(含潛在不穩定斜坡)、崩塌(危巖、高邊坡)、水毀(坡面水毀、河溝道水毀、臺田地水毀)等。在調查中共編錄各類地質災害或潛在地質災害點(線、段)431處，其中滑坡(含潛在不穩定斜坡)48處，危巖(崩塌、邊坡)42處，水毀問題341處。這些地質災害對管道存在不同程度的直接或間接的危害。沿線管道地質災害在發育規模上相對較小，方量小于10×104m3的滑坡占調查結果中滑坡總數的81．25%，沿線大部分崩塌方量均小于1×104m3。但管道埋深淺、且為薄殼鋼管結構、內含高壓易燃易爆介質，特別容易受地質災害的侵襲，即使較小的地質災害，也可能造成管道的嚴重損毀。所以，常規的地質災害規模分類不能夠反映管道地質災害的特點，管道地質災害規模劃分應小于一般地質災害規模劃分，考慮其危害對象的特殊性，在體積規模等級劃分中相應降低了分級指標。(見表1、表2)

川氣東送管道沿線地質災害規模比較小，但突發性強，且受水的影響較大。純自然的地質災害較少，與人類工程活動相關的地質災害所占比例較大。地質災害的發生具有叢集性，部分管段分布較密集，另外的管段分布相對較少。

表1 一般滑坡/管道滑坡規模等級劃分

表2 一般崩塌/管道崩塌規模等級劃分

2 監測系統建設

2.1 檢測系統建立

選取白氏坪滑坡，對其實施了監測系統建設，監測主要手段采用GPS地表大地變形監測法，同時配合坡體地表巡查的方法。在白氏坪滑坡監測中選用了平面精度指標為±(5mm＋1ppm)的3套Trimble 4700雙頻接收機，6套中海達8200G接收機。坡體埋設監測墩10個(其中個基準點3個監測點7個)。監測墩和強制對中盤的規格均按國家標準和變形監測規范制作，且為現場混凝土澆注。如圖1。

圖1 白氏坪滑坡監測監測系統效果

地質災害地表巡查對災害的預測預報及防治效果檢測有著至關重要的作用，其主要內容為宏觀地質調查與宏觀地裂縫的簡易監測。宏觀地質調查是采用常規的滑坡、危巖及邊坡崩塌變形形跡追蹤地質調查方法，進行人工巡視，了解、掌握滑坡、危巖及邊坡崩塌的變化情況。后者是對于混凝土地面、條石地面、漿砌石擋土墻等硬質地部位發現有裂縫的地質災害，建立裂縫監測標志，并用鋼圈尺或千分尺等相應測量儀器進行讀數監測。

2.2 監測結果分析

截止目前，對白氏坪滑坡已進行了8期監測。為了直觀反映監測點的3維位移情況，對WGS84下的大地坐標進行了投影，得到在WGS84(World Geodetic System 1984)下的平面直角坐標。為了減小投影變形，采用了任意帶的高斯投影。選用的觀測值類型是L1載波相位觀測值；解算類型為L1固定解。基線解算成功后，先進行自由網平差(無約束平差)。再以首期監測成果中監測基準點為約束條件，進行約束平差。比較各監測點前后坐標值的變化，從而可以獲得每個點的位移變化情況。

簡易裂縫監測采用千分尺讀數，在每期監測中，對每條裂縫進行3次讀數，并取其平均值與前期監測結果進行對比。

根據GPS監測結果和簡易裂縫監測結果統計，可看出在監測時期內，坡體整體變形量以及變形速率較小，坡體基本處于穩定狀態。但從變化曲線發展趨勢看出，2012年4月份以后，坡體變形量及變形速率有所增加，從截止目前的各積累量可以看出，白氏坪滑坡BSP1、BSP4、BSP5和BSP7監測點的x方向變形量較大，其積累變化量為1-1．2cm，BSP1和BSP4監測點在Y、H方向變形量較大，各積累變化量接近1cm。其次，從簡易裂縫積累變化量可看出，滑坡體南側墻體呈現拉升趨勢，北側為壓縮趨勢。(如圖2所示)

圖2 白氏坪滑坡監測位移變化區

3 管道變形(受力)模型分析

根據實際工程監測案例對白氏坪和羅針田滑坡進行模擬研究。白氏坪滑坡中管道從其后緣橫穿而過，管道穿越長度約50m，考慮滑坡后緣坡度大，滑坡為推移式滑坡，在建模時，管道荷載主要以管道正上方土壓力為主。建模所用參數如圖2所示。

管材:管材采用X70型鋼，彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0．3，密度ρ=7．9×103kg/m3，管材的線膨脹系數α=1．2×10-5m/(m·℃)，最低屈服極限οs=540Mpa，管道埋深h=2m。

管道尺寸:管道規格為φ1016mm×28mm，即外管徑D=1016mm，壁厚t=28mm。

荷載:管道輸氣壓力p=4．0MPa；溫差ΔT=－10℃。

其它參數:土壤縱向阻力綜合系數cx0=5．88N/cm3；土壤橫向阻力綜合系數cy0=2．45N/cm3；滑坡體外土壤的極限抗剪強度tf=24．6kN/m。

根據以上基本特征進行管道建模，并以滑坡出現整體變形蠕滑使管道接近懸空只承受正上方土壓力的最不利狀態進行分析管道的受力變形。經模型軟件計算，白氏坪滑坡在整體變形蠕滑時，后緣管道上方土體對管道的壓力不足以使管道屈服破壞，但管道在上方土壓力作用下于穿越兩段出現最大應力。為使管道達到屈服極限狀態，在本次模擬計算中，將人為加大管道上方土體厚度，其他參數不變，根據模擬計算結果，在管道最大應力值為277．95Mpa時，管道屈服。在此管道達到屈服破壞狀態時，管道變形為6cm，此時管道上方施加力為2．3×105Pa。取土密度為2150kg/m3，即當管道上方覆蓋土厚度為10．7m時管道破壞。

由此可知，在類似白氏坪滑坡的管道橫穿滑坡后緣的滑坡演化變形中，當滑坡后緣整體向前滑動時，將使管道出現懸空狀態，造成上部及后部土體全部作用于管道體上，導致管道處于臨界破壞狀態。

4 結論與建議

綜上所述，管道地質災害相比一般地質災害具有其比較明顯的特征，管道地質災害在發育規模上相對一般地質災害均較小，故管道地質災害規模等級的劃分界限相應降低。管道地質災害監測技術方法與一般地質災害監測技術存在一定的區別與聯系，目前在管道地質災害監測預警技術方面的研究較少，管道地質災害監測技術體系和管道安全預警技術的研究都借鑒了一般地質災害的監測、預警技術模型，但針對管道地質災害特殊的保護對象，管道地質災害監測預警技術研究的重點是以管道為中心展開的災害體小變形監測預警。管道地質災害的監測預警目前尚處于開發探索研究階段，通過管道地質災害模型的數學理論與模擬計算，對管道在災害作用下沿線的受力變形有了明確的認識掌握，在分析管道地質災害發育變形特征及監測數據的基礎上結合這種理論和模擬的計算，可有效地開展管道地質災害預警。