地質災害對城市基礎設施的地下管道侵害影響研究

摘 要：本文通過力學分析和有限元分析處理理想的管道模型，研究了城市環境施工中地質災害對管道的侵害情況，重點關注滑坡和坍塌等地質災害。具體而言，本文討論了管道在地質災害中的受力情況，包括拉力和壓力情況下的計算方法，提出了分析模型如何根據管線材料等信息來預測裸露長度的極限，并對地質災害引起的管道破壞風險進行預測和評估。綜合而言，本文通過理論分析和有限元分析，研究了城市環境施工中地質災害對地下管道的影響，提出了科學的預測方式和防控措施，為城市基礎設施中地下管道的安全管理提供了重要支撐。

關鍵詞：地質災害；管道；力學分析；有限元分析；預測；防控措施

中圖分類號：TU434；TQ013.2 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0162-04

Research on the impact of geological disasters on theinfringement of underground pipelines in urbaninfrastructure

GUO Zhen 1，2

（1. Henan Academy of Geology，Zhengzhou 450016，China；

2. Henan Urban Geological Engineering Technology Research Center，Zhengzhou 450001，China）

Abstract：In this paper， the ideal pipeline model was processed through mechanical analysis and finite elementanalysis，and the damage of geological disasters to pipelines in urban environment construction was studied， focus?ing on geological disasters such as landslides and collapses. Specifically，this paper discussed the stress of pipelinesin geological disasters，including the calculation methods under tensile force and pressure conditions，proposed howthe analysis model could predict the limit of bare length based on pipeline materials and other information，and pre?dicted and evaluated the risk of pipeline damage caused by geological disasters. In summary， through theoreticalanalysis and finite element analysis， this paper studied the impact of geological disasters on underground pipelinesin urban environmental construction，and proposed scientific prediction methods and prevention and control mea?sures，which provided important support for the safety management of underground pipelines in urban infrastructure.

Key words：geological disaster；pipeline；mechanical analysis；finite element analysis；prediction；prevention andcontrol measures

城市環境施工過程中，地質災害如滑坡、坍塌等問題常常會引發嚴重的安全隱患，其中之一便是地下管道的受損和侵害。地下管道在城市中扮演著至關重要的角色，用于供水、供氣、供電、污水排放等基礎功能，一旦受到地質災害的侵害，將會導致供應中斷、環境污染和經濟損失等一系列嚴重后果。

在城市環境施工中，地質災害的發生通常與工程開挖、土壤變化、降雨等多種因素有關。為了有效預防和應對這些潛在的災害，有必要深入了解地下管道在地質災害中的受侵害情況，以制定科學的預測方式和防控措施。本研究旨在通過力學分析和有限元分析處理理想的管道模型，探討地下管道在地質災害特別是滑坡和坍塌等災害中受侵害的情況，并通過模擬數據分析提出相應的管道受災情況預測方法和防控措施。通過本研究，希望為城市環境施工中地下管道的安全管理和防災減災工作提供有力支撐，減少潛在的安全風險，確保城市基礎設施的穩定運行。

1 理論分析

城市環境施工中，地質災害如滑坡和坍塌可能對地下管道產生重大影響，本文采用了力學分析和有限元分析方法，對地下管道模型進行了詳細的理論分析，以探討其在地質災害中的行為。

1.1 力學模型

首先，考慮一個地下管道，其填埋深度約為1.05m，上方土層包括約30 cm雜填土與75 cm粉土。

基于此，考慮其受到滑坡等因素影響，導致沖溝侵蝕土壤，造成部分管線裸露。此時，管道懸空，其兩端沒有固定支撐，受到均勻向下的載荷作用。這個情況可以用一個懸空的管道梁模型來描述，如圖1所示：這個簡化模型中，管道的兩端無固定支撐，其變形會受到來自管道自重所引起的均勻載荷的影響，從而形成向下的豎直載荷，考慮到具體環境，其還可能有冰雪等因素堆積形成的載荷。與此同時，也包含有土壤在坍塌后的不同附加作用力，既包括有土滑動過程中的剪切力，也包括有兩側滑動段管道上方土重力傳導引起的豎直方向額外載荷。考慮到風載，則這一裸露段管道的整體受力輕微偏離豎直載荷方向，且整體以y對稱軸為中心對稱。

基于此，則可以具體分析其中一側的受力情況，如圖2所示。

2 模型建立

2.1 有限元分析框架

立足于數學分析結果，進一步引入有限元分析以具體細化考慮管道中的應力分布情況。

其參數設置如表1所示。

其中，管道結構的復雜性被簡化為連續塊的彼此間作用關系。具體而言，本文所使用的有限元模型將原有管道橫截面內的管壁6等分，以60°切面的角度進行拆分，并使用1 m長度管道為切分單位，以此構成管道結構。其中，1 m長度管道單體的模型結構如圖3所示。

基于此，本文考慮了管道在坍塌環境下的受力，并采用了對稱條件和邊界條件來模擬這種情況。具體來說，假設土壤物性和管道的受力和變形關于c—c軸對稱，使得模型得以在管道的對稱面上加入了對稱條件，將向下方向的自由度放開，同時固定了其余的5個自由度。從埋入端到固定端，模型近似線性計算了管道向下的位移，并考慮了管道本身的重量、管道內壓力、氣體重力以及管道上方土的作用。

2.2 應力場分析

基于管道基本參數分析，其應力的求解結果，如圖4～圖5所示。

隨著裸露長度的增加，軸向對稱面上端正應力、軸向對稱面下端正應力、軸向固定面上端正應力和軸向固定面下端正應力都呈現了明顯的增加趨勢。

這表明隨著管線裸露長度的增加，受到的各類應力也增加，這可能導致管線的應力集中，增加了管線受損的風險。最大Mises應力是用于評估材料的破壞情況的關鍵參數。

隨著裸露長度的增加，最大Mises應力也呈現出明顯的增加趨勢。這表明裸露長度的增加會導致管線受到更大的應力，可能增加了管線的破壞風險。

最大位移也隨著裸露長度的增加而增大。這表示管線在地質災害發生時移動的距離增加，增加的位移可能導致管線斷裂或損壞，對管道的穩定性造成威脅。

2.3 斷點預測與預防

基于這一模型的預測能力，則相應得以分析管線裸露、沖毀的極限長度，從而對管線斷裂等風險進行預測。

首先，收集關于管線材料的重要信息，特別是屈服強度、楊氏模量、泊松比等力學特性。這些信息將對裸露長度的極限分析起到關鍵作用。基于此，利用現場勘查結果可以了解管線所受的外部力和地質災害的性質，這將有助于確定管線在地質災害發生時所受的應力情況。

由此，使用有限元分析或其他適當的數值模擬方法，模擬管線在不同裸露長度下的應力分布和變形情況。這需要將管線的幾何形狀、邊界條件以及材料特性納入模型中。在模擬中，觀察管線上各點的最大Mises應力。當最大Mises應力超過管線材料的屈服強度時，可以認為管線已經達到了極限狀態。以此，確定導致管線斷裂的裸露長度。與此同時，管線自身的材料問題也可能引發更高水平的斷裂風險，即整體材料強度的不均勻分布使得應力高度集中于局部。因此，需要兼顧此類影響因素預留一定冗余，并進行敏感性分析，以了解不同因素對極限長度的影響程度，例如地質災害的性質、管線材料的性質、管線的深度等。這有助于理解哪些因素對風險最具影響力。

最后，模型得以結合地質災害的發生概率和可能的后果，進行風險評估。這可以幫助決策者確定是否需要采取措施來減少風險，例如改變管線的深度、加強管線的支撐或采取其他防護措施。

總體而言，這個過程需要結合工程建模、地質學、力學和風險管理的知識和方法。重要的是，模型的準確性取決于提供的數據和模擬的精確性，因此需要謹慎地收集數據和驗證模型。同時，定期更新模型以反映新的數據和情況也是至關重要的。

3 結語

本研究通過力學分析和有限元分析，深入研究了城市環境施工中地質災害對管道的侵害情況，特別是滑坡和坍塌等災害。通過模擬數據分析，提出了一套科學的管道受災情況預測方式和相應的防控措施，有望在城市施工和管道安全管理中發揮積極作用，減少潛在的安全風險。希望本研究的成果能為相關領域的決策和實踐提供有力支撐。

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（責任編輯：張玉平）