滑坡段顺坡敷设管道应力分析及治理措施

摘要：为研究滑坡段顺坡敷设管道的应力特点和滑坡段管道的治理方法，以山西沁水盆地煤层气外输管道通过某滑坡体为例，根据现场滑坡监测数据和当地地形条件，采用ANSYS软件按管道实际工况对该段管道进行数值模拟。结果表明，在坡体下滑作用下，上方管道受拉，下方管道受压，并推测管道受力已超出规范允许范围（0.9倍屈服强度）。并根据数值模拟的结果，分别提出了滑坡和管道本体的治理措施。

关键词：滑坡顺坡敷设长输管道应力分析 治理措施

The reason analysis of hunch-up Pipeline which laying downward grade

[Abstract]Taking shanxi qinshui basin CBM external pipeline through a landslide pipeline hunch-up section as an example,According to the landslide monitoring data and the local terrain conditions, using mechanics method preliminary analysis pipeline hunch-up for Slope body movement; caused by pipeline pick ditch operation. And using the ANSYS software according to the actual working condition take a numerical simulation. Numerical simulation results show that the upper pipe is drawn and The bottom pipe is extrusion, pipeline excavation cause lateral constraint relieved, and the joint action of that cause the pipe hunch-up. Verify above conclusions. And presumably pipe stress is beyond standard allow range (0.9 times the yield strength).

[Key words]landslidepipe laying downward gradepipelineStress analysis

中图分类号：P642.22文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

自然边坡受地质活动、气候变化、人类活动等多种因素影响,常常出现失稳变形,进而发展成滑坡。一些古滑坡也会在特定条件下复活。这些都使得油气管道所经边坡地段的滑坡灾害时有发生。滑坡段埋地管道一般分为顺坡敷设和横坡敷设两种情形。顺坡敷设即管道通过坡面时，管道与等高线交叉的敷设方式，横坡敷设即管道通过坡面时，管道基本平行与等高线的敷设方式[1]。

针对顺坡敷设管道的滑坡灾害现象，以山西沁水盆地煤层气外输管道顺坡敷设通过某滑坡体段为例，采用ANSYS软件按管道实际工况对该段管道进行数值模拟，对管道应力分析及滑坡治理措施进行探讨。

1 工程概况

1.1 管道概况

山西沁水盆地煤层气外输管道工程于2009年9月份投产运营。2011年9月30日沁水压气站东侧煤层气管道进站段坡脚处管道泄漏，10月1日即实现了成功抢修，并恢复通气。2011年10月22日，科力华安公司布置坡体变形监测点。2012年4月开始进行抗滑桩施工，到2012年8月中下旬滑坡治理工程完工，管道局三公司于8月28日完成管道挑沟作业，挑沟完毕后管线有少量位移发生；后根据监测数据，管道每天都有少量的位移（表1）；至2012年9月10日36米挑沟段管道起拱高度累计达到500mm（图1）。

图1挑沟段管道起拱情况

表1 挑沟段管道位移变化表

1.2 滑坡概况

滑坡由H1 和H2 两个滑坡体组成(图2、图3)。H1 滑体属工程引起的滑坡，滑体主要由第四系人工填土及第四系粉质粘土、碎石土组成；滑面沿基岩面滑动。由于公路路基填方所致，使H1 滑坡后缘及滑坡所处沟尽头堆积大量松散碎石类土，形成临空面，坡体表面局部已滑塌。根据勘察，滑坡面约8240m2，滑体厚度平均约10m，滑坡体积约82400m3，属小型中层推移式堆积层滑坡。H2 滑体属工程滑坡，滑体物质主要由第四系人工填土及第四系粉质粘土、碎石类土组成；滑面沿基岩面滑动。由于公路路基填方所致，H2 滑坡后缘、前缘及侧壁均堆积大量回填碎石类土，前缘形成较大临空面，滑坡后缘及公路路面已出现多条拉张及剪切裂缝。滑坡面积约20360m2，滑体厚度平均约20m，滑坡体积约407200m3，属中型中层牵引式堆积层滑坡。

图2 滑坡体组成平面示意图

图3 滑动地质剖面示意图

1.3 管道与滑坡位置关系

本滑坡段管道为顺坡敷设，红色线为煤层气管道平面位置(图2)，蓝色线为管道纵向位置(图3)。此段地区等级为三级，设计系数为0.5。煤层气管道设计压力为6.3MPa，一般线路段及冷弯管均采用Φ610×8.8mm L450 螺旋缝埋弧焊钢管，热煨弯管采用Φ610×11.1mm L450 直缝埋弧焊钢管。

2、起拱原因分析

2.1 机理分析

管道埋深在滑坡体内，2012年8月中下旬滑坡治理工程完工，由于土体密实和抗滑桩受力等原因，在此期间坡体仍在发生位移（图5）。截止到2012年9月8日累计最大矢量位移侧线E发生位移321.5mm。坡移导致滑坡体段管道上方受拉，下方受压，管道的轴向应力增大，由于管道周围存在土体约束，因此没有立即发生失稳。2012年8月28日的挑沟作业解除了管道周围的约束，引起管道发生失稳即起拱变形。根据上述分析，我们初步得出以下结论：

1、坡体下滑是管道起拱的主因；

2、挑沟作业是管道起拱的诱因。

图4 滑坡监测布局示意图

图5 各侧线平均矢量位移图

2.2数值模拟

为验证上述结论，采用ANSYS软件按管道实际工况对该段管道进行数值模拟。工况参数如下：

管道直径D=610mm，设计压力P=6.3MPa，管道壁厚t=8.8mm，热煨弯管壁厚t=11.1mm，管道材质:L450 (屈服强度450MPa)，管道敷设:管道长度438.6m,按MQ1-MQ15实际转角布置，坡移:考虑到管道与土体间的相对滑动作用，取部分累计土移场（最大位移矢量的50% 即161mm，北偏东46度 倾伏35度)，管道约束:按实际工况解除MQ5桩下游36m管段土壤约束。

具体数值模拟结果，煤层气管道位移图详见图6，管道轴力图详见图7，管道等较应力图详见图8。

图6 煤层气管道位移图

图7 煤层气管道轴力图

图8 煤层气管道等效应力图

数值模拟结果表明，在坡体下滑作用下，上方管道受拉，下方管道受压，下方管道挑沟作业造成横向约束解除，在坡体下滑和挑沟作业共同作用造成管道上拱。

按照目前推测的管道状态，管道等效应力为443MPa，已超出规范允许范围[2]（0.9倍屈服强度），但未超过屈服强度，如果坡移继续增加，管道受力很可能急速恶化，并引发难以预估的后果。滑坡体已经对管道的安全运营造成了严重威胁，必须进行治理[3]。

3、治理措施

3.1滑坡应急治理措施

管道受力分析评价报告和现场地表位移及管道应力监测情况，初步判定滑坡处于蠕动变形阶段，西一线干线和煤层气管道处于受力状态，存在极大的安全风险，应立即对滑坡体采取格构锚索等应急加固措施，为下一步永久治理赢取宝贵时间。

1、对坡体裂缝及时夯填，防止雨水下灌，对坡面局部进行平整，减少雨水入渗。

完善坡面和坡体排水系统，对管道周围坡面泉眼及地下水进行及时抽排以降低坡体含水量。

2、组织开展坡移和管道应变监测，以便掌握滑坡和管道本体的动态变化情况，为下一步治理措施的优化和实施效果的验证提供数据资料。

3.2 滑坡永久治理措施

依据坡移监测数据及坡体地质勘察结果，滑坡体处于不稳定状态，需要对滑坡体进行抗滑桩等永久性治理措施增强以提高坡体的稳定性。

1、初步考虑在中木亭连接线下边坡（锚索框架底部）布设一排A 型普通抗滑桩，桩截面1.8m×2.6m，桩长30m，共计6 根；在老公路下边坡（锚索框架底部）布设一排B 型普通抗滑桩，桩截面2.0m×3.0m，桩长28m，共计6 根抗滑桩，桩后设置钢筋混凝土挡土板，截面0.3m×2.0m，板长5.2m。抗滑桩采用人工挖孔，C25 钢筋砼现浇。

3.3管道本体治理措施

在坡体治理相对稳定的前提下，在原西一线和煤层气管道位置上方以浅埋的方式敷设新管道，在滑坡影响区域以外的上下游与原管道连接。西一线干线管道换管长度约270m，煤层气管道换管长度约263m。换管段管道管顶埋深取1.5m，西一线和煤层气管道两管并行间距为1.0m，管沟底宽为7.0m。管沟回填采用管沟内管道周围至管顶0.5m 回填中粗砂与泡沫屑混合料之后上覆原状土的方式回填（图9）。

图9 管沟断面形式及回填方式示意图

4结语

根据现场滑坡监测数据和现场的地形条件，初步分析管道起拱的主因为坡移；诱因为管道挑沟作业。并采用ANSYS软件按管道实际工况对该段管道进行数值模拟。数值模拟结果表明，在坡体下滑和挑沟作业共同作用造成管道上拱。并推测管道受力已超出规范允许范围（0.9倍屈服强度）。根据以上原因分析，提出了治理措施，为今后类似的工程事故治理提供了参考。

参考文献：

[1] 王鸿等.油气输送管道线路工程水工保护设计规范,SY/T 6793-2010.

[2] ASME B31.8, Gas Transmission and Distribution Piping Systems, 2010.

[3] 李忠.西康线东岭黄土坡山体滑坡的防治措施[J] 辽宁工程技术大学学报,2005,24(2):196-198.

作者简介：刘绍兴，男，1978年生，河北廊坊人，工程师，2007年毕业于中国矿业大学（北京）结构工程专业，现主要从事长输管道线路工程及水工保护设计工作。