堆载体诱发滑坡与油气管道相互作用的风险防控方法研究_马显春.pdf

完整性管理马显春等：堆载体诱发滑坡与管道相互作用的风险防控方法*油气田地面工程 https:/堆载体诱发滑坡与油气管道相互作用的风险防控方法研究*马显春1黄谱2乔坤3田波2魏楠2聂军2梁永龙21中铁西南科学研究院有限公司2中国石油西南油气田分公司川中油气矿3青海油田监督监理公司摘要：随着人类工程活动日益强烈，堆载体诱发的滑坡逐渐增多。为降低堆载体诱发滑坡对油气管道建设及安全运营的危害，亟待研究其发育机制及风险防控方法。通过资料搜集、现场调查、室内试验、物理模拟及理论分析，归纳总结了油气管道区堆载体特点及其诱发滑坡的发育阶段，提出了堆载体诱发滑坡与油气管道的相互作用机制及其风险防控方法。结果表明：堆载体诱发滑坡的发育阶段与油气管道变形具有对应关系，即在沉降压密阶段油气管道为弹性变形，从蠕变挤压阶段开始管道进入塑性变形；堆载体诱发滑坡的防控应采用尽早、尽小的原则。关键词：油气管道；堆载体；滑坡；作用机制；风险防控Study on Risk Prevention and Control Methods of Landslides Induced by SurchargeLoads and Their Interaction with Oil and Gas PipelinesMA Xianchun1，HUANG Pu2，QIAO Kun3，TIAN Bo2，WEI Nan2，NIE Jun2，LIANG Yonglong21China Railway Southwest Research Institute Co.，Ltd.2Chuanzhong Oil and Gas Mine of Southwest Oil and Gas Field Branch，CNPC3Qinghai Oilfield Supervision CompanyAbstract：With the increasing intensity of human engineering activities，landslides induced by sur-charge load are increasing day by day.In order to reduce the hazards of landslides induced by surchargeload to pipeline construction and safe operation，it is urgent to study their development mechanism andrisk prevention and control methods.Through data collection，field investigation，laboratory test，physical simulation，and theoretical analysis，the characteristics of the surcharge loads in the oil and gaspipeline area and the development stage of landslide induced by them are summarized，the interactionmechanism between landslides induced by surcharge loads and the oil and gas pipeline and the risk pre-vention and control methods are put forward.The results show that there is a corresponding relationshipbetween the development stage of landslides induced by surcharge loads and the deformation of oil andgas pipeline.In the stage of settlement and compaction，the oil and gas pipeline is elastically deformed，and the pipeline enters plastic deformation from the stage of creep and compression.The prevention andcontrol of landslides induced by surcharge loads should implement the principle of“as soon as possi-ble，as small as possible”.Keywords：oil and gas pipeline；surcharge load；landslide；mechanism of action；risk prevention andcontrol随着人类工程活动日益强烈，堆载体诱发滑坡对油气管道的危害日渐突出。拟建油气管道受滑坡威胁而绕避改线导致成本增加的案例增多，在建油气管道因滑坡灾害影响导致成本和工期大幅提升的事件时有发生1-2，滑坡危害将导致运营油气管道发生安全事故3-4，堆载体诱发滑坡严重威胁油气管道的建设、生产及运营安全。目前针对滑坡与油气管道的单方面研究成果较DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2023.02.012*基金论文：四川省科技计划应用基础研究项目（2019YJ0595），中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司科学研究与技术开发项目（2020-56321）。62第 42卷第 02期（2023-02）油气田地面工程 https:/完整性管理多。在国外，一些学者相继研究了土压力对不同管径油气管道的影响或管道的力学机制5-9。在国内，林冬等10-11研究了油气管道滑坡的分类，并通过模型试验研究了横向滑坡作用下管道的破坏方式。张东臣等12、郝建斌等13、邓道明等14、谢强等15研究了滑坡作用下管道的受力状态与变形特征。但对滑坡与管道相互作用方面的研究较少，且对管道滑坡的研究仍侧重于自然滑坡，针对堆载体诱发的滑坡研究偏少。堆载体诱发滑坡对油气管道造成的危害不可估量，其中油气管道横穿滑坡体最为严重。以川东地区 10 余例油气管道区堆载体诱发滑坡的工程实例为基础，通过现场调研，分析总结堆载体特点及其诱发滑坡的发育阶段，进而通过理论分析及模型试验研究油气管道与滑坡横交模式下的相互作用机制，在此基础上提出油气管道区堆载体诱发滑坡的风险评价及综合防控方法，为滑坡区油气管道的防灾减灾提供理论依据。1堆载体分析1.1油气管道区堆载体特点红层油气管道区堆载体多为新近人工堆积体，其物质组成复杂、强度较低，容易诱发滑坡，从而对油气管道造成危害。通过多处油气管道区堆载体诱发滑坡实例的现场调查分析，油气管道区堆载体一般具有以下特点：（1）堆载体以挖方砂泥岩弃渣为主，局部含建筑垃圾，颗粒分选较差，粒径不一。（2）堆载体结构松散，孔隙较大，利于地表水下渗，难以形成统一的地下水位，且缺乏地表水排导工程。（3）堆载体大多直接堆积在原有斜坡地形之上，且堆积体高度较大、坡度较陡（坡度土体综合内摩擦角），前缘临空面大。（4）堆载体方量通常10104m4，且无支挡防护措施。按原始斜坡坡度可将堆载体划分为缓倾斜坡堆载体（原始地形坡度15）和陡倾斜坡堆载体（原始地形坡度15）两大类，进而又可根据堆载方式分为单一坡率堆载体及台阶收坡堆载体。油气管道区堆载体特点及其分类见表 1。1.2油气管道区堆载体物理力学性质通过现场调查，在原始地面以上 1 m 范围内选取 10 组代表性土样进行堆载体（堆载时间 1 年以上）的室内物理力学性质试验。根据试验结果，堆载 体 主 要 由 粒 径 0.05 0.005 mm 粉 粒 和0.25 0.075 m 砂粒组成，其次为粒径0.005mm黏粒；堆载体渗透系数值介于 0.000 90.001 m/d之间，属于极微透水微透水；堆载体蒙脱石含量在12.19%22.95%（质 量 分 数），伊 利 石 含 量 在9.38%11.85%；堆 载 体 含 水 率 约 为 13%28.3%，密 度 1.882.08 g/cm3，天然快剪的黏聚力为 2035 kPa，内摩擦角为 11.819；固结不排水剪（有效应力）的黏聚力为 1735 kPa、内摩擦角为 1318.5。2堆载体诱发滑坡的发育阶段油气管道区堆载体多为新近人工堆积体。堆载诱发的典型滑坡孕育过程一般包括：沉降压密、蠕变挤压、滑动破坏、逐渐稳定四个阶段。（1）沉降压密。在自重以及降雨冲刷、入渗等作用下，堆载体不断压密固结，使原本较为松散的堆载体更为密实。此阶段坡体以竖向沉降变形为主，堆载体表面发育有裂缝，但裂缝无明显规律性，贯通性和延展性差，堆载体整体上仍能保持稳定。（2）蠕变挤压。随着时间的推移，堆载体表层的碎块石等粗粒物质在风化作用下逐渐解体成细粒表 1油气管道区堆载体特点及其分类Tab.1 Characteristics and classification of surcharge load in pipeline areas斜坡坡度缓倾斜坡堆载体（原始地形坡度 15）陡倾斜坡堆载体（原始地形坡度15）堆载方式单一坡率堆载体台阶收坡堆载体单一坡率堆载体台阶收坡堆载体图示特征堆载高度较小，土体方量较少，堆积厚度较大堆载高度较高，土体方量较大，堆积厚度较大堆载高度较小，土体方量较少，堆积厚度较小堆载高度较高，土体方量较多，堆积厚度较小63完整性管理马显春等：堆载体诱发滑坡与管道相互作用的风险防控方法*油气田地面工程 https:/物质，并随地表水的下渗逐渐向下运移、堆积，使大颗粒之间孔隙通道填充物粒径从下至上由细变粗，并在原始地面附近形成软弱界面。由于泥质黏粒含量较大且透水性差，软弱界面附近称为地下水汇集与径流通道，随着地表水的不断下渗，堆载体内动静水压力增大，界面附近的土体抗剪强度参数逐渐降低，堆载体在自重作用下的抗滑力逐渐减小，下滑力逐渐增大，坡体表现出缓慢的蠕滑变形。蠕变挤压阶段的变形特征为：在堆载体中后部由于某种原因首先出现不可逆的塑性变形，导致后缘逐渐拉裂；由于后部坡体的挤压作用，导致堆载体的主滑段和抗滑段逐渐贯通，滑坡周界逐渐贯通，前缘剪出口逐渐出现，并呈现鼓胀隆起、纵向挤压裂缝发育的特征。（3）滑动破坏。当堆载体软弱界面附近土体的剪应力达到甚至超过抗剪强度时，剪应力将软弱界面附近的各锁固段（点）逐个剪断，滑面完全贯通，滑坡从前缘剪出口滑出而与母体脱离，此后滑体处于快速位移状态，滑坡发生。此阶段堆载体上各种类型的裂缝都可能出现，但变化很快。后缘和侧缘裂缝两边出现滑坎，后壁上常有小崩塌发生，中部出现很多的拉张裂缝，前部出现扇形裂缝等。（4）逐渐稳定。堆载体经过大量位移后重心降低，滑面强度提高，在自重作用下的抗滑力逐渐增大、下滑力逐渐减小，且抗滑力已经大于下滑力，堆积体逐渐停止滑动，达到新的平衡状态。3诱发滑坡与管道的相互作用机制3.1滑坡作用下油气管道受力分析滑坡作用下油气管道的受力模型如图 1所示16。图 1滑坡作用下管道的受力模型Fig.1 Force model of pipeline under the effect of landslide假设作用在管道上的滑坡推力q为均布荷载，不考虑管道内压及管道内外环境温差，管道弯曲的微分方程为EId2ydx2=M0+N0()y-y0+qx22-qLx2（1）式中：y为管道的挠度，m；E为管道的弹性模量，Pa；I为管道的截面惯性矩，m4；y0为管道在x=0 处的挠度，m；M0为管道在x=0 截面的弯矩，Nm；N0为管道在x=0 截面的轴力，N；L为管道滑坡段宽度，m；d为管道的内径，m。弯矩的计算公式为M0=qDL-2qLN0D4EI-2qDN0EIthLN0