余東亮1 李虎2 楊霞3 方迎潮1
1.國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道公司技術(shù)中心； 2.四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司；3.四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責(zé)任公司 

摘要：穿越滑坡區(qū)埋地管道的安全運(yùn)行及預(yù)警問題一直是管道行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)與難點(diǎn)。以實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，引入切線角理論，分別構(gòu)建了管道力學(xué)多級(jí)預(yù)警模型和滑坡形變多級(jí)預(yù)警模型，并以管道預(yù)警為主，滑坡形變預(yù)警為輔，形成了綜合預(yù)警模型。某穿越滑坡區(qū)管道的預(yù)警案例分析結(jié)果表明，綜合預(yù)警模型能在一定程度上對(duì)穿越滑坡的管道做出合理的預(yù)警，為管道的安全運(yùn)行提供保障。

關(guān)鍵詞：油氣管道；滑坡；切線角；預(yù)警模型； 預(yù)警級(jí)別

西南山區(qū)地形起伏大、地質(zhì)條件復(fù)雜，管道長距離敷設(shè)過程中不可避免地穿越大量的滑坡區(qū)域，安全運(yùn)行壓力大。及早感知、及時(shí)預(yù)警管道滑坡，對(duì)采取有效措施減少滑坡對(duì)管道的影響尤為重要。近年來，不少學(xué)者結(jié)合降雨量、水位線、含水量等因子提出了一系列的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[1-3]�；�坡災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)主要集中在災(zāi)害本體預(yù)警模型的構(gòu)建上，對(duì)于穿越滑坡區(qū)管道的預(yù)警預(yù)報(bào)則相對(duì)較少，且大多研究基于理論分析，少有基于實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)滑坡和管道同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測分析并建立相應(yīng)的預(yù)警模型。本文將管道力學(xué)預(yù)警預(yù)報(bào)模型與滑坡本體預(yù)警模型結(jié)合，提出基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的穿越滑坡區(qū)埋地管道的預(yù)警預(yù)報(bào)模型，為穿越滑坡區(qū)油氣管道的安全運(yùn)營提供技術(shù)保障。

1  管道沿線地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警平臺(tái)

西南管道公司在滑坡體災(zāi)害監(jiān)測和管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測的基礎(chǔ)上開發(fā)了管道沿線地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，分析地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展，評(píng)估管道的安全狀態(tài)，并針對(duì)不同的預(yù)警結(jié)果提出相應(yīng)的響應(yīng)機(jī)制，以及預(yù)測未來一段時(shí)間的發(fā)展趨勢，為管道管理各部門及時(shí)提供監(jiān)測數(shù)據(jù)及評(píng)估結(jié)果，提升對(duì)沿線地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的管控能力。

2  穿越滑坡區(qū)油氣管道預(yù)警模型

滑坡體是誘發(fā)管道變形的主要因素之一。因此，以管道力學(xué)變化為主，以滑坡體變形為輔，建立綜合考慮監(jiān)測值和監(jiān)測值切線角指標(biāo)的綜合模型，解決以往注重滑坡監(jiān)測輕管道監(jiān)測的弊端。

2.1  管道力學(xué)多級(jí)預(yù)警模型

Q/SY 1673―2014《油氣管道滑坡災(zāi)害監(jiān)測規(guī)范》對(duì)管道附加應(yīng)力的預(yù)警準(zhǔn)則規(guī)定，當(dāng)管道附加應(yīng)力σ超過允許附加應(yīng)力σs    的30%、60%、90%時(shí)分別發(fā)布藍(lán)色預(yù)警、黃色預(yù)警和紅色預(yù)警。

管道在受滑坡推力作用時(shí)，管道的變形隨滑坡的變形而協(xié)同變形。在此基礎(chǔ)上引入切線角理論[4]，即將監(jiān)測得到的應(yīng)力值或位移值的勻速變化階段的速度作為基礎(chǔ)速度v，用應(yīng)力值或位移值除以基礎(chǔ)速度將應(yīng)力值或位移值轉(zhuǎn)換為時(shí)間T的量綱，如式（1），使得原應(yīng)力值或位移值與應(yīng)變的監(jiān)測時(shí)間 t 的關(guān)系轉(zhuǎn)化為時(shí)間T與檢測時(shí)間 t 的關(guān)系，最后求取T- t 的切線角關(guān)系，如式（2）。

式中：σ( i )為勻速變形某一單位時(shí)間段（一般采用一個(gè)監(jiān)測周期，如1天、1周等）內(nèi)管道應(yīng)力增長量，MPa；v為勻速變形階段的應(yīng)力變化速率，MPa/周期；T( i )為變換后與時(shí)間相同量綱的縱坐標(biāo)值；αi為改進(jìn)的切線角，°；ti為某一監(jiān)測時(shí)刻；Δt為時(shí)間段；ΔT為Δt時(shí)間段內(nèi)T( i )的變化量。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，滑坡在初始變形階段時(shí)，切線角為小于45°，到等速變形階段，切線角約等于45°，這兩種變形狀態(tài)下管道都處于相對(duì)安全的狀態(tài)，預(yù)警為綠色級(jí)；滑坡初加速階段時(shí)，切線角大于45°，報(bào)藍(lán)色級(jí)預(yù)警；中加速階段時(shí)，切線角變化約為80°到85°，報(bào)黃色預(yù)警；當(dāng)切線角大于85°時(shí)報(bào)紅色預(yù)警�？紤]到管道應(yīng)力變化時(shí)管道的安全性，將管道預(yù)警附加應(yīng)力與切線角預(yù)警級(jí)別相結(jié)合，以最不利原則作為管道力學(xué)預(yù)警模型的最終級(jí)別，如表 1所示。

表 1 管道力學(xué)多級(jí)綜合預(yù)警等級(jí)

2.2  滑坡形變多級(jí)預(yù)警模型

滑坡監(jiān)測可能安裝多種不同類型的監(jiān)測設(shè)備，且因每個(gè)滑坡具有獨(dú)特性，預(yù)警判據(jù)值需根據(jù)監(jiān)測滑坡點(diǎn)位的具體現(xiàn)場工況綜合提出。本文沿用改進(jìn)切線角方法求取的滑坡地表位移切線角、深部位移切線角、裂縫切線角以及傾斜量切線角作為每一種監(jiān)測設(shè)備的單指標(biāo)預(yù)警判據(jù)，每個(gè)判據(jù)均包含綠色級(jí)、藍(lán)色級(jí)、黃色級(jí)和紅色級(jí)，如表 2所示。而滑坡的綜合預(yù)警等級(jí)的確定采用最不利原則，將多種監(jiān)測設(shè)備所達(dá)到的最高預(yù)警級(jí)別作為滑坡綜合預(yù)警等級(jí)。

表 2 滑坡形變多級(jí)綜合預(yù)警模型

2.3  綜合預(yù)警模型

穿越滑坡區(qū)的埋地管道綜合預(yù)警主要對(duì)管道的安全隱患及時(shí)做出預(yù)警預(yù)報(bào)，以直接反應(yīng)管道本體特征的管道力學(xué)多級(jí)預(yù)警模型為主，以誘導(dǎo)管道發(fā)生變形的滑坡形變多級(jí)預(yù)警模型為輔構(gòu)建綜合預(yù)警模型，如表 3所示。

表 3 穿越滑坡區(qū)埋地管道綜合預(yù)警模型

當(dāng)管道力學(xué)和滑坡形變都處于綠色級(jí)時(shí)，滑坡處于初始階段，管道力學(xué)變化較小，綜合預(yù)警為正常級(jí)。當(dāng)管道力學(xué)行為或滑坡形變特征都達(dá)到藍(lán)色級(jí)，管道應(yīng)力或滑坡形變都進(jìn)入到等速變形階段，但管道應(yīng)力不大（允許附加應(yīng)力的30%），處于關(guān)注級(jí)。當(dāng)管道力學(xué)或滑坡形變達(dá)到黃色級(jí)時(shí)，表示滑坡進(jìn)入初加速階段或管道應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到允許附加應(yīng)力的60%，此時(shí)管道應(yīng)力較大或滑坡形變變化加快，危險(xiǎn)程度增大，為警示級(jí)，需采取措施消除風(fēng)險(xiǎn)。為保證人員和管道安全，警示級(jí)為危險(xiǎn)事件最遲處理階段。當(dāng)滑坡繼續(xù)變形或管道應(yīng)力持續(xù)增加到紅色級(jí)時(shí)，已經(jīng)達(dá)到允許附加應(yīng)力的90%，管道隨時(shí)可能達(dá)到屈服階段，或者滑坡已經(jīng)達(dá)到臨滑階段，此時(shí)處于極度危險(xiǎn)的狀態(tài)，為警報(bào)級(jí)。

3  實(shí)例分析

某滑坡位于甘肅省隴南市，平面形態(tài)呈圈椅狀，滑坡后緣以斜坡陡坎為界，兩側(cè)邊界以滑動(dòng)時(shí)剪切裂隙為界，前緣剪出口位于黃土沖蝕溝內(nèi)�；�坡所在坡面地形起伏不大，自然坡度約15°～30°，坡向260°，長35 m，寬55 m，平均滑體厚3.0 m，總體積約6000 m3，屬小型滑坡。管道從滑坡后部穿過，與主滑方向呈50°交角。管道材質(zhì)為X80，壁厚15.3 mm，管徑1016 mm�，F(xiàn)場布設(shè)了兩種監(jiān)測設(shè)備，地表位移計(jì)布設(shè)在滑坡主滑方向的前緣，中段以及后緣，監(jiān)測周期為半小時(shí)一次；管道應(yīng)變計(jì)安裝在滑坡主滑方向左右兩側(cè)處，監(jiān)測周期為一天兩次，如圖 1所示。該點(diǎn)關(guān)注級(jí)、警示級(jí)和警報(bào)級(jí)地表位移閾值分別設(shè)置為200 mm、260 mm和300 mm，管道允許附加應(yīng)力閾值分別為124 MPa、248 MPa和372 MPa。2020年6月15日，滑坡前緣地表位移切線角達(dá)到80°，前緣位移值與切線角處于正常級(jí)，管道應(yīng)力值與應(yīng)力切線角均處于正常級(jí)范圍內(nèi)，發(fā)出警示級(jí)預(yù)警。

圖 1 滑坡監(jiān)測布設(shè)圖

選取6月上旬到發(fā)生預(yù)警時(shí)間段的地表位移計(jì)監(jiān)測值進(jìn)行分析（圖 2），經(jīng)切線角理論改進(jìn)得到的T- t 曲線與相應(yīng)的切線角（圖 3），管道應(yīng)力值曲線（圖 4），轉(zhuǎn)化得到的T- t 曲線與切線角曲線（圖 5）。

圖 2 地表位移監(jiān)測值

圖 3 地表位移T-t曲線與切線角曲線

圖 4 管道附加應(yīng)力監(jiān)測值

圖 5 管道附加應(yīng)力T-t曲線與切線角曲線

由圖 2和圖 3可知，地表位移值在50 mm左右波動(dòng)， 6月14日時(shí)突然從47.89 mm增加到56.45 mm，未達(dá)到所設(shè)置的預(yù)警級(jí)別，屬于正常級(jí)，但其對(duì)應(yīng)的T- t 曲線也在此時(shí)隨之增長，切線角此時(shí)達(dá)到81.2°，符合滑坡切線角預(yù)警模型警示級(jí)級(jí)別。綜合滑坡形變多級(jí)預(yù)警模型此時(shí)報(bào)警示級(jí)。

由圖 4和圖 5可知，管道附加應(yīng)力均在35 MPa～50 MPa之間波動(dòng)，未超過設(shè)置的關(guān)注級(jí)值124 MPa，管道附加應(yīng)力預(yù)警屬于正常級(jí)。由于所選取的時(shí)間較長，管道應(yīng)力增長緩慢，切線角在監(jiān)測周期內(nèi)成小范圍內(nèi)波動(dòng)，但波動(dòng)范圍均未超過45°，管道附加應(yīng)力切線角預(yù)警級(jí)別仍屬于正常級(jí)。綜合管道多級(jí)預(yù)警模型，管道應(yīng)力處于正常級(jí)范圍內(nèi)。

綜合管道多級(jí)預(yù)警結(jié)果與滑坡形變多級(jí)預(yù)警結(jié)果，結(jié)合表 3，6月14日對(duì)該點(diǎn)報(bào)警示級(jí)預(yù)警。經(jīng)實(shí)勘，現(xiàn)場局部出現(xiàn)滑移沉降，在滑坡前緣較為明顯。坡體出現(xiàn)裂縫，后緣出現(xiàn)下錯(cuò)開裂，如圖 6所示。案例證明，運(yùn)用綜合預(yù)警模型在一定程度上能預(yù)警埋地管道滑坡災(zāi)害的發(fā)生，為管道安全運(yùn)營及時(shí)提供決策參考信息，減輕災(zāi)害影響，降低經(jīng)濟(jì)損失。

圖 6 滑坡前緣地表下錯(cuò)

4  結(jié)論

以管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測和滑坡形變監(jiān)測等多種監(jiān)測手段為基礎(chǔ)，根據(jù)監(jiān)測設(shè)備回傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)構(gòu)建了管道力學(xué)多級(jí)預(yù)警模型和滑坡形變多級(jí)預(yù)警模型，最終形成穿越滑坡區(qū)油氣管道的綜合預(yù)警模型并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明：

（1）基于實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)警模型能在一定程度上對(duì)穿越滑坡的埋地管道進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，為管道的安全提供技術(shù)保障，具有較高的實(shí)用性和借鑒價(jià)值。

（2）針對(duì)滑坡采用多種監(jiān)測設(shè)備獲取不同物理參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合判別能在一定程度上提高預(yù)警模型的準(zhǔn)確率。

（3）下一步應(yīng)分析不同監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，進(jìn)一步優(yōu)化完善預(yù)警預(yù)報(bào)模型。

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作者簡介：余東亮，國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司技術(shù)中心副經(jīng)理，高級(jí)工程師，主要從事管道完整性管理方向的研究工作。聯(lián)系方式：18030869758， 57730006@qq.com。