川气东送管道地质灾害监测预警技术应用研究

常立功解应涛

(天然气川气东送管道分公司,湖北武汉 430205)

常立功解应涛

(天然气川气东送管道分公司,湖北武汉 430205)

油气长输管道沿山地敷设,易遭受地质灾害侵袭。山地地质灾害频发,而管道埋深浅,且为薄壳钢管结构、内含高压易燃易爆介质,因此管道受地质灾害威胁的安全风险较高,防治地质灾害是管道安全管理工作中的一项严峻课题。管道地质灾害监测预警正是管道安全管理的一个重要环节。本文针对川气东送管道距离长、地质情况复杂等特点,采用室内外实验相结合、现场数据与数值分析相结合的方法,对管道地质灾害监测预警技术进行应用研究。

管道地质灾害监测预警技术受力分析应用研究

我国，管道地质灾害是伴随西气东输、忠武输气管道、兰成渝成品油管道及川气东送管道等长距离穿越山区管道的建设而新涌现出来的一类地质灾害型式，并已逐步被认识和重视。川气东送管道是中国石化第一条长距离输气管道，管道全长2306km，其中普光与宜昌区间段管道穿行于川渝-鄂西山区，管道沿山地敷设，长达765．21km，特别容易受地质灾害的侵袭。为能及时的发现管道地质灾害及有效地进行管道地质灾害预测预报，通过结合管道地质灾害的特点，充分利用和借鉴地质灾害领域中先进的监测预警技术，建立管道地质灾害监测预警系统，服务于管道地质灾害预报预警，是目前我国管道地质灾害预报预警技术工作的方向。

1 管道地质灾害特征

经管道地质灾害调查(2010-2011)，川气东送管道川渝-鄂西段管道穿行于山区，该段地质条件复杂，地质灾害发育受各区段地形地貌、地质条件等之间的差异，管道沿线地质灾害空间分布具有不均匀性。沿线发育的地质灾害类型包括:滑坡(含潜在不稳定斜坡)、崩塌(危岩、高边坡)、水毁(坡面水毁、河沟道水毁、台田地水毁)等。在调查中共编录各类地质灾害或潜在地质灾害点(线、段)431处，其中滑坡(含潜在不稳定斜坡)48处，危岩(崩塌、边坡)42处，水毁问题341处。这些地质灾害对管道存在不同程度的直接或间接的危害。沿线管道地质灾害在发育规模上相对较小，方量小于10×104m3的滑坡占调查结果中滑坡总数的81．25%，沿线大部分崩塌方量均小于1×104m3。但管道埋深浅、且为薄壳钢管结构、内含高压易燃易爆介质，特别容易受地质灾害的侵袭，即使较小的地质灾害，也可能造成管道的严重损毁。所以，常规的地质灾害规模分类不能够反映管道地质灾害的特点，管道地质灾害规模划分应小于一般地质灾害规模划分，考虑其危害对象的特殊性，在体积规模等级划分中相应降低了分级指标。(见表1、表2)

川气东送管道沿线地质灾害规模比较小，但突发性强，且受水的影响较大。纯自然的地质灾害较少，与人类工程活动相关的地质灾害所占比例较大。地质灾害的发生具有丛集性，部分管段分布较密集，另外的管段分布相对较少。

表1 一般滑坡/管道滑坡规模等级划分

表2 一般崩塌/管道崩塌规模等级划分

2 监测系统建设

2.1 检测系统建立

选取白氏坪滑坡，对其实施了监测系统建设，监测主要手段采用GPS地表大地变形监测法，同时配合坡体地表巡查的方法。在白氏坪滑坡监测中选用了平面精度指标为±(5mm＋1ppm)的3套Trimble 4700双频接收机，6套中海达8200G接收机。坡体埋设监测墩10个(其中个基准点3个监测点7个)。监测墩和强制对中盘的规格均按国家标准和变形监测规范制作，且为现场混凝土浇注。如图1。

图1 白氏坪滑坡监测监测系统效果

地质灾害地表巡查对灾害的预测预报及防治效果检测有着至关重要的作用，其主要内容为宏观地质调查与宏观地裂缝的简易监测。宏观地质调查是采用常规的滑坡、危岩及边坡崩塌变形形迹追踪地质调查方法，进行人工巡视，了解、掌握滑坡、危岩及边坡崩塌的变化情况。后者是对于混凝土地面、条石地面、浆砌石挡土墙等硬质地部位发现有裂缝的地质灾害，建立裂缝监测标志，并用钢圈尺或千分尺等相应测量仪器进行读数监测。

2.2 监测结果分析

截止目前，对白氏坪滑坡已进行了8期监测。为了直观反映监测点的3维位移情况，对WGS84下的大地坐标进行了投影，得到在WGS84(World Geodetic System 1984)下的平面直角坐标。为了减小投影变形，采用了任意带的高斯投影。选用的观测值类型是L1载波相位观测值；解算类型为L1固定解。基线解算成功后，先进行自由网平差(无约束平差)。再以首期监测成果中监测基准点为约束条件，进行约束平差。比较各监测点前后坐标值的变化，从而可以获得每个点的位移变化情况。

简易裂缝监测采用千分尺读数，在每期监测中，对每条裂缝进行3次读数，并取其平均值与前期监测结果进行对比。

根据GPS监测结果和简易裂缝监测结果统计，可看出在监测时期内，坡体整体变形量以及变形速率较小，坡体基本处于稳定状态。但从变化曲线发展趋势看出，2012年4月份以后，坡体变形量及变形速率有所增加，从截止目前的各积累量可以看出，白氏坪滑坡BSP1、BSP4、BSP5和BSP7监测点的x方向变形量较大，其积累变化量为1-1．2cm，BSP1和BSP4监测点在Y、H方向变形量较大，各积累变化量接近1cm。其次，从简易裂缝积累变化量可看出，滑坡体南侧墙体呈现拉升趋势，北侧为压缩趋势。(如图2所示)

图2 白氏坪滑坡监测位移变化区

3 管道变形(受力)模型分析

根据实际工程监测案例对白氏坪和罗针田滑坡进行模拟研究。白氏坪滑坡中管道从其后缘横穿而过，管道穿越长度约50m，考虑滑坡后缘坡度大，滑坡为推移式滑坡，在建模时，管道荷载主要以管道正上方土压力为主。建模所用参数如图2所示。

管材:管材采用X70型钢，弹性模量E=210GPa，泊松比μ=0．3，密度ρ=7．9×103kg/m3，管材的线膨胀系数α=1．2×10-5m/(m·℃)，最低屈服极限οs=540Mpa，管道埋深h=2m。

管道尺寸:管道规格为φ1016mm×28mm，即外管径D=1016mm，壁厚t=28mm。

荷载:管道输气压力p=4．0MPa；温差ΔT=－10℃。

其它参数:土壤纵向阻力综合系数cx0=5．88N/cm3；土壤横向阻力综合系数cy0=2．45N/cm3；滑坡体外土壤的极限抗剪强度tf=24．6kN/m。

根据以上基本特征进行管道建模，并以滑坡出现整体变形蠕滑使管道接近悬空只承受正上方土压力的最不利状态进行分析管道的受力变形。经模型软件计算，白氏坪滑坡在整体变形蠕滑时，后缘管道上方土体对管道的压力不足以使管道屈服破坏，但管道在上方土压力作用下于穿越两段出现最大应力。为使管道达到屈服极限状态，在本次模拟计算中，将人为加大管道上方土体厚度，其他参数不变，根据模拟计算结果，在管道最大应力值为277．95Mpa时，管道屈服。在此管道达到屈服破坏状态时，管道变形为6cm，此时管道上方施加力为2．3×105Pa。取土密度为2150kg/m3，即当管道上方覆盖土厚度为10．7m时管道破坏。

由此可知，在类似白氏坪滑坡的管道横穿滑坡后缘的滑坡演化变形中，当滑坡后缘整体向前滑动时，将使管道出现悬空状态，造成上部及后部土体全部作用于管道体上，导致管道处于临界破坏状态。

4 结论与建议

综上所述，管道地质灾害相比一般地质灾害具有其比较明显的特征，管道地质灾害在发育规模上相对一般地质灾害均较小，故管道地质灾害规模等级的划分界限相应降低。管道地质灾害监测技术方法与一般地质灾害监测技术存在一定的区别与联系，目前在管道地质灾害监测预警技术方面的研究较少，管道地质灾害监测技术体系和管道安全预警技术的研究都借鉴了一般地质灾害的监测、预警技术模型，但针对管道地质灾害特殊的保护对象，管道地质灾害监测预警技术研究的重点是以管道为中心展开的灾害体小变形监测预警。管道地质灾害的监测预警目前尚处于开发探索研究阶段，通过管道地质灾害模型的数学理论与模拟计算，对管道在灾害作用下沿线的受力变形有了明确的认识掌握，在分析管道地质灾害发育变形特征及监测数据的基础上结合这种理论和模拟的计算，可有效地开展管道地质灾害预警。