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          管道研究

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          高陡邊坡敷設條件下管道應力預警處置

          來源:《管道保護》2022年第2期 作者:魏宇 李洪濤 賀小康 時間:2022-3-28 閱讀:

          魏宇 李洪濤 賀小康

          國家管網集團西南管道貴陽輸油氣分公司

           

          摘要:高陡邊坡是山區管道典型的敷設環境之一,在降雨及不良地質條件的共同影響下極易發生地質災害,進而造成管道應力集中甚至失效。利用地質災害的漸變特征,對管體進行應力應變實時監測是確保管道安全運行的有效方法。以貴州山區某管道一處高陡邊坡段的應力預警處置過程為例,分析高陡邊坡段管道應力預警處置要點。

          關鍵詞:山區管道;地質災害; 應力集中; 高陡邊坡; 預警處置

           

          貴州境內油氣管道具有明顯山地特征,即高落差、“V”字形、沿線途經高陡邊坡段較為頻繁。同時,由于當地雨量較為充沛,易引發地質災害導致管道受力甚至失效。運用應力應變監測技術可以對管道本體受力情況進行實時監測,為管道安全狀態評價提供依據。本文以一處高陡邊坡段天然氣管道應力預警處置為例,結合初期預警出現、監測值持續增高、監測值得到控制等不同處置過程進行分析,討論應力預警處置要點。

          1  高陡邊坡概況

          1.1  邊坡基本情況

          該斜坡坡度約35°~45°,邊坡縱長150 m,橫寬50 m,管道整體為順坡敷設,管道埋深為2 m ~4 m;靥钔镣临|較松散,土體間空隙較大,因管道沿坡面建設導致坡體受到一定的擾動。

          1.2  管道保護措施

          該段管道建設時在斜坡上部修有伴行路,并通過擋土墻及截水墻對坡體進行水工保護(圖 1)。



          圖 1 高陡邊坡現場情況


          為進一步確保管道運行安全,投產前在斜坡中上部彎頭位置及坡腳處分別安裝X9及X8應力應變監測截面,管道軸向拉壓應力及監測拉壓應力閾值的計算方式如圖 2所示。



          圖 2 應力閾值計算過程


          首先計算得出X9及X8截面的監測壓應力閾值為﹣261.2 MPa,監測拉應力閾值為360.3 MPa。其次再依據Q/SY 1673―2014《油氣管道滑坡災害監測規范》對預警值進行設置,即當應力監測值達到管道監測軸向附加拉/壓應力容許值的30%、60%、90%時分別啟動藍色預警、黃色預警、紅色預警。

          2  預警情況

          管道于2019年4月正式投產運營,運營初期監測數據無明顯變化。當年6月,由于強降雨導致X9截面上方漿砌石擋墻垮塌,直接壓覆管道上方,X9截面監測值迅速增高,附加壓應力值達到黃色預警級別(﹣173 MPa,為容許值的66%)。通過立即對垮塌擋墻進行修復,監測值逐步降至藍色預警級別并長時間處于穩定狀態。2021年6月23日,受連續性強降雨的影響,X9截面監測值出現大幅增高,附加壓應力值再次達到黃色預警級別(﹣180 MPa,為容許值的68.9%)且處于持續增高狀態(圖 3)。X8截面監測數據長期較為穩定,不做分析。



          圖 3 最大軸向拉壓應力時程曲線


          3  處置過程及分析

          第一次預警原因及處置情況都較為簡單明了,處置也較為有效,不做詳述。重點對第二次監測預警的處置情況進行分析和解讀。

          3.1  初期處置

          6月23日X9截面應力監測值達到黃色預警級別后,立即組織地質專家及監測單位對現場情況進行了踏勘,發現X9截面上方混凝土擋墻出現輕微沉降,擋墻頂部與伴行路連接處出現拉張裂縫。通過監測數據分析,X9截面管道受最大壓應力為近0點鐘方向,受最大拉應力為近6點鐘方向,推斷該處管道有向下彎曲的變形跡象,初步判定為擋墻沉降導致附加應力增大(圖 4)。



          圖 4 X9截面應力沿管道環向分布


          綜合現場踏勘及分析得出整個邊坡體處于穩定狀態,經研究決定暫時先采取排水疏通及加密監測的處置方案。為防止雨水沿著裂縫下滲,加劇擋墻下沉,對新增裂縫進行了夯填,然后在坡頂位置利用防雨布及排水溝進行排水疏通,將監測頻次調整為每小時1次,并加強該監測點的人工巡護,對監測數據和坡體變化情況進行密切關注。

          3.2  應急處置

          由于該區域降雨量持續較大,排水疏通后X9截面附加壓應力仍處于持續增高態勢,于6月28日增至﹣205.1 MPa,為壓力容許值的78.6%。結合當時氣象情況,認為應力值還有繼續增高的可能,立即啟動應急響應進行處置,以保障管道安全運行。

          通過開挖監測截面上方覆土驗證監測數據有效性,開挖過程中截面壓應力逐漸降低,反映了監測設備仍處于正常工作狀態。隨后,局部開挖擋墻基礎發現其未嵌入穩定巖層,核實了擋墻下沉的原因。

          7月1日X9截面壓應力值增至﹣240.1 MPa,為容許值的91.9%,達到紅色預警級別。對此,力學專家分析認為,由于原容許值是根據設計運行壓力(10 MPa)計算的,當前管道運行壓力僅為5 MPa,判斷管道目前仍處于安全狀態,若管道所受應力進一步增高,有可能出現管道失效的情況,決定在不停輸情況下進行應急處置。將監測頻次緊急加密至每5分鐘1次,人工監測坡體穩定性及管道應力變化情況,過程中監測數據較為穩定,考慮到天氣相對較好,決定采取拆除擋墻、對擋墻下方管道進行開挖釋放應力方案進行處置。處置方案資金投入較高、工期相對較長,但從根本上解決了擋墻下沉的問題,便于后續應力釋放。

          應急處置后,最大壓應力值由紅色預警級別(最高﹣273 MPa,為容許值的104.52%)成功降至黃色預警(﹣187.1 MPa,為容許值的71.63%),管道應力集中情況得以控制。

          從表 1處置過程中的壓應力變化情況分析可知,6月29日至7月3日均為強降雨過程,X9截面壓應力明顯增高。伴行路路面及擋墻拆除過程中(7月2日至7月10日)X9截面壓應力除了7月3日降雨導致增高外無明顯變化;擋墻下方管道開挖過程中(7月11日至16日)X9截面壓應力顯著降低,取得較好的應力釋放效果(圖 5)。


          表 1 處置過程中X9截面最大壓應力變化情況



          圖 5 X9截面壓應力變化趨勢


          3.3  永久處置

          為驗證應力監測數據的準確性,采用超聲波檢測方法對管體受力情況進行檢測,與應力監測對比表明兩者數據基本吻合,當前管體所受應力情況比較可靠。

          開挖過程中發現X9截面上方截水墻斷裂,截水墻上半部分沿管溝向下滑移約1.5 m,且存在管道防腐層脫落、光纜硅管局部拉斷現象,推斷地表水滲入管溝內土體,管溝土體發生滑移也是造成管體應力增加的因素之一。

          分析認為,當前X9截面處管道所受應力值(壓應力值為﹣187.1 MPa,為容許值的71.63%)滿足管道的長期運行要求,但考慮到斜坡下部管道的防腐層、光纜硅管損壞的可能性較高,決定先采用抗滑樁及樁板墻對坡體上部及坡腳進行支擋保護,然后再繼續開挖X9截面下方管道,進一步釋放應力并對防腐層及光纜硅管進行驗證。由于該陡坡段土層較厚,混凝土截水墻可能會壓覆管道,造成應力進一步增高,因此采取草袋墻對上下兩道樁板墻之間的管溝土進行分級支擋(圖 6)。



          圖 6 永久處置治理效果


          4  結語

          (1)高陡邊坡段管道在回填土松散、降雨量充沛等不良因素的作用下,容易導致地下水沿管溝流動,帶動管溝土往斜坡前緣緩慢滑移,進而影響原有水工設施(截水墻、擋墻等)失穩,最終導致管道應力集中。降雨是導致地質災害加劇、管道受力增加的主要原因,應合理設置并維護排水系統,盡可能減少雨水滲入坡體及管溝。

          (2)應力應變監測能夠有效反映管道受力變化情況,可通過開挖及超聲波應力檢測進行驗證,其數據可作為后續處置依據。

          (3)監測預警初期要及時分析原因,可采取加密監測頻次及人工監測的方式密切關注,監測值若連續升高,應及時啟動應急處置。

          (4)管道上方擋墻拆除過程中應力監測值幾乎沒有變化,而將受力段管道挖出后起到了較好的應力釋放效果。

          (5)高陡邊坡段管溝土滑移易導致防腐層失效及光纜硅管拉斷,考慮到保護管道及光纜達到永久治理效果,建議采取抗滑樁及樁板墻的方式進行治理。


          作者簡介:魏宇,1993年生,工學碩士,助理工程師,主要從事管道地質災害防治相關工作。聯系方式:13385116592,weiyu@pipechina.com.cn。


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