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。回填土土質較松散，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。