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滑坡作用下埋地管道的受力分析与防护对策

文档作者：唐正浩，邓清禄，万飞，刘勇梅永贵文档来源： 1．中国地质大学(武汉)工程学院 2．华北油田山西煤层气分公司，		点击数：	更新时间： 2024年06月30日
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第45卷第3期
2 0 1 4年2月
人 民 长 江
Yangtze River
Vo1．45．No．3
Feb．， 2014
文章编号：1001—4179(2014)03—0036—04
滑坡作用下埋地管道的受力分析与防护对策
唐正浩 ，邓清禄 ，万 飞 ，刘 勇 ，梅永贵
(1．中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉430074； 2．华北油田山西煤层气分公司，山西晋城048000)
摘要：我国长距离输油气管道沿途发育有众多的地质灾害，其中滑坡地质灾害是导致埋地榆油气管道损坏的
重要原因之一，因此，在滑坡变形带中敷设管道时必须考虑坡体变形对管道的影响。根据工程实例，运用AN—
SYS有限元模拟软件建立模型，以Flac 软件进行计算，对管道横穿、纵穿滑坡两种不同形式下的管道受力和
变形进行模拟分析。结果表明：管道横穿滑坡时，管道两端和中间部位易出现破坏；管道纵穿滑坡时，管道两
端易出现破坏。最后，针对分析结果提出了管道穿越滑坡的防护对策。
关键词：埋地管道；数值模拟；受力分析；防护对策；滑坡
中图法分类号：P642 文献标志码：A
我国幅员辽阔，地形复杂，特别是中西部山区发育
有众多的滑坡。长距离输油气管道往往不可避免地穿
越滑坡多发区。滑坡地质灾害严重影响了油气管道的
正常安全运行。
关于滑坡(含潜在不稳定斜坡)的形成机制与运
动形式的研究已经比较成熟，而埋地管道受滑坡作用
是复杂的非线性接触问题。在国外，前苏联科学家巴
拉达夫金和贝卡夫对地滑力(由于滑坡而产生的土体
对管道的作用力)的两种作用状态进行了研究⋯ 。在
国内，帅健，王晓霖等研究了地质灾害作用下管道的破
坏行为与防护对策 ；邓道明等提出用非线性方程计
算滑坡过程中管道的内力和变形 ，但非线性方程考
虑因素比较多，计算起来较复杂；王磊等建立了输气管
道受滑坡垂向地滑力作用的力学模型 ，并用作图法
对模型进行求解，分析了管道的内力和变形情况；林
冬，雷宇，许可方等采用人工堆积的方法构建了埋设有
219 mm 口径管道的全尺寸土质滑坡模型 ，进行了滑
坡对管道力学影响试验；郝建斌，刘建平，荆宏远等利
用极限平衡法推导了横穿敷设情况下滑坡对管道推力
的计算方法 。随着计算机技术的发展，有限元、边
界元的理论不断完善，人们开始采用数值模拟的方法
研究管土非线性接触的问题。由小川，张效羽等运用
有限元软件ABAQUS模拟了高压天然气管线在地质
灾害下的失效行为 ，并提出了确保管道安全的悬空
跨度和埋置深度；杨俊，张峥，常波等 通过力学与有
限元的结合，利用ANSYS工程软件建立管道在悬空状
态下的大变形有限元模型，考虑土壤地基的影响，计算
了管道的最大应力及其应力分布。周晓莹，郭永
华 ，史飞 等通过建立有限元模型，定性地分析了
不同影响参数情况下滑坡土体作用对埋地管道的力学
影响，得出了一些影响参数的规律性结论。
目前，滑坡作用下埋地管道的数值模拟研究较少，
且主要集中在管道横穿滑坡的情况下。大部分的研究
都是定性地分析滑坡对管道的影响，缺乏工程实例。
本文根据已有的工程实例，运用ANSYS有限元模拟软
件建立模型，以Flac 软件进行分析计算，对管道横
穿、纵穿滑坡两种形式下埋地管道的受力和变形进行
模拟分析。
1 管道与滑坡的位置关系
根据管道的走向与滑坡的滑动方向，把管道与滑
坡的位置关系分为3类：① 管道横穿滑坡，即管道走
向与滑坡滑动方向垂直；② 管道纵穿滑坡，即管道走
向与滑坡滑动方向平行；③ 管道斜穿滑坡，即滑坡滑
收稿日期：2013一l1一O2
作者简介：唐正浩，男，硕士研究生，主要研究方向为地质灾害防治。E—mail：313564573@qq．COB
通讯作者：邓清禄，男，教授，主要研究方向为输油气管道地质灾害的防治与分析。E—mail：dengqinglu@sohu．COB

38 人 民 长 江
GP，泊松比0．3，密度7．9 X 10 kg／m ，管材的线膨胀系
数1．2 X 10 m／(m ·℃)，最低屈服极限540 MPa，管
道埋深2 m。
(2)管道尺寸。管道规格为01016 mm×21 mm，
即外管径1 016 mm，壁厚21 mm。
(3)荷载。管道输气压力4．0 MPa，温差一10℃ ；
滑坡对管道的地滑力4．35 kN／m。
(4)其他参数。土壤纵向阻力综合系数5．88
N／cm ，土壤横向阻力综合系数2．45 N／cm ，滑坡体外
土壤的极限抗剪强度24．6 kN／m。
4．1．3 模型建立及模拟结果
根据滑坡实体进行建模分析，其模型及计算结果
如图3～5所示。
图3 滑坡和管道有限元模型
图4 管道位移沿程曲线关系
图5 管道内力沿程曲线关系
从模拟计算结果可看出，在管道横穿滑坡的情况
下，滑坡滑动变形引起的管道穿越段中间的变形和挠
度最大，受力(应力分布)则是两端最大。经不断调节
滑带土体相应参数，至管道处于临界破坏状态时(模
拟中管道所受最大力为275．4 MPa。根据式 。<
[Or]=K6o- ，计算[ ]=0．5×1．0×540 MPa=270．
00 MPa<[O-]>< =306．14 MPa，管道此时处于破坏状态)，管道
变形量较小，滑坡变形最大位移为9 em(此值为滑坡
区变形最大理论值)。故纵穿滑坡管道对滑坡的变形
协调能力较差，滑坡的小变形就有可能导致管道屈服
破坏，在实际滑坡及管道监测预警中，应充分对管道两
端进行监测。
宝
X
R
图7 边坡和管道模型
图8 管道内力沿程曲线关系
5 滑坡区管道的防护对策
通过本文对滑坡作用下管道受力情况的研究，对
于长输气工程中通过滑坡区的管道的防护，可以得到
如下几点启示。
(1)工程实例研究表明，较小的滑坡变形就可能
导致输气管线破坏。所以，管道应采取改线、隧道穿
越、跨桥等方式绕避大型滑坡和治理困难的滑坡。当
管道必须通过这些区域时，应该采取防护措施并缩小
通过距离。同时管道应尽量选择远离变形区中心的位
置穿越滑坡。
(2)对输气管道受滑坡地滑力作用(不考虑管道
下侧滑体对管线的作用)的研究表明，管道两端和中
部是较容易破坏的部位，特别是两端部位，因此在实际
管道滑坡的治理中应尽量将防治措施靠近管道，这样
才能真正确保管道的安全。
(3)根据前文的分析结果，管道穿越滑坡时，管道
两端和管道中间易发生破坏，且管道破坏时，滑坡的位
移并不大(工程实例中，管道发生破坏时，横穿条件下
滑坡的最大位移为54．8 cm，纵穿条件下滑坡的最大
位移为9 cm)。因此，对于输气管线所通过区域的滑
坡或滑坡群，除了实施相应的治理措施外，也应该加强
对滑坡体地表变形的监测，及时了解滑坡的变形情况，
这对判断滑坡体中输气管道的受力情况具有间接的指
导作用。
6 结论
(1)管道横穿滑坡时，地滑力垂直作用于管道轴
线方向，管道穿越段中间变形最大，两端的应力最大。
模拟中，管道穿越段中间最先被破坏，破坏时，管道中
间最大变形量为10．7 cm，滑坡区最大变形理论值为
54．8 em。可以看出，滑坡发生较小变形时，就可导致
管道破坏，且破坏部位一般位于管道穿越段中间。
(2)管道纵穿滑坡时，地滑力作用于管道轴线方
向，管道穿越段中间变形最大，两端的应力最大。模拟
中，管道两端最先被破坏，破坏时，管道变形量较小，滑
坡区最大变形理论值仅为9 em。可以看出，纵穿滑坡
管道对滑坡的变形协调能力较差，滑坡的微小变形就
有可能导致管道破坏，且破坏部位一般位于管道穿越
段两端。
(3)管道选线时，要注意采取绕避措施。当管道
不得不穿越滑坡时，要采取监测预警为主、治理为辅的
防护措施。
参考文献：
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划设计，2001，12(6)：1—3．
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地质学报，2010，18(S)：340—346．
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[10] 史飞．滑坡作用对大直径埋地管道的力学性能分析[J]．山西建
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[11] 中华人民共和国建设部．GB50253—2003输油管道工程设计规
范[S]．北京：中国计划出版社，2001．
(编辑：赵凤超)
(下转第62页)
62 人 民 长 江 2014生
通水。
(3)现场应该加强对施工过程的监测强度，目前
混凝土内部温度通过温度计等相关仪器已经实现了实
时监测，但通水冷却的进出口温度等依然采用人工数
据采集及计算调控，工作量很大，因此，需要增强智能
化、个性化冷却通水的相关研究并加以推广。
(4)目前分析通水冷却效果的方法比较多，包括
定量、定性、有限元模拟和建模分析等，这些方法理论
性较强，假设条件太多，缺乏足够的现场实践来验证其
有效性，因此，今后应加强现场温控监测，并将其作为
对冷却通水进行调控的最直接、有效的参考资料。
参考文献：
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[1O] 张国新，艾永平，刘有志，等．特高拱坝温控防裂问题再议[R]．
成都：成都勘测设计院，200912．
(编辑：郑毅)
Analysis on water cooling effect in foundation constrain zone of
high arch dam of Jinping I Hydropower Station
YAN Qiao，GAO Zhanhong，YU Yi，JIAO Yanbin
(College of Hydraulic and Environmental Engineering，China Three Gorges University，Yichang 443002，China)
Abstract： For exploring the concrete water cooling law of foundation constrain zone at right bank of high arch dam of Jinping I
Hydropower Station，statistical analysis was conducted for pipe cooling water temperature and dam inner temperature measured at
water cooling of stage I，mid—stage and stage II． It is concluded that cooling start time is an important factor for temperature
control，and the mid— stage cooling duration should be extended as long as possible． The results show that the water cooling
scheme adopted for Jinping I project can control the concrete temperature rise effectively．It is suggested that the in—situ cooling
temperature data should be treasured as the firsthand data for concrete temperature control，and the research on intelligent and in—
dividual water cooling should be strengthened．
Key words： foundation constrain zone；water cooling；concrete temperature control；Jinping I Hydropower Station
(上接第39页)
Stress analysis and protection measures of buried pipeline loaded with landslide
TANG Zhenghao ，DENG Qinglu ，WAN Fei ，LIU Yong ，MEI Yonggui
(1．Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China； 2．Shanxi Coalbed Gas Branch of Huabei Oil
Filed，Jincheng 048000，China)
Abstract： There are many geologic hazards along long—distance oil and gas pipelines in China and the landslide is one of the
important causes for failure of buried pipelines．Therefore，the influence of slope deformation on the pipeline must be taken into
consideration for the pipeline buried in landslide zone．According to the engineering examples．analysis models were built by u—
sing finite element software ANSYS．The stresses and deformation characteristics of the pipelines that transversally and longitudi—
nally pass through landslide were calculated by finite element software Flac3D．The analysis results show that for the pipeline
transversally buried in landslide，the both ends and central part of the pipeline are subjected to damage while for the pipeline Iongitudinally
buried in landslide，the both ends are easy to be damaged．Based on the analysis results，the protection measures are
proposed．
Key words： buried pipeline；numerical simulation；stress analysis；protection measures；landslide

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