彭善碧，廖 文，徐明军,Tom Iseley，John Matthews

(1.西南石油大学土木工程与建筑学院，四川 成都 610500;2.塔里木油田克拉油气开发部，新疆 塔里木 841000；3.美国路易斯安那理工大学非开挖技术中心，美国 路易斯安娜州 71270)

0 引言

作为五大运输方式之一，管道是天然气输送的重要生命线工程。但随着天然气工业的不断发展，天然气管道不可避免地穿越不良地质地段，如西气东输管道、川气东送管道等所经过的部分地域地质条件就异常恶劣。另一方面，由于超量开发土地、草原、森林和水资源，加速了水土流失、土地沙化等灾害的发展，滑坡灾害导致的管道事故也随之增多(表1)。美国PHMSA(the United States Department of Transportation Pipeline and Hazardous Material Safety Administration)统计了1991～2014年自然灾害造成的管道事故，除温度、闪电和不明原因外，山体滑坡约占自然灾害的54%，占管道失效总数的1.8%[1]。

管道事故不仅会造成严重的经济损失和环境破坏，有时甚至会造成恶劣的社会影响(如2015年深圳市光明新区西气东输二线管道爆炸事故)。因此，研究滑坡土体管土相互作用，分析滑坡灾害下管道的破坏行为，对于油气管道的完整性管理具有重要意义。本文从管土相互作用模型、分析方法、未来发展趋势三个方面做一个系统总结。

表1 滑坡造成的管道事故[2-4]

1 滑坡作用下管道的破坏行为

埋地管道穿越滑坡区时，管道的破坏行为与管道与滑坡区的夹角有关[5]。当管道与滑坡方向垂直时(横向滑坡)，管道主要受到弯曲应力(图1a)。当管道与滑坡方向平行或存在一定倾角时(纵向滑坡)，管道一端受到弯曲应力和压应力，另一端受到弯曲应力和拉应力(图1b，图1c)。

图1 管道的破坏行为与倾角有关[5]Fig.1 The destructive behavior of pipeline is related to inclination

2 管土相互作用

埋地天然气管道和周围土体的相互作用十分复杂，土体既是作用在管道上的载荷，又是增强管道强度和刚度的介质，研究埋地天然气管道在溃散性滑坡作用下的力学行为，必须考虑管土间的相互作用[6]。

滑坡时，周围土体对埋地天然气管道将分别产生水平作用(Horizontal)、轴向作用(Axial)和竖向作用(Vertical)(图2)。

图2 管土相互作用的受力方向Fig.2 The force direction of soil interaction

管土相互作用研究的实质就是分析三维空间(V，H，N)中的应力应变情况，为了简化研究，主要在V-H，V-N和H-N三个平面上分别讨论。

(1)V-H平面上的管土相互作用

目前国际上针对V-H平面上的管土相互作用已有大量试验和数值模拟研究(图3)，图中α是管道受力方向与水平方向的夹角，当α=0°时，管道只有水平方向受力(如横向滑坡)，当α=90°时，管道只受竖直方向力。许多学者通过对管道施加水平方向(H方向)的位移载荷，进行位移控制条件下的管土小规模试验，得到水平方向加载力与位移之间的关系曲线和管土相互作用机理[7-15]。也有一些学者通过数值模拟来研究水平方向力作用下管土之间的相互作用[16-22]。针对管道受竖向作用力时的管土相互作用，也有一定研究，分析竖直方向作用力与管道位移的关系[8-9,16,23-25]。

图3 天然气管道在V-H平面上的受力简图Fig.3 Schematic diagram of a natural gas pipeline on a V-H plane

通过追踪广义的应力路径，有学者发现V方向与H方向上的力具有相互作用，但是目前实际工程中都还没有考虑V方向与H方向上力的耦合作用[17,19,26]。

(2)V-N平面内的管土相互作用

如前所述，一些学者分别研究了管道仅受竖向作用力[8,16,24-25]、轴向作用力[14,27]时的管土相互作用，但这两个方向上的相互作用还未被完全证实。DI PRISCO C等[19]发现，对于松散颗粒土体来说，竖直方向(V方向)上的最大作用力与轴向力(N方向)关系不大。

(3)N-H平面内的管土相互作用

对于N-H平面的受力分析，PHILLIPS等[28]研究了黏土中轴向-水平方向上的管土相互作用，发现轴向土载荷增加了管土相互作用。HSU等[29]通过对埋在密砂中的管道中施加倾斜位移发现，N方向与H方向上受力有相互影响，但对于松砂中的管道没有发现这种相互影响。Daiyan等[21]也发现水平方向上与轴向上的力相互影响。

3 分析方法

滑坡作用下管道稳定性的研究方法主要有解析法，数值模拟法和试验法三大类。解析法的计算方法简单，忽略管土相互作用，已被许多管道抗震设计规范采用，如ASCE(1984)[30]、ALA(2001)[31]，PRCI(2009)[32]等。数值模拟法主要采用有限元模型模拟管道在滑坡作用下的受力情况，可以考虑管土作用的非线性。试验法最接近实际工况，但成本较高。

3.1 解析法

埋地管道设计时考虑回填土的重量、管道埋深、土压力系数、土壤内摩擦角等因素，假设管道外表面所受摩擦阻力与作用在管道上的应力和摩擦特征相关，忽略管土相互作用。这这种方法被许多管道抗震设计规范采用。表2为目前具有代表性的解析方法总结。

另外CHALLAMEL等[38]基于动力学提出了一个滑坡下管土失效机理的简化分析方法，将纵向滑坡和管道视为一个整体结构，其结构稳定性为与滑坡管道几何参数和管道材质相关的无量纲参数，并且管道几何形状是影响管道变形的主要因素。

表2 解析法总结

虽然解析法具有计算简单，工程应用方便等优点[2]，但大量的研究表明，管道轴向拉伸试验结果和解析计算值间存在较大误差[10,14,34,39]。

3.2 数值模拟法

随着计算机技术的不断发展，数值模拟方法在分析管道在滑坡作用下的力学响应中得到了广泛应用。国外学者对滑坡作用下的埋地管道动力响应研究较少，主要集中在地层变形的影响上(表3)。近年来，国内学者对滑坡作用下的埋地管道动力响应有一定的数值模拟研究，但也存在一定的局限(表4)。

表3 数值模拟方法总结(国外)

表4 数值模拟方法总结(国内)

其中马津津[42]基于Abaqus研究了埋地天然气PE管在占压和横向滑坡复杂荷载下的管道—土体应力、位移分布，通过施加土体4次多项式位移荷载，计算管道和土体位移和应力分布，基于PE管失效准则，计算出滑坡宽度和管道屈服点最大位移Umax的关系，并分析了管道参数和滑坡参数对管道最危险点MISE应力随Umax变化的影响，及对屈服时Umax的影响。研究表明滑坡中点管道所受应力最大，另外一个应力极值点处于管道弯曲处。当外载荷较小时管道起拱线的应力略大于管顶和管底点应力，当远小于PE管的屈服应力，当外载荷较大时，管底应力最大，即为最危险点。张会远等[46]将垂直于滑坡走向管道简化为当量轴力作用下的梁模型，基于土体winkler地基假设，即土体为纵向分离弹簧互不影响，管道轴向抗力符合双线性假设，对埋地天然气管进行了力学分析，基于弹性力学推导了管道于当量轴力下的挠度和弯矩分布，并用FLAC3D进行了模型验证。赵潇等[47]基于Abaqus分析了沿斜坡敷设埋地输气管道于不同斜坡角度和坡长的应力极值分布，当坡度处于20°～30°时，斜坡长度越长，管道极值应力越大。陈利琼等[48]基于有限元分别用ANSYS和Cersar Ⅱ分析了无滑坡作用和横向和纵向滑坡对管道的作用响应，分析了滑坡作用下其位移荷载、埋深、管材、内压对管道最大mise应力的影响，但并未说明其确切屈曲点的位置。李杭杭[49]通过DEM和FEM耦合，采用颗粒-结构单向耦合的方式，考虑了岩土的离散性，采用挡土墙撤出方式，重力驱动分析横向滑坡中管道的位移和应力分布，假设土壤推力为均布力，并忽略了管道的轴向受力和变形，这对管道强度失效判据有一定影响。

3.3 试验法

试验研究方面，国外学者主要对地震作用下的管道力学响应进行了大量试验研究，对滑坡作用下埋地管道力学响应研究较少。一些研究结构还开展了全尺寸试验或田野试验，如康奈尔大学[8]，冷海资源工程中心[10]，皇后大学[50]和英属哥伦比亚大学[13]等。由于滑坡土体一般体积较大，考虑到全尺寸模型构建和实验的困难，目前多采用土工离心机实验构建加速场通过实验室模型来模拟实际滑坡作用下管道的受力情况。Hadi Farahi Jahromi等[51]基于Iai[52-53]的方法将工程原型参数转化为实验室模型参数，进行了相似性分析，重点分析了管道埋深对管道变形和滑坡响应的影响，研究表明管道的存在对滑坡土壤的位移几乎没有影响，验证了将管道应变视为滑坡土壤位移的合理性。现在可通过土工离心试验机来构建加速场以放大实验室模型参数，如Weiyuan Zhang I Amin Askarinejad通过离心试验机，基于Audibert JM, Nyman KJ提出的水平地面下受拉管道极限力qu，推导了滑坡作用下位于失效面管道的极限力qus。

国内对埋地管道在滑坡作用下的力学性能有一定研究，林冬等[54]采用人工堆积的方法构建了管道全尺寸滑坡模型，研究滑坡对管道力学的影响实验，发现前缘临空条件和地下水条件是影响管道滑坡稳定性的关键因素。刘金涛[55]进行了管道横穿滑坡相互作用大尺度模型试验，得到了试验不同阶段滑坡的变形特点、应力与变形间的相互关系。但未考虑管道埋深、管道直径、滑坡宽度、滑坡带深度的影响。牛文庆等[56]在滑坡体前、中、后部不同部位布设管道进行模型试验，研究了管道与滑坡正交情况下不同部位管道的受力与变形情况(表5)。Feng wenkai等[57]通过逐步开挖滑坡土体前方挡土墙的方式(重力驱动)，进行全尺寸管土作用实验，分析了管道应力应变随土壤变形的过程，得出经验公式，研究表明管道应力和变形沿管线呈马鞍型分布。

表5 试验法总结Table 5 Summary of experimental methods

目前主要通过上述3种方式分析滑坡作用下埋地天然气管的应力应变，管道的强度设计准则分为基于应力或者应变两种方式，通过对管土的受力分析并基于管道失效准则的极限应力和极限应变来判断管道是否处于安全应力状态，通过对滑坡、管道的参数分析，拟合计算一定滑坡参数下管道最危险点(应力最大点)或最大界面变化率作为管道失效判据。通常滑坡对管道的危险评价是基于不同的数学方法来构建评价模型对其危害进行定性或者定量的评估，如张满银等[61]提出了一种基于云理论的滑坡作用下油气管道危险综合评价方式，冼国栋等[62]对管道危害影响因素分析，确定评指标因子，通过样本统计分析，计算其灾害影响因子敏感性。Juan Pablo Alvarado-Franco等[63]提出了一种定量评估方法，将所需考虑模型参数定义为不同概率密度函数，通过蒙特卡洛模拟估计每个点滑坡发生和管道失效概率，并用语言尺度将这些概率映射到危险暴露水平。

4 未来发展趋势

4.1 非线性管材在滑坡作用下的力学响应

近年来，聚乙烯(Polyethylene，以下筒称PE)管在城市燃气输配管网中的应用越来越广泛。与钢管相比，PE管具有经济性好、防腐蚀、柔韧性好、易于维修、使用使命长等优点[59]。由于没有合适的管土作用模型来分析PE管，通常采用钢管的管土相互作用模型去分析PE管。但塑料管的应力应变关系是非线性的，并与材料和温度相关，采用钢管材料的线弹性应力应变关系去分析PE管的管土作用会存在很多局限。因此，非线性管材在滑坡作用下的力学响应需要进一步的研究。

4.2 全尺寸模型试验

全尺寸模型试验是分析管土复杂相互作用的有效途径。但纵观目前国内外已经开展的滑坡作用下管道力学响应试验，目前仅有非常少的几例大型试验，且考虑的影响因素还非常有限。且国内还没有针对埋地PE管的全尺寸模型试验。因此，针对滑坡作用下的埋地天然气管道进行全尺寸模型试验研究，对保证埋地天然气管道的安全运行具有重要意义。目前多采用土工离心机来模拟进行参数放大以模拟全尺寸实验，通过构造加速场能有效定量分析管道于滑坡作用下的真实应力情况，从而为管道完整性管理提供一定的参考基础。