崩塌落石冲击埋地油气管道的动力响应机理研究

方迎潮 汤明高 葛华 朱治儒 黄海滨

方迎潮, 汤明高, 葛华, 等. 2022. 崩塌落石冲击埋地油气管道的动力响应机理研究[J]. 工程地质学报, 30(2): 589-598. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2021-0603
引用本文: 方迎潮, 汤明高, 葛华, 等. 2022. 崩塌落石冲击埋地油气管道的动力响应机理研究[J]. 工程地质学报, 30(2): 589-598. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2021-0603
Fang Yingchao, Tang Minggao, Ge Hua, et al. 2022. Study on dynamic response mechanism of rockfall impacting buried oil and gas pipeline[J]. Journal of Engineering Geology, 30(2): 589-598. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2021-0603
Citation: Fang Yingchao, Tang Minggao, Ge Hua, et al. 2022. Study on dynamic response mechanism of rockfall impacting buried oil and gas pipeline[J]. Journal of Engineering Geology, 30(2): 589-598. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2021-0603

崩塌落石冲击埋地油气管道的动力响应机理研究

doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2021-0603
基金项目: 国家管网集团科技项目“山区油气管道线路设计与工程防护关键技术研究”
详细信息
    作者简介:

    方迎潮(1990-),男,硕士,工程师,主要从事管道地质灾害防治研究. E-mail:1176988203@qq.com

    通讯作者:

    汤明高(1978-),男,博士,教授,博士生导师,主要从事地质灾害机理、评价预测及防治研究. E-mail:tomyr2008@163.com

  • 中图分类号: P642.23

STUDY ON DYNAMIC RESPONSE MECHANISM OF ROCKFALL IMPACT-ING BURIED OIL AND GAS PIPELINE

Funds: This research is supported by the PipeChian Science and Technology Project "Research on Key Technologies of Oil and Gas Pipeline Route Design and Engineering Protection in Mountainous Areas"
  • 摘要: 高位崩塌落石是造成长输埋地油气管道破坏的主要地质灾害之一。本文通过111处山区管道崩塌案例分析,归纳出崩塌与埋地管道相互作用的3种模式:冲砸管道、牵引管道及埋没管道,其中冲砸管道的危害性最大,并建立了崩塌与管道相互作用的地质力学模型。采用有限元仿真软件系统模拟了落石冲击、土体与管道变形响应过程及影响因素,发现落石冲击管道的作用过程是一个瞬态过程、持续时间约0.1 s,揭示了土体和管道动态响应规律及管土相互作用机理,发现管土变形经历了从协调变形到非协调变形的发展演化过程。在此基础上通过不同的落石速度、管道埋深、内压、落石形状以及防护工程等影响因素分析,提出了崩塌区管道防护设计建议,管道埋深设计2.0 m以上、盖板厚度不小于0.2 m,可有效降低管道遭受落石冲击破坏的风险。
  • 图  1  崩塌冲击埋地管道地质力学模型

    Figure  1.  Geomechanical model of collapse impact buried pipeline

    图  2  崩塌冲击埋地管道数值模型

    Figure  2.  Numerical model of collapse impact on buried pipeline

    图  3  计算模型网格划分及加密

    Figure  3.  Grid division and encryption of computing model

    图  4  落石加速度-时程变化曲线

    Figure  4.  Rockfall acceleration time history curve

    图  5  落石速度/位移-时程变化曲线

    Figure  5.  Rockfall velocity/displacement time history curve

    图  6  回填土受冲击Mises应力变化云图

    Figure  6.  Cloud chart of Mises stress change of backfill under impact

    图  7  管道受冲击Mises应力变化云图

    Figure  7.  Cloud diagram of Mises stress change of pipeline under impact

    图  8  管道不同位置Mises应力变化曲线图

    Figure  8.  Variation curve of Mises stress at different positions of pipeline

    图  9  管道不同位置应变变化曲线图

    Figure  9.  Strain variation curve at different positions of pipeline

    图  10  管道不同位置位移变化曲线图

    Figure  10.  Displacement change curve of pipeline at different positions

    图  11  管-土应力时程相关图

    Figure  11.  Time history correlation diagram of pipe soil stress

    图  12  管-土变形位移时程相关图

    Figure  12.  Time history correlation diagram of pipe soil deformation

    图  13  不同落石速度下管道应力-应变曲线

    Figure  13.  Stress-strain curve of pipeline under different rockfall velocities

    图  14  不同埋深管道的应力、应变曲线

    Figure  14.  Stress and strain curves of pipelines with different buried depths

    图  15  不同内压下管道应力-应变曲线

    Figure  15.  Stress-strain curve of pipeline under different internal pressure

    图  16  不同落石形状及冲击角度

    Figure  16.  Different rockfall shapes and impact angles

    图  17  不同落石形状冲击后土体变形

    Figure  17.  Soil deformation after impact of different rockfall shapes

    图  18  不同落石形状冲击后管道应力-应变曲线

    Figure  18.  Stress-strain curve of pipeline after impact of different rockfall shapes

    图  19  不同水泥盖板厚度下管道应力-应变曲线

    Figure  19.  Stress-strain curve of pipeline under different thickness of cement cover plate

    表  1  崩塌落石冲击管道作用模式

    Table  1.   Action mode of rockfall impact on pipeline

    作用模式 模型概图 管道敷设方式 管道受力特征 危害程度 灾点个数
    埋没管道 ①管道敷设堆积体前缘 纵向偏压为主 较小 86
    冲砸管道 ②管道敷设在陡崖下 冲击和纵向挤压为主 最大 23
    牵引管道 ③管道敷设陡崖边缘 横向剪切为主 中等 2
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    表  2  土体物理力学参数

    Table  2.   Physical and mechanical parameters of soil

    岩土参数 弹性模量E /MPa 泊松比 密度/kg·m-3 内摩擦角/(°) 黏聚力/kPa
    基岩区域 32.5 0.3 2040.0 25 20.0
    回填土区域 20.0 0.3 1867.3 15 29.3
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    表  3  不同影响因素的参数设计值

    Table  3.   Parameter design values of different influencing factors

    部件 影响因素 取值范围
    落石 落石速度/m·s-1 (11、12、13……30)
    落石形状 (球体、块面、块棱、块尖)
    回填土 水泥盖板厚度/m (0、0.05、0.1、0.15、0.2)
    管道 管道内压/MPa (0、2、4、6、8、10、12、14)
    管道埋深/m (0.5、1.0、1.5、2.0、2.5)
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-08-29
  • 修回日期:  2021-10-11
  • 刊出日期:  2022-04-25

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