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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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)
    下载: 导出CSV
  • Adeeb S M,Horsley D J. 2006. A numerical procedure to establish a safe working pressure during excavation of a pipeline in a rock ditch[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping,83 (7): 488-497. doi: 10.1016/j.ijpvp.2006.03.007
    Brooker D C. 2003. Numerical modelling of pipeline puncture under excavator loading. Part I. Development and validation of a finite element material failure model for puncture simulation[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 80 (10): 715-725. doi: 10.1016/j.ijpvp.2003.08.003
    Deng C J, He G J, Zhen Y R. 2006. Studies on Drucker-Prager yield criterions based on M-C yield criterion and application in geotechnical engineering[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 28 (6): 735-739.
    Department of Petroleum and Natural Gas, National Energy Administration. et al. 2021. China Natural Gas Development Report(2021)[R]. Beijing: Petroleum Industry Press.
    Ding F F, Shi Y C, Feng W K. 2009. Numerical simulation of buried pipeline under rock-fall impact[J]. Shanxi Architecture, 35 (30): 87-88.
    Hu X W, Mei X F, Yang Y, et al. 2019. Dynamic response of pile-plate rock retaining wall under impact of rockfall[J]. Journal of Engineering Geology, 27 (1): 123-133.
    Huang W, Xie R, Chen X H. 2019. Mechanical analysis of buried oil and gas pipeline under rock fall impact[J]. China Petroleum Machinery, 47 (9): 138-144.
    Huang Y. 2012. Research on freeze-thaw mechanical behavior of rock mass and collapse formation mechanism along the highway located in alpine and strong earthquake regions—Taking side slope of Tianshan highway as an example[D]. Chengdu: Chengdu University of Technology.
    Li Y L, Xu W B, Chen H Y, et al. 2012. Reliability analysis of buried high pressure gas pipeline under the impact of rock fall[J]. Journal of Safety Science and Technology, 8 (4): 29-33.
    Ma W J, Li H S. 2018. Experimental study on rockfall impact response of buried gas pipeline[J]. China Measurement & Test, 44 (9): 23-28.
    Ma X L. 2017. Research on limit state design method of natural gas pipeline under impact external load[D]. Chengdu: Southwest Petroleum University.
    Plassiard J P, Donze F V. 2010. Optimizing the design of rockfall embankments with a discrete element method[J]. Engineering Structures, 32 (11): 3817-3826. doi: 10.1016/j.engstruct.2010.08.025
    Shangguan F Y, Huang K, Wu S J, et al. 2017. Stress analysis of Lantsang crossing gas pipeline under rock falling situation[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 34 (3): 483-489.
    Song A L, Liang G C, Wang W Y. 2006. Current status and development trend of world oil and gas pipelines[J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 25 (10): 1-8.
    Wang D Y, Zhao Y, Wang C H. 2013. Analysis of rockfall impact on buried oil pipeline at Yangba[J]. Journal of Natural Disasters, 22 (3): 229-235.
    Wang L, Deng Q L, Yang H J, et al. 2007. Evaluation on the safety of natural gas pipeline impacted by dangerous rock fall[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 34 (5): 29-32.
    Wang Q K, Zhang B, Wang H X, et al. 2020. Optimization and stability analysis of layout parameters of lined high-pressure gas storage caverns[J]. Journal of Engineering Geology, 28 (5): 1123-1131.
    Wang Y, Yao A L, Li Y L, et al. 2010. Impact of falling rocks on gas pipelines with different buried depths[J]. Petroleum Engineering Construction, 36 (1): 4-7.
    Wu S J. 2016. The impact of rockfall on the Lantsang crossing pipeline and its prevention[D]. Chengdu: Southwest Petroleum University.
    Yao A L, Xing Y F, Zeng X G, et al. 2009. Simulated analysis of the dynamic response of buried steel pipeline to the rolling stone impact[J]. Journal of Safety and Environment, 9 (3): 122-125.
    Zhang H T. 2015. Risk control of the geological hazard for Zhongxian-Wuhan gas pipeline[D]. Qingdao: China University of Petroleum.
    Zhang S Z. 2012. Accident risk analysis and route selection method of long-distance oil and gas transportation pipeline[D]. Beijing: China University of Mining & Technology, Beijing.
    邓楚键, 何国杰, 郑颖人. 2006. 基于M-C准则的D-P系列准则在岩土工程中的应用研究[J]. 岩土工程学报, 28 (6): 735-739. doi: 10.3321/j.issn:1000-4548.2006.06.011
    丁凤凤, 石豫川, 冯文凯. 2009. 埋地管道在落石冲击作用下的数值模拟[J]. 山西建筑, 35 (30): 87-88. doi: 10.3969/j.issn.1009-6825.2009.30.055
    国家能源局石油天然气司, 等. 2021. 中国天然气发展报告(2021)[R]. 北京: 石油工业出版社, 2021.
    胡卸文, 梅雪峰, 杨瀛, 等. 2019. 落石冲击荷载作用下的桩板拦石墙结构动力响应[J]. 工程地质学报, 27 (1): 123-133. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2019-004
    黄文, 谢锐, 陈小华. 2019. 落石冲击载荷下埋地油气管道力学分析[J]. 石油机械, 47 (9): 138-144. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYJI201909022.htm
    黄勇. 2012. 高寒山区岩体冻融力学行为及崩塌机制研究——以天山公路边坡为例[D]. 成都: 成都理工大学.
    李又绿, 徐文彬, 陈华燕, 等. 2012. 滚石冲击作用下埋地高压输气管道的可靠性分析[J]. 中国安全生产科学技术, 8 (4): 29-33. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-LDBK201204006.htm
    马文江, 李海胜. 2018. 埋地输气管道落石冲击响应的试验研究[J]. 中国测试, 44 (9): 23-28. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYCS201809005.htm
    马晓磊. 2017. 天然气管道冲击外载荷作用下的极限状态设计方法研究[D]. 成都: 西南石油大学.
    上官方媛, 黄坤, 吴世娟, 等. 2017. 澜沧江跨越管段天然气管道落石条件下应力分析[J]. 应用力学学报, 34 (3): 483-489. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYLX201703014.htm
    宋艾玲, 梁光川, 王文耀. 2006. 世界油气管道现状与发展趋势[J]. 油气储运, 25 (10): 1-8. doi: 10.3969/j.issn.1000-8241-D.2006.10.001
    王东源, 赵宇, 王成华. 2013. 阳坝落石对输油管道的冲击分析[J]. 自然灾害学报, 22 (3): 229-235. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZRZH201303031.htm
    王磊, 邓清禄, 杨辉建, 等. 2007. 危岩体坠落冲击对输气管道影响的分析评价[J]. 水文地质工程地质, 34 (5): 29-32. doi: 10.3969/j.issn.1000-3665.2007.05.008
    王其宽, 张彬, 王汉勋, 等. 2020. 内衬式高压储气库群布局参数优化及稳定性分析[J]. 工程地质学报, 28 (5): 1123-1131. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2020-305
    王岩, 姚安林, 李又绿, 等. 2010. 崩塌落石对不同埋深输气管道的冲击影响[J]. 石油工程建设, 36 (1): 4-7. doi: 10.3969/j.issn.1001-2206.2010.01.003
    吴世娟. 2016. 崩塌落石对澜沧江跨越管道的影响及其防治研究[D]. 成都: 西南石油大学.
    姚安林, 邢义锋, 曾祥国, 等. 2009. 滚石作用下埋地钢管道动力响应数值模拟分析[J]. 安全与环境学报, 9 (3): 122-125. doi: 10.3969/j.issn.1009-6094.2009.03.030
    张洪涛. 2015. 忠武输气管道地质灾害风险控制研究[D]. 青岛: 中国石油大学(华东).
    张圣柱. 2012. 油气长输管道事故风险分析与选线方法研究[D]. 北京: 中国矿业大学(北京).
  • 加载中
图(19) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  106
  • HTML全文浏览量:  41
  • PDF下载量:  48
  • 被引次数: 0
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

目录

    /

    返回文章
    返回