ISSN 1003-8035 CN 11-2852/P
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横穿滑坡下X80管道极限滑坡位移分析

张鹏, 王晓宇, 唐雪梅, 刘思铭

张鹏，王晓宇，唐雪梅，等. 横穿滑坡下X80管道极限滑坡位移分析[J]. 中国地质灾害与防治学报，2023，34(2): 21-29. DOI: 10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.202207021
引用本文: 张鹏，王晓宇，唐雪梅，等. 横穿滑坡下X80管道极限滑坡位移分析[J]. 中国地质灾害与防治学报，2023，34(2): 21-29. DOI: 10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.202207021
shu
ZHANG Peng，WANG Xiaoyu，TANG Xuemei，et al. Limit displacement of a landslide for an X80 buried pipeline crossing it[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2023，34(2): 21-29. DOI: 10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.202207021
Citation: ZHANG Peng，WANG Xiaoyu，TANG Xuemei，et al. Limit displacement of a landslide for an X80 buried pipeline crossing it[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2023，34(2): 21-29. DOI: 10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.202207021
shu

横穿滑坡下X80管道极限滑坡位移分析

  • 1.

    西南石油大学土木工程与测绘学院, 四川 成都　610500

  • 2.

    西南石油大学机电工程学院, 四川 成都　610500

基金项目: 国家自然科学基金项目（50974105）；中国工程院重大咨询研究项目（2011–ZD–20）
详细信息
    作者简介:

    张　鹏（1964-），男，上海人，教授，博导，博士（后），主要从事结构工作性能及力学行为、管道系统完整性的研究。E-mail：18482112584@163.com

    通讯作者:

    王晓宇（1998-），男，新疆乌鲁木齐人，硕士，主要从事管道完整性管理的研究。E-mail：815469766@qq.com

  • 中图分类号: P642.23;TE937

Limit displacement of a landslide for an X80 buried pipeline crossing it

  • 1.

    School of Civil Engineering and Geomatics, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan　610500, China

  • 2.

    School of Mechanical and Electrical Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan　610500, China

摘要

    摘要
  • 摘要: 长输管道在运输天然气时不可避免地会穿越地质灾害频发区域，其中滑坡对于管道的威胁性最大，因此对滑坡作用下管道的安全进行评估十分重要。针对X80管道横穿滑坡可能遇到的安全问题，提出管道的极限滑坡位移定义，将其作为评价管道安全的外部指标。依据中贵线某滑坡工况，采用ABAQUS软件建立横穿滑坡下的管-土模型，对不同滑坡裂缝、滑坡宽度下的管道力学行为与极限滑坡位移变化情况进行数值模拟研究。结果表明：不同裂缝位置、滑坡宽度下，管道应力均随位移荷载增加而增大；滑坡裂缝位置距管道越远，管道承受的极限滑坡位移值越大，当裂缝位置为9 m时，管道所能承受的极限滑坡位移达4.03 m；文中工况下滑坡宽度35 m为管道应力变化分界点，此时管道所能承受的极限滑坡位移值最小。
    Abstract: When transporting natural gas, long-distance pipelines will inevitably pass through areas with frequent geological disasters, and landslides are the most threatening to pipelines. Therefore, it is very important to study the safety assessment of pipelines under the action of landslides. In view of the possible safety problems of X80 pipeline crossing the landslide, the definition of the limit landslide displacement of the pipeline is proposed as an external index to evaluate the safety of the pipeline. According to the working condition of a landslide on the Zhongwei Guiyang line, the pipe soil model under the landslide is established by using ABAQUS software, and the mechanical behavior of the pipeline and the change of the limit landslide displacement under different landslide cracks and landslide widths are numerically simulated. The results show that the pipeline stress increases with the increase of displacement load under different crack positions and landslide widths; The farther the landslide crack location is from the pipeline, the greater the limit landslide displacement that the pipeline can bear. When the crack location is 9 m, the limit landslide displacement that the pipeline can bear reaches 4.03 m; Under the working condition of this paper, the landslide width of 35 m is the dividing point of pipeline stress change. At this time, the limit landslide displacement that the pipeline can withstand is the smallest.
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  • 0.   引言

    我国黄土高原及周缘地区构造背景复杂，历史强震发育。黄土高原位于青藏地震区、华北地震区和华南地震区的交会部位，以鄂尔多斯地台为中心，在地台的周缘，分布有大量活跃的地震构造带，如六盘山—祁连山地震带、汾渭地震带、华北平原地震带、银川—河套地震带等，其地震构造非常复杂，是一个历史强震和现代地震频发的区域。根据现代地震台网监测资料，黄土高原及周缘地区1970—2019年间区内共发生2.0～4.0级现代地震7670余次。根据对历史地震目录的统计，区内共记录到M≥4¾级地震420次，其中8.0～8.9级地震7次，7.0～7.9级地震18次，6.0～6.9级地震61次，5.0～5.9级地震249次，4.7～4.9级地震86次，最大地震为1920年宁夏海原8.5级地震。区内发生的许多破坏性地震，如1556年华县8¼级地震、1654年天水8级地震、1920年海原8.5级地震、1927年古浪8级地震等，均造成了灾难性的后果。尤其是1920海原地震触发大量地质灾害，其数量之多、规模之大、类型之复杂、造成损失之惨重，举世罕见[1]。当前黄土高原及周缘地区7级地震复发周期已经接近，强震风险日益增高，地震地质灾害风险和威胁日趋严峻。

    典型黄土是一种结构性土，具有大孔隙、弱胶结的架空结构特征，在我国黄土高原地区分布广泛。黄土在强震作用下具有强烈的地震易损性，其中震陷性是黄土最典型的灾害特性之一。黄土震陷除使自身宏观强度及变形特征发生改变、极易引发土体整体失稳与破坏之外[2]，还会产生降低桩摩阻力等工程问题[3]，因此受到国内外科研和工程技术人员的广泛关注。针对黄土震陷机理、评价和防治等方面，不同学者开展了大量的研究工作。在黄土震害调查方面，陈永明等[4]、张振中等[5]对1995年永登5.8级地震诱发的黄土震陷灾害开展了全面的调查研究。对于震陷影响因素方面，Prakash深入研究了美国中部黄土的液化特性，研究了该地区的抗液化能力受物性指标和粒径分布的影响[6]。主要考虑黄土不同的物理性质、加载条件等，确定了各物性指标及荷载参数对黄土震陷特性的影响效应[7-9]，以及黄土震陷性的区域变化规律[10-13]。部分学者研究了黄土震陷的微观机制[14-15]，提出了黄土震陷的评价模型和方法[16-18]，同时对黄土震陷引发的次生灾害的灾变机理与破坏模式进行了研究[19]，这些研究成果在典型工程及重要城镇的震害预测和抗震设防中得到应用[20]。在黄土震陷的防治方面，从土性改良[21]和地基处理[22-23]等方面开展了大量研究，为重大工程的抗震设防提供了依据。上述大量研究成果，为黄土震陷灾害的评价和预测提供了重要的理论依据。

    富平县地处渭河盆地和鄂尔多斯地台的连接带，区内地震构造背景复杂，黄土分布广泛，黄土场地的震陷危险性较高。本文以富平县城市总体规划建设用地和富阎新区规划范围为研究区，通过资料收集、野外调研、室内试验和理论分析等方法，确定研究区的地震工程地质条件，采用地震危险性概率分析方法确定研究区不同超越概率水平的地震动参数，基于大量黄土动三轴试验确定区内不同地貌单元及不同地层黄土的震陷特性。在此基础上，研究确定区内黄土场地的震陷小区划，研究结果可为富平县的防震减灾工作提供科学依据。

    1.   富平县地震工程地质条件

    研究区位于陕西省中部，关中平原和陕北高原的过渡地带，属渭北黄土高原沟壑区，其具体位置如图1所示。区内地形总体西北高东南低，地势比较平坦，相对高差小于200 m。为查明研究区的地层结构及岩土体类型，共布设了199个钻孔，其中断层控制孔79个，场地控制孔117个，已有钻孔3个，钻孔深度主要为80～100 m。

    图  1  渭北黄土高原地质地貌图及研究区位置
    Figure  1.  Location and geological and geomorphological map of the study area
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    根据资料收集、野外调查、现场勘察和资料分析，确定了研究区的地震工程地质条件。研究区内发育有3条断裂，断裂名称及活动时代分别为：淡村—龙阳断裂（Qp）、三井—乔家断裂（Qh）和口镇—关山断裂（Qp）。区内主要分布有黄土塬和河流阶地两大地貌类型，具体包括荆山塬、华阳塬、浮塬，温泉河漫滩和一级阶地，石川河漫滩和一、二、三至四级阶地，渭河二级阶地，研究区地质地貌图如图2所示。

    图  2  研究区地质地貌图
    Figure  2.  Geological and geomorphological map of the study area
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    场地内的岩土体类型主要为黄土类土、粉质黏土、粉土、砂土、卵石及人工填土等。各地貌单元的地层结构如图3所示。由图可见：在钻孔揭露深度范围内，黄土塬为黄土—古土壤的互层结构；石川河三—四级阶地为含3～5层古土壤的黄土地层（厚30～40 m）覆盖在河流相地层之上；石川河二级阶地上覆黄土层厚20多米，见1层古土壤；渭河二级阶地上覆黄土层30～40 m，见1层古土壤。在研究区分别布设有南北向（Ⅰ—Ⅰ’）及近东西向（Ⅱ—Ⅱ’）地质剖面，剖面详情具体见图4所示。

    图  3  不同地貌单元典型地层结构图
    Figure  3.  Typical stratigraphic structure of different geomorphic units
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    图  4  研究区主要地质剖面图
    Figure  4.  Main geological sections of the study area
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    图5给出了研究区的等效剪切波速及地脉动卓越周期的平面分布图。由图可见，场地等效剪切波速均小于500 m/s，且基本大于250 m/s。其中温泉河河床及漫滩及渭河二级阶地的等效剪切波速较低，分别为256.4 m/s及275.4 m/s，石川河河床及漫滩的平均等效剪切波速最高，最大等效剪切波速为422.6 m/s，最小为271.6 m/s，均值为347 m/s。石川河一级阶地和二级阶地的平均剪切波速相差不多，三个黄土塬区的平均等效剪切波速基本一致。整个场地的平均卓越周期较稳定，各地貌单元场地平均卓越周期主要集中在0.30～0.38 s。

    图  5  研究区等效剪切波速及卓越周期分布图
    Figure  5.  Distribution of equivalent shear wave velocity and predominant period in the study area
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    在地震危险性概率分析的基础上，确定了研究区50年超越概率10%和2%的地震动参数区划图，具体见图6所示，各分区的地震动参数如表1所示。

    图  6  研究区地震动参数区划图
    Figure  6.  Seismic parameter zoning map of the study area
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    表  1  不同超越概率地震动参数表
    Table  1.  Table of ground motion parameters with different exceedance probabilities
    分区50年超越概率10%50年超越概率2%
    $ {\alpha _{\max }} $/gTg/s$ {\;\beta _{\max }} $$ \gamma $$ {\alpha _{\max }} $/gTg/s$ {\;\beta _{\max }} $$ \gamma $
    AA20.1950.502.50.90.3600.702.50.9
    BB10.2200.452.50.9
    B20.2200.502.50.9
    B30.2200.552.50.90.3800.802.50.9
    B40.3800.852.50.9
    CC10.4100.602.50.9
    C20.4100.702.50.9
    　　注：${\alpha _{\max }} $为峰值加速度，Tg为特征周期，${\;\beta _{\max }} $为结构物加速度的放大倍数，$\gamma $为衰减系数 。
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    2.   黄土的震陷特性研究

    本研究在不同地貌单元不同深度处采取黄土试样，开展黄土的震陷试验，据此研究黄土的震陷性。研究区黄土主要分布在黄土塬、石川河二级和三—四级阶地，以及渭河二级阶地，取样深度分别控制为5 m、10 m和15 m。室内动三轴试验采用K0固结，其固结压力根据上覆土体自重设置。激振动荷载采用正弦波，加载频率为1 Hz，加载循环周次为5次。

    本次研究采用指数函数作为黄土的震陷模型，据此对黄土的震陷性进行拟合。模型表达式如式（1）所示。其中，A和B为试验参数，$ {\varepsilon _{\rm{p}}} $为残余应变，$ {\sigma _{\rm{d}}} $为动应力。$ {\sigma _{{\rm{d}}0}} $为震陷起始动应力，$ {\sigma _{{\rm{du}}}} $为极限动应力。试验结果及其拟合曲线、拟合参数见图7。

    图  7  黄土震陷试验拟合曲线及参数
    Figure  7.  Fitting curve and parameters of loess seismic subsidence test
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    $$ {\varepsilon _{\text{p}}} = \left\{\begin{split} & 0\quad\quad\quad\quad\quad\;{(0\leqslant {\sigma _{\rm{d}}} < {\sigma _{{\rm{d}}0}})} \\ & {A\exp (B{\sigma _{\rm{d}}})}\quad {({\sigma _{{\rm{d}}0}} \leqslant {\sigma _{\rm{d}}} < {\sigma _{{\rm{du}}}})} \end{split}\right. $$ (1)

    为了分析不同地貌单元黄土的震陷性差异，将不同地貌单元相同深度的黄土试样震陷曲线进行均值化处理，并进行对比分析，结果见图8所示。

    图  8  不同地貌单元黄土震陷曲线对比分析
    Figure  8.  Comparison and analysis of seismic subsidence curve of loess in different geomorphic units
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    由图可见：各个地貌单元的震陷曲线特征较为相似，随着黄土层深度增大，产生相同震陷所需的动应力越大。在相同动应力条件下，黄土台塬的震陷系数最小，其次为石川河三—四级阶地，石川河二级阶地最大。可见研究区低阶地黄土震陷性强，其次为高阶地，黄土塬震陷性最小。

    图9给出了不同地貌单元黄土震陷拟合参数的对比，由图可见：同一地貌单元同一深度A、B值随着土层深度增大而减小，且同一地貌单元不同深度处的A、B值变化率基本在50%～65%。不同地貌单元在同一深度处的A、B值有所不同，黄土台塬最大，其次是石川河三—四级阶地，然后是渭河二级阶地，石川河二级阶地最小。

    图  9  不同地貌单元及不同深度黄土震陷拟合参数对比分析
    Figure  9.  Comparative analysis of fitting parameters of loess seismic subsidence in different geomorphic units and depths
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    3.   黄土场地震陷评价

    研究区黄土场地主要为黄土-古土壤的层状结构，根据地形地貌条件按照水平层状模型将场地考虑为一维计算模型，用分层总和思想计算黄土场地的震陷量。根据各钻孔地层结构及各层土体物理力学参数，结合不同超越概率条件下地震动参数和相应土体震陷曲线，确定不同地层土体的震陷系数及钻孔震陷量。以此为基础开展研究区50年超越概率10%和2%的黄土震陷小区划，结果如图10所示。

    图  10  研究区震陷小区划
    Figure  10.  Seismic subsidence zoning in the study area
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    由图可见：在50年超越概率10%条件下，场地轻微黄土震陷区主要分布于浮塬和渭河二级阶地，震陷面积约3.5 km2。中等黄土震陷区分布于浮塬及渭河二级阶地，震陷面积约3.9 km2，其余黄土区属于不震陷区。

    50年超越概率2%条件下，场地轻微及中等震陷区主要分布于石川河二级阶地和浮塬上，轻微震陷区面积约5.3 km2。中等震陷区面积约15.7 km2。严重震陷区主要分布在浮塬、渭河二级阶地以及石川河三—四级阶地，石川河河床及漫滩也有较小范围分布，震陷面积约9.9 km2，其余黄土区属于不震陷区。

    4.   结论

    黄土震陷是黄土高原地区最典型的灾害之一，严重威胁着当地的经济建设和居民的生命财产安全。本文通过资料收集、野外调研、室内试验和理论分析等方法，对富平县黄土震陷特性及其区划特征进行了研究，主要结论如下：

    （1）典型震陷曲线表现为初始变形、曲线变形及剪切变形三个阶段。不同深度黄土震陷曲线具有相似的变化规律。随着深度的增加，产生明显震陷所需的动应力越来越大，20m以下土样不具明显的震陷性。

    （2）研究区内低阶地黄土震陷性较强，其次为高阶地，黄土台塬区黄土震陷性相对较小。通过综合分析研究区不同地貌单元黄土的震陷特性，建立的震陷曲线的分段函数数学模型精度较高，可为研究区其他区域的震陷预测提供参考。

    （3）50年超越概率10%条件下，研究区内轻微、中等震陷区分布于浮塬和渭河二级阶地，其余黄土区属于不震陷区。50年超越概率2%条件，研究区内轻微及中等黄土震陷区主要分布在石川河三—四级阶地、浮塬和渭河二级阶地。严重震陷区主要分布在渭河二级阶地、石川河三—四级阶地和浮塬，其余黄土区属于不震陷区。根据震陷等级给出了研究区50年超越概率10%和2%水平下的黄土震陷小区划。可为富平县及富阎新区的城市规划及防灾减灾工作提供一定的依据。

  • 图  1   滑坡全貌

    Figure  1.   Landslide panorama

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    图  2   后方长度10 m时土体位移云图

    Figure  2.   Displacement cloud diagram of rear soil mass at 10 m

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    图  3   不同层数管道应力分布图

    Figure  3.   Stress distribution diagram of pipelines with different layers

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    图  4   网格细化管道应力对比图

    Figure  4.   Comparison diagram of pipe stress before and after mesh refinement

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    图  5   网格划分示意图

    Figure  5.   Schematic diagram of grid division

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    图  6   不同裂缝位置下管道的极限滑坡位移、最大位移和土体最大位移变化曲线

    Figure  6.   Variation curves of limit landslide displacement, maximum displacement and maximum displacement of soil mass of pipeline under different crack positions

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    图  7   不同裂缝位置与位移荷载下管道的应力曲线图

    注：图7从左到右分别为裂缝位置距管道0～9 m时的曲线。

    Figure  7.   Stress curve of pipeline under different crack positions and displacement loads

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    图  8   不同裂缝位置与位移荷载下管道的位移曲线图

    注：图8从左到右分别为裂缝位置距管道0～9 m时的曲线。

    Figure  8.   Displacement curve of pipeline under different crack positions and displacement loads

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    图  9   不同滑坡宽度下管道的极限滑坡位移、管道最大位移与土体最大位移曲线

    Figure  9.   Curves of limit landslide displacement, maximum pipeline displacement and maximum soil displacement of pipelines with different landslide widths

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    图  10   滑坡宽度10～30 m的管道应力变化曲线

    Figure  10.   Pipeline stress change curve with landslide width of 10～30 m

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    图  11   滑坡宽度35～80 m的管道应力变化曲线

    Figure  11.   Pipeline stress change curve with landslide width of 35～80 m

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    表  1   土体参数

    Table  1   Soil parameters

    岩土参数E/MPaµγ/（kN·m−3）φ/（°）c/kPa
    非滑坡区域32.50.35202520
    滑坡区域32.50.40201015
    　　注：E为弹性模量，µ为泊松比，γ为容重，φ为摩擦角，c为黏聚力。
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    表  2   管材参数

    Table  2   X80 pipe parameters

    型号外径/mm壁厚/mm密度/（kg·m−3）E/GPaµσ/MPa
    X80101618.278502070.3555
    　　注：σ为屈服应力。
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    表  3   模型检验

    Table  3   Model test

    模型RR2决定系数均方差F检验
    检验值0.9910.9820.97016.364133.490
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    表  4   滑坡宽度小于30 m的模型检验

    Table  4   Model test of landslide width less than 30 m

    模型RR2决定系数均方差卡方检验系数F检验
    检验值0.98570.97160.936431.45141.43144.76
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    表  5   滑坡宽度大于30 m的模型检验

    Table  5   Model test of landslide width more than 30 m

    模型RR2决定系数均方差卡方检验系数F检验
    检验值0.98110.96260.925926.64224.24490.04
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-07-14
  • 修回日期:  2022-11-08
  • 录用日期:  2022-11-28
  • 网络出版日期:  2023-01-30
  • 刊出日期:  2023-04-24

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  • 0.   引言

  • 1.   富平县地震工程地质条件

  • 2.   黄土的震陷特性研究

  • 3.   黄土场地震陷评价

  • 4.   结论

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