基于模拟管道多角度敷设的湿陷性黄土危险性评估方法

摘要

一种基于模拟管道多角度敷设的湿陷性黄土危险性评估方法，包括以下基本步骤：相似模拟：实验材料配比和不同角度模型的建立；模拟流水冲刷对不同角度敷设的工况；分析不同敷设角度管道周围土体的破坏情况；根据土体裂缝、位移和流沙量确定角度和土体破坏之间的关系；建立管道埋设角度和管道周围土体破坏流失的关系曲线走向图。数值模拟：根据室内试验时的筑坡模型，利用FLAC3D建立模型；建立不同角度敷设模型和塑性状态图；建立不同角度土坡竖向位移等值线图；建立不同角度土坡横向位移等值线图；建立不同角度土坡位移矢量图；结合管道塑形状态图以及位移，确定其破坏规律。本发明避免管道周围土体大幅度破坏的发生，保障油气等管道的安全运营。

说明书

技术领域

本发明涉及湿陷性黄土地区管道埋设领域，具体涉及一种基于模拟管道多角度敷设的湿陷性黄土危险性评估方法。

背景技术

黄土是典型的水敏感性地质体，水体入渗致使黄土湿陷，力学强度大幅度下降是油气管道悬空重要因素。而油气输送管道在埋设过程中，会遇到陡坡、沟壑等非常规地形，尤其在黄土地区，此地形对埋设管道形成很大的阻碍，按照怎样的角度埋设管道会使水流冲刷对其悬空影响最小是本实验的目的所在。

在一些科学研究中，有时不能对研究对象直接进行控制或干预性的操作，为了取得对研究对象的认识，可以通过模拟的方法制成研究对象的模型，然后通过在模型上的实验间接地研究被研究对象规律性的实验方法。

相似材料模拟实验采用与原理物理力学性质相似的材料，按一定的几何相似常数缩制成试验模型进行相应的目的的研究。采用这种方法模拟管道埋设后与水流冲刷的过程，并研究土体变形破坏规律可以节省大量的观测费用，而且结果更加直观。

在对油气管道敷设过程的研究中，有三种方法：模型试验，原位试验、数值分析方法。模型试验由于尺寸效应因素影响了试验效果，而且模型试验和原位试验的成本相对较高，试验周期长，难度大，易受各种难预料因素的干扰。相对而言，数值模拟分析方法有其灵活、实用、有效、成本低的特点，在受条件限制的情况下，可以寻找规律性的成果。其中，FLAC3D对于求解管道敷设问题，有着其它方法无可比拟的优势。

发明内容

为了评估湿陷性黄土地区管道不同敷设角度危险性，以满足实际工程操作中的趋利避害的目的。本发明提出一种基于模拟管道多角度敷设的湿陷性黄土危险性评估方法，指导输油气管线在湿陷性黄土地区安全埋设。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于模拟管道多角度敷设的湿陷性黄土危险性评估方法，该方法包括相似模拟和数值模拟；

所述相似模拟包括以下步骤：

(1)实验材料配比和不同角度模型的建立；

(2)模拟流水冲刷对不同角度敷设的工况；

(3)分析不同敷设角度管道周围土体的破坏情况；

(4)根据土体裂缝、位移和流沙量确定角度和土体破坏之间的关系；

(5)建立管道埋设角度和管道周围土体破坏流失的关系曲线走向图；

所述数值模拟包括以下步骤：

(1)根据室内试验时的筑坡模型，利用FLAC3D建立模型；

(2)建立不同角度敷设模型和塑性状态图；

(3)建立不同角度土坡竖向和横向位移等值线图；

(4)建立不同角度土坡位移矢量图；

(5)结合管道塑形状态图以及位移，确定其破坏规律；

综合相似模拟和数值模拟，建立不同敷设角度工况下，形成黄土湿陷性破坏的危险性评价指标。

优选的是，所述相似模拟步骤(1)中，了解配比变化对材料的物理力学性质的影响，包括灰膏比和用水量的影响；根据管道埋设角度，设计模型的大小及角度，制作主体模型。

优选的是，所述数值模拟步骤(1)中，在建立模型时，是直接建立成如室内试验时的筑坡模型，然后赋值后开挖计算；模拟计算土坡中管道周围土体遭遇水土流失后，管道和上层土体的受力分析；在加载前首先对土体进行平衡计算，获得初始应力场，接着将由重力引起的三个方向的位移归零并分步进行加载、计算，直到计算完成为止。

优选的是，所述相似模拟步骤(2)中，模型晾晒完全之后，进行水流冲刷模拟；每隔一段时间加水且保证水流不会大量溢出，期间要控制模型表面不会流失土体；数值模拟步骤(2)中，分析土体塑性状态图。

优选的是，所述相似模拟步骤(3)中，由于管道周围是土体薄弱面，周围土体会发生湿陷并流失，统计管道尾端流沙量，烘干后称重；数值模拟步骤(3)中，分析土坡竖向位移等值线图、土坡横向位移等值线图。

优选的是，所述相似模拟步骤(4)中，管道的埋设角度和土体的破坏程度大致上呈现正比关系，即随着埋设角度的增大，土体破坏越严重；裂缝的形成，有利于局部地下水的消散和排泄，使土体垮塌趋于稳定；但另一方面，使坡体底部土体的应力状态发生转移，向破坏线移动；数值模拟步骤(4)中，分析土坡位移矢量图。

优选的是，所述相似模拟步骤(5)中，管道的埋设角度和土体的破坏程度大致上呈现正比关系，即随着埋设角度的增大，土体破坏越严重。

优选的是，数值模拟步骤(5)中，结合管道塑形状态图以及位移，能够看出管道下部土体在受到破坏致使管道悬空时，其破坏规律为：沿悬空部分向两端移动，管道受力和位移程度越来越小；坡度大小对此也有影响，坡度越大，影响越大。

本发明有益效果：

本发明提供的基于模拟管道多角度敷设的湿陷性黄土危险性评估方法，基于管线已有的真实地质条件勘查成果资料，根据模拟实验原理，以相似模拟和数值模拟操作平台，对管道周围土体破坏危险性进行超前预测预报评价分析，能够实现管道铺设有针对性地进行防治的目的。

附图说明

图1为本发明方法实施流程图；

图2给出了三次试验出砂量对比图；

图3为管道敷设坡度与流失土量拟合曲线图；

图4为30°角敷设模型；

图5为40°角敷设模型；

图6为50°角敷设模型；

图7为60°角敷设模型；

图8为30°模型塑性状态图；

图9为40°模型塑性状态图；

图10为50°模型塑性状态图；

图11为60°模型塑性状态图；

图12为30°模型竖向位移等值线图；

图13为40°模型竖向位移等值线图；

图14为50°模型竖向位移等值线图；

图15为60°模型竖向位移等值线图；

图16为30°模型横向位移等值线图；

图17为40°模型横向位移等值线图；

图18为50°模型横向位移等值线图；

图19为60°模型横向位移等值线图；

图20为30°模型位移矢量图；

图21为40°模型位移矢量图；

图22为50°模型位移矢量图；

图23为60°模型位移矢量图；

图24为试验式样结构示意图；

图25为式样开挖结构示意图；

图26为管道敷设结构示意图；

100-模型箱，200-土体，300-管道。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种基于模拟管道多角度敷设的湿陷性黄土危险性评估方法，该方法包括相似模拟和数值模拟；

相似模拟包括以下步骤：

(1)实验材料配比和不同角度模型的建立；

(2)模拟流水冲刷对不同角度敷设的工况；

(3)分析不同敷设角度管道周围土体的破坏情况；

(4)根据土体裂缝、位移和流沙量确定角度和土体破坏之间的关系；

(5)建立管道埋设角度和管道周围土体破坏流失的关系曲线走向图；

数值模拟包括以下步骤：

(1)根据室内试验时的筑坡模型，利用FLAC3D建立模型；

(2)建立不同角度敷设模型和塑性状态图；

(3)建立不同角度土坡竖向和横向位移等值线图；

(4)建立不同角度土坡位移矢量图；

(5)结合管道塑形状态图以及位移，确定其破坏规律；

综合相似模拟和数值模拟，建立不同敷设角度工况下，形成黄土湿陷性破坏的危险性评价指标。

相似模拟步骤(1)中，了解配比变化对材料的物理力学性质的影响，包括灰膏比和用水量的影响；根据管道埋设角度，设计模型的大小及角度，制作主体模型。数值模拟步骤(1)中，在建立模型时，是直接建立成如室内试验时的筑坡模型，然后赋值后开挖计算。主要模拟计算土坡中管道周围土体遭遇水土流失后，管道和上层土体的受力分析。在加载前首先对土体进行平衡计算，获得初始应力场，接着将由重力引起的三个方向的位移归零并分步进行加载、计算，直到计算完成为止。

相似模拟步骤(2)中，模型晾晒完全之后，进行水流冲刷模拟。每隔一段时间加水(保证水流不会大量溢出)，期间要控制模型表面不会流失土体。数值模拟步骤(2)中，分析土体塑性状态图。

相似模拟步骤(3)中，由于管道周围是土体薄弱面，周围土体会发生湿陷并流失，统计管道尾端流沙量，烘干后称重；得出3次试验出砂量与不同角度关系图，如下图2所示。

通过三次试验出砂量的对比可以看出，出砂量随着角度的增大整体呈上升趋势，大约在55°左右时达到最大值，之后出砂量不再增长甚至有小幅下降，由此，我们可以得出随着埋设角度的增大，土体破坏越严重。当管道埋设角度大约为55°时，流水冲刷导致接触面黄土侵蚀最为严重。

根据三次试验出砂量的平均值，采用Origin软件对试验数据进行拟合，得到管道敷设坡度(°)与流失土量(kg)间的数学关系式(见式1)，绘制管道敷设坡度与流失土量拟合曲线图，如图3所示。

设管道埋设角度为可控变量，出沙量为与其相关的随机变量，二者之间满足正弦关系：

数值模拟步骤(3)中，分析土坡竖向位移等值线图、土坡横向位移等值线图。

相似模拟步骤(4)中，管道的埋设角度和土体的破坏程度大致上呈现正比关系，即随着埋设角度的增大，土体破坏越严重；裂缝的形成，一定情况下有利于局部地下水的消散和排泄，使土体垮塌趋于稳定；但另一方面，使坡体底部土体的应力状态发生转移，向破坏线移动。数值模拟步骤(4)中，分析土坡位移矢量图。

相似模拟步骤(5)中，管道的埋设角度和土体的破坏程度大致上呈现正比关系，通过公式(1)我们可以计算出，在本试验X取值范围内存在唯一的极值X＝55，即当管道埋设角度大约为55°时，流水冲刷导致接触面黄土侵蚀最为严重。即随着埋设角度的增大，土体破坏越严重；数值模拟步骤(5)中，结合管道塑形状态图以及位移，可以看出管道下部土体在受到破坏致使管道悬空时，其破坏规律为：沿悬空部分向两端移动，管道受力和位移程度越来越小；坡度大小对此也有影响，坡度越大，影响越大。

具体实施例：

(1)实验材料配比和不同角度模型的建立；根据室内试验时的筑坡模型，利用FLAC3D建立模型；

根据试验要求，选定并准备好适应实的验材料，按照比例配比，制作模型主体材料；根据管道埋设角度，设计模型的大小及角度，制作主体模型；管道埋设按照几何相似比开挖，埋设角度分别按照15°、30°、45°、60°埋设，埋设时管道顶底端要出露土体。主要模拟计算土坡中管道周围土体遭遇水土流失后，管道和上层土体的受力分析。此次模拟共比较四个角度，分别为30°、40°、50°、60°。具体实施步骤如下：

1.1.试验设备与材料

①试验台尺寸：1800mm×600mm×600mm；式样尺寸：1000mm×600mm×500mm；试验相似比设计为1：43.5；试验材料：硅砂(Φ＝0.1～0.35mm)、膨润土、石英砂、石膏、钢管(Φ28mm)等；

②马兰黄土干重度值介于11.50～14.00kN/m3，平均值为12.50kN/m3；天然重度值介于12.50～16.00kN/m3，平均值为13.50kN/m3；

③材料相似比：根据强度相似条件要求及现场工况条件，结合试验室试验材料的技术特征及物理力学性质特征，参考《兰州马兰黄土的物理力学特性》得出材料比为：

通过简单的常规试验包括密度、液塑性等比对，得出D最符合试验现场工况条件。试验中水与材料比为1：10。

1.2.试验试样制作

将试验材料按比例混合均匀后加材料质量1/10的水，和匀搅拌，无结块之后均匀撒到模型箱100内，每10cm左右要夯实一次，最终制作长100cm，高55cm，宽60cm并存在小型斜坡的模型，(模型式样制作好之后要晾晒24h)，如图24所示。

1.3.管道开挖与埋设

管道300埋设按照几何相似比开挖，埋设角度分别按照15°、20°、30°、40°、50°、60°埋设，埋设时管道300顶底端要出露土体200(以方便水流冲刷记录)。回填时要夯实填土。埋好管道之后晾干24h，如图25、图26所示，。

1.4.模拟水流冲刷

水流冲刷要从管道顶端均匀加水，每隔一段时间加一次水，不能使水流溢到坡面处带走泥沙；每隔1h观察一次，共观察6次，结束之后将管底周围流出的沙土收集烘干后称重。

(2)模拟流水冲刷对不同角度敷设的工况；建立不同角度敷设模型和塑性状态图；

水流冲刷要从管道顶端均匀加水，每隔一段时间加一次水，不能使水流溢到坡面处带走泥沙；每隔1h观察一次，共观察4次，结束之后将管底周围流出的沙土收集烘干后称重。各个角度模型塑性状态图来分析管道周围土体裂隙和破坏位移。

(3)分析不同敷设角度管道周围土体的破坏情况；建立不同角度土坡竖向和横向位移等值线图；

数值模拟模型如图4、图5、图6、图7所示：分为四组模拟管道下土体流失部分(开挖部分)，此次模拟共比较四个角度，分别为30°、40°、50°、60°。

图8中浅灰白色区域代表土坡中的塑性变形区，从图8中可以看出管道在失去下部支撑土体后基本处于弹性受拉状态，而且影响管段的不只是悬空部分，基本上整个土坡内管道都受到一定程度的影响，管道下部土体也基本是整体受到影响的，在土坡角度较小时，管道悬空处以下部分管道受到的影响较小，管道悬空部分一直受到拉张破坏。

相比于30°模型的塑性状态图可以看出塑性变形区影响范围进一步扩大，整个土坡内管道都受到一定程度的影响，管道下部土体也基本受到影响，管道悬空部分一直受到拉张破坏，如图9所示。

塑性变形区影响范围相比于上一角度不断扩大，且变形破坏方式未发生改变。管道在失去下部支撑土体后仍基本处于弹性受拉状态，基本上整个土坡内管道都受到一定程度的影响，管道下部土体也基本受到影响的，管道悬空部分一直受到拉张破坏，如图10所示。

从60°时塑性状态图可以看出塑性变形区影响范围达到最大，破坏方式不变，管道悬空处以下部分管道受到的影响受到的影响较大，管道悬空部分一直受到拉张破坏，如图11所示。

图8、图9、图10、图11为土体塑性状态图，从以上4个图中可以大致看出管道变形破坏规律，即：在失去下部支撑土体后基本处于弹性受拉状态，而且影响管段不只是悬空部分，基本上整个土坡内管道都受到一定程度的影响，管道下部土体也基本是整体受到影响；综合比较不同角度土坡可以看出，在土坡角度较小时，管道悬空处以下部分管道受到的影响要比角度较大的土坡受到的影响要小，管道悬空部分一直受到拉张破坏。

如图12、图13、图14、图15所示，图内阴影部分为土坡竖向位移，随着角度的不断增大，竖向位移也不断增大，竖向变形越来越明显。

通过图16、图17、图18、图19的模拟分析可以得出，横向位移变化规律与竖向位移大致相同，也是随着角度的增大而不断增加。

所以管道在埋设过程中，管道周围土体遇水流失与管道埋设角度有很大关系，总体来说40°至60°的黄土斜坡，土体流失最为严重；坡度小于40°的斜坡，即使浅层完全浸湿的情况下也能维持稳定。而40°至60°度的斜坡随水流不断渗入，土体软化，自重增加，被浸湿的浅层土体在该坡度下易发生滑动；分析土坡竖向位移等值线图、土坡横向位移等值线图可知管道的位移在土体流失部分最为严重，主体由中心向两边扩展，离悬空部分越远，位移越不明显；

(4)根据土体裂缝、位移和流沙量确定角度和土体破坏之间的关系；建立不同角度土坡位移矢量图，如图20、图21、图22、图23所示。

管道的埋设角度和土体的破坏程度大致上呈现正比关系，即随着埋设角度的增大，土体破坏越严重；悬空部分上部土体有向下运动趋势，而下部土体有向上运动趋势。

(5)建立管道埋设角度和管道周围土体破坏流失的关系曲线走向图；结合管道塑形状态图以及位移，确定其破坏规律。

图24为土体塑性状态图，从图中可以看出管道在失去下部支撑土体后基本处于弹性受拉状态，而且影响管段不只是悬空部分，基本上整个土坡内管道都受到一定程度的影响，管道下部土体也基本是整体受到影响；综合比较不同角度土坡可以看出，在土坡角度较小时，管道悬空处以下部分管道受到的影响要比角度较大的土坡受到的影响要小，同时，流失土体上下部分都受到拉张破坏。

根据图25、26，图4、5、6、7，图20、21、22、23所示可以很方便的看出土坡中随土体流失后土坡位移的分布，从图中可以看出管道的变化在土体流失部分最为严重，主体由中心向两边扩展，离悬空部分越远，变化越不明显；从图25、26，图4、5、6、7中可以看出，悬空部分上部土体有向下运动趋势，而下部土体有向上运动趋势。可以得出管道的埋设角度和土体的破坏程度大致上呈现正比关系，即随着埋设角度的增大，土体破坏越严重；结合管道塑形状态图以及位移，可以看出管道下部土体在受到破坏致使管道悬空时，其破坏规律为：沿悬空部分向两端移动，管道受力和位移程度越来越小；坡度大小对此也有影响，坡度越大，影响越大。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。