基于时序InSAR技术的中贵天然气管道天水市段沿线滑坡隐患识别与形变分析

中贵天然气管道天水市段沿线地处黄土高原,地貌类型多样、构造活跃、复杂地质条件下发育多种具有隐蔽性和潜伏性的地质灾害,其中滑坡灾害对中贵天然气管道的安全危害极大,因此,对中贵天然气管道天水段沿线滑坡隐患进行有效识别与分析具有重要意义。采用Sentinel-1A升降轨卫星数据,基于时序合成孔径雷达干涉测量(synthetic aperture radar interferometry,InSAR)对中贵天然气天水段沿线滑坡隐患进行了解译识别、现场复核、发育特征与典型滑坡形变分析。研究区共识别17处滑坡隐患点,现场复核最终确定13处,其余4处为人类工程活动区,其中常沟村和磨峪沟村滑坡形变受降雨影响。统计发现研究区管道沿线滑坡多发生在坡度40°~50°,高差400~600 m,东北坡向和距管道100~150 m范围内,且岩土体强度较低,地层以第四系全新统冲洪积层(Q_(4)^(a1+p1))为主。结果表明:联合升降轨的时序InSAR技术可以有效识别管道沿线滑坡隐患,为油气管线的安全运营及今后油气管道选线提供重要的科学依据和参考。

风化残积砂土相对密实度及含水率对抗剪强度的影响

全风化花岗岩回填土的抗剪强度受其含水率与相对密实度的影响。优化回填土含水率与相对密实度来提高土体抗剪强度是实现中缅油气管道龙陵段管道作业边坡坡面侵蚀治理的手段之一。以管沟回填的全风化花岗岩回填土为研究对象,通过室内直剪试验和人工降雨模型试验,研究该类土体抗剪强度参数随着含水率和干密度的变化规律以及其抗冲刷能力。结果显示:1)干密度为1.30 g/cm^(3)的土样的最佳含水率为15%,此时其黏聚力和内摩擦角分别为20.33 kPa和34.59°,当土体含水率增加至25%时,其黏聚力降低至3.63 kPa,内摩擦角减小到32.42°;2)通过击实方式将土体的相对密实度从0.06提高至0.83,土体的黏聚力和内摩擦角分别提高53%和18%,相对密实度为0.50时,对土体抗剪强度参数的改善效果最佳;3)人工模拟降雨实验结果显示,坡面侵蚀模数与土体的抗剪强度有关,尤其与内聚力呈负相关关系。综上,相同含水率条件下,提高土体的相对密实度,能有效改善土体的抗侵蚀能力。

降雨型滑坡监测的多变量选择方法研究

为进一步提高降雨型滑坡监测的准确性,解决传统降雨型滑坡监测中仅依赖雨量监测作为判断滑坡依据可能导致的漏报、误报等问题,提出了一种新的基于雨量相关的多变量选择方法来监测滑坡事件,首先通过定量分析现场各监测物理量与降雨量之间的相关关系对变量进行筛选,然后利用主成分分析方法对筛选结果进行降维,最后利用高斯混合模型进行滑坡监测。结果表明:基于雨量相关的多变量选择方法能够实现降雨型滑坡监测的多变量选择,为滑坡监测模型提供合理的输入变量。研究结果可为降雨型滑坡监测提供参考。

Sentinel-1A影像在山区管道地表形变监测中的适用性评价指标构建

Sentinel-1A卫星数据覆盖范围广、重访周期快、获取成本低,通过合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技术能够高效获取管道沿线大面积地表形变信息。但是山区管道所处地形复杂、起伏大、植被茂盛,监测中易存在叠掩、阴影、失相干等现象,Sentinel-1A卫星数据在管道不同区段的适用性有差异。为了对Sentinel-1A在山区管道地表形变测量中的适用程度进行评价,以三段不同山区地形的管道为研究区,结合Sentinel-1A数据、Sentinel-2数据、ALOS DEM数据进行相关性分析,构建适用性评价指标。结果显示:管道沿线Sentinel-1A影像的叠掩阴影占总面积的比例与坡度的Pearson相关系数为-0.914,Spearman相关系数为-1,呈显著负相关;影像相干性和归一化植被指数的Pearson相关系数为-0.972,Spearman相关系数为-0.99,呈显著负相关。使用回归分析和归一化的方法建立了山区管道沿线Sentinel-1A数据的坡度适用性指标和植被适用性指标,指标可对山区管道沿线域使用Sentinel-1A数据进行形变监测的适用性进行评价。

滑坡作用下埋地油气管道的力学分析方法

针对山区油气管道难免遭遇滑坡威胁,开展滑坡作用下油气管道的力学分析,建立了横向穿越滑坡的管道应力应变分析模型,选取工程案例分析了滑坡作用下管道的变形与应力,采用数值模拟对分析结果进行对比验证。研究结果表明:(1)横向穿越滑坡时,管道在滑坡推力作用下产生弯曲变形,滑坡边界部位的管道甚至会被压扁断裂;(2)管道应力应变分析模型可以考虑滑坡推力和位移,从而推算管道的变形和应力;(3)实例分析显示管道最大应力位于滑坡边界附近,管道最大变形位于滑坡中轴线部位。对比管道数值模拟的变形和应力结果,计算结果与之相差小于10%;(4)建议避免将管道连接焊接部位敷设于滑坡边界附近,以免应力集中而导致管道焊接部位破坏。研究结果可为管道工程敷设及防护设计提供依据。

面向滑坡监测预警的多参数耦合学习模型研究

对滑坡类型的地质灾害进行监测预警,是油气管道沿线地质灾害监测领域中的重要工作。然而传统监测预警大多根据经验设定阈值,缺少对监测数据的分析和提炼,容易造成阈值设定过高或过低的情况。为了解决此类问题,通过对监测数据的分析,基于高斯混合模型(Gaussian Mixture Model,缩写为GMM)构建了一种新的滑坡预警模型。首先,在数据异常值剔除、缺失值补齐的基础上,使用主成分(Principal Component Analysis,缩写为PCA)分析方法提取滑坡各监测数据变量特征,形成新维度的空间特征变量,其次使用GMM并结合变量特征构建了多参数耦合的滑坡预警模型,最后将该模型在滑坡监测真实数据上进行应用,从而实现对预警模型的验证。应用结果表明该模型能够提取滑坡监测数据的复合高级特征,实现对滑坡滑动的预警。

山区涉河临时施工设施山洪泥石流灾害风险评估方法及防治措施

以G4216线屏山新市至金阳段高速公路XJ6标段临时设施碎石加工厂的山洪泥石流灾害风险评估为例,提出了针对涉河临时施工设施的山洪泥石流灾害风险评估方法。对水文资料丰富的流域进行洪峰流量计算时,应采用推理公式法和面积修正法同时计算,相互印证取大值;以山洪泥石流水位淹没临时设施地面高程为标准,根据水位-流量-人口关系数据,确定成灾流量及频率;采用基于降雨与洪水同频率假定的水位、流量反推法确定雨量预警指标。结果表明,该临时设施碎石加工厂现状防洪能力满足要求,防治措施以预警为主,效果良好。

崩塌落石冲击埋地油气管道的动力响应机理研究

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。

云南东川蒋家沟泥石流2003—2014年冲淤演变特征

冲刷和淤积是泥石流对沟床地貌塑造作用的两种方式,具有明显的时空差异性和不确定性,因此冲淤特征一直是泥石流研究的焦点。本文基于2003—2014年云南东川蒋家沟泥石流沟道典型断面的观测数据,分析了各典型断面泥石流冲淤特征,探讨了不同时段泥石流冲淤的时空分布特性,揭示了其主要影响因素的作用效应。研究表明:蒋家沟泥石流在2003—2014年间整体处于淤积的态势,其时空分布特性表现为随时间的推移,淤积区域逐渐由中下游向上游移动,从而表明蒋家沟泥石流在此期间的活动逐渐减弱,开始进入间歇期;同时分析发现,不同断面的冲淤演变特征既有相似性又有差异性,中上游的D1～D15、M3和M61等断面明显属于淤大于冲,而中下游的P4、PL2和PL1等断面则为冲大于淤,在中下游P5和P4断面间存在一个相对稳定的冲淤平衡点,最上游的D1断面平均淤积量达到15. 06 m,而最下游的PL1断面累计冲刷深约2. 74 m;在影响因素作用效应分析中,降雨量、单次泥石流规模、沟床比降以及输沙沟槽的弯曲系数均对冲淤具有明显的作用效应,其中输沙沟槽弯曲系数对冲淤的影响最为明显,其与平均冲淤的相关性系数为0. 8031。

基于小厚度小冲杆试验的管道钢力学性能表征

为解决常规力学性能测试手段无法对高钢级管道局部区域材料的力学性能进行精细表征的问题,对小厚度试样小冲杆试验表征管道钢材料力学性能的经验关联方法进行了研究。对不同钢级管道钢材料分别开展了单轴拉伸试验与标准厚度试样小冲杆试验,通过两者数据关联得到了标准厚度试样小冲杆试验确定高钢级管材屈服强度及抗拉强度的经验公式。在此基础上,以X80钢为例开展了系列非标小厚度试样小冲杆试验,对经验公式进行了厚度效应修正,最终形成了基于小厚度试样小冲杆试验的高钢级管材力学性能表征方法,并进行了适用性验证。研究结果表明:考虑厚度效应的力学性能经验关联公式对于不同批次的X80钢非标小厚度试样小冲杆试验结果适用性良好;关联所得屈服强度及抗拉强度与单轴拉伸试验结果相比最大误差分别为9.87%和5.61%,均满足工程需求。研究结果可为不同高钢级管材力学性能研究提供理论基础与技术支撑。

考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制

浆液在多孔介质中的扩散路径对渗透扩散范围和注浆效果具有非常重要的影响。采用理论分析,以分形特征与宾汉姆流体在多孔介质中的渗流运动方程为基础,揭示了考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制,并利用团队前期开展的渗透注浆试验对其进行了验证。分析了多孔介质孔隙率、宾汉姆水泥浆液水灰比、多孔介质渗透系数、注浆压力、地下水压力等对扩散半径的影响变化规律。同时,基于Comsol Multiphysics平台,采用计算机编程技术二次开发得到了考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制的渗透注浆三维数值模拟程序,并以此开展了宾汉姆水泥浆液在多孔介质中渗透扩散形态效果的数值模拟。研究结果表明:与不考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆球形扩散公式获得的扩散半径理论计算值相比,采用考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制得到的扩散半径理论计算值更接近试验值。该研究成果可为实践注浆工程提供一定的理论支撑。

泥石流频发区典型乔灌植物根系的固土效应

[目的]研究泥石流频发区云南省昆明市东川区蒋家沟两种典型生态修复物种新银合欢(Leucaena leucocephala)和马桑(Coriaria sinnica)的根系固土效应,为当地生物工程的应用及泥石流治理效益的评价提供理论依据和数据支撑。[方法]通过根系挖掘法查明根系分布特征,开展根系拉伸试验分析单根抗拉特征,运用修正后的Wu-Waldron模型(RWM)计算两种植物根系对土壤抗剪强度的增加值。[结果]①新银合欢和马桑的根面积比RAR均随着土壤深度的增加而减小。②新银合欢根系构型为垂直型,马桑根系构型为横走型。③新银合欢根系的抗拉强度与根径之间无明显规律性,马桑根系的抗拉强度与根径之间呈递减的对数函数关系。④新银合欢和马桑根系对土体抗剪强度增加值均随着土壤深度的增加而减少,新银合欢根系固土深度约为1.4 m,马桑根系固土深度约为0.6m。[结论]新银合欢和马桑根系均能显著发挥固土作用。由于根系构型、固土深度、固土方式等原因,二者的固土作用不同,可将二者结合种植,不仅有利于边坡的稳定,也可提高土体的抗冲性。

暴雨条件下灌木对边坡稳定性的影响模拟试验

[目的]研究暴雨条件下不同灌木种植模式对不同坡度边坡的固坡效应,探索灌木固坡发挥效用的临界坡度,为生态工程措施在山地灾害防治中的应用提供科学依据。[方法]通过制作灌木模型开展室内降雨试验,探究4种坡度(20°,35°,50°,60°)条件下4种灌木种植模式(稀植、适中种植、密植、裸坡)对边坡稳定性的影响,并利用考虑灌木自重和根系牵引力影响下的修正公式计算边坡安全系数(F s)。[结果]①20°和35°的灌木边坡发生沟蚀破坏,与种植模式无关;裸坡、50°灌木边坡和60°稀植、密植灌木边坡发生渐进式破坏;60°适中种植灌木边坡发生整体滑移式破坏。②在20°和35°边坡上种植灌木能够在降雨过程中有效增强边坡的稳定性,减少4%~70%坍塌量;在50°和60°边坡上种植灌木不仅会降低边坡的稳定性,还会增加10%~33%的坍塌量。[结论]灌木固坡不能简单归结为有效或者无效,和坡体的坡度密切相关,因此要注意不同坡度上种植方式的选择。

基于损伤力学的全尺寸天然气管道断裂韧性评估方法

在开展X80管道钢三点弯试验基础上,对Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)模型及扩展有限元法(XFEM)损伤参数的确定方法进行研究,并对二者表征管道钢断裂行为的能力进行评估。结果表明:二者均适用于大范围屈服下管道钢的延性裂纹扩展模拟并可得到与试验结果一致的反力曲线;但XFEM模拟所得裂纹扩展长度较试验值偏大,断裂韧性较试验值偏小;GTN模型所得裂纹扩展长度和断裂韧性在整个裂纹扩展历程中均与试验数据具有较高一致性。使用GTN模型同时考虑气体减压,再现了X80全尺寸管道动态裂纹扩展过程及裂纹尖端张开角演化历史,所得结果与管道爆破试验结果吻合较好。通过小尺寸试验标定参数的损伤模型可有效用于全尺寸管道断裂性能的模拟。

山区天然气管道-滑坡体系下花管微型桩与螺纹微型桩支护性能对比试验

山区天然气管道工程难免会遭遇滑坡等地质灾害的影响,这给穿越滑坡区域的沿线管道的安全运营造成严重威胁。文章以中贵天然气管道K558+700滑坡为工程背景,通过室内大型物理模型试验,研究对比花管微型桩与螺纹微型桩两种新型支挡结构在管道滑坡中的支护机理及适用性。试验表明:(1)花管微型桩山侧及河侧峰值土压力沿桩深分布形式基本相似,大体呈“S”曲线形,桩后土体土拱效应明显,且在各级荷载下分布形式大致保持一致,总体来说花管桩侧土压力分布规律为桩中最大,桩顶次之,桩底最小;滑带附近的桩体周围土压力较大,在抗滑桩设计工作中应重点考虑优化。(2)螺纹桩山侧峰值土压力沿桩深分布图大体呈双“S”曲线形,河侧峰值土压力相比山侧分布形式产生了较大差异,桩底的土压力相比山侧有很大幅度减小;随外部荷载的增加桩周土压力增加幅度较大,表明螺纹微型桩在横向承载性能方面有所欠缺。(3)花管桩桩身弯矩沿深度方向呈“M”形分布,桩身离模拟滑面以上5 cm位置处产生最大正弯矩;螺纹桩桩身弯矩分布沿深度方向呈“S”形,桩体正负弯矩位置在模拟滑面附近大致呈旋转对称分布,滑面以上大部分区段为负弯矩,滑面以下为正弯矩;在相同推力荷载工况下,螺纹微型桩变形程度大于花管微型桩。(4)在滑坡作用下花管微型桩可以有效减小传递到管道的坡体应力,在一定程度上预防管道受力破坏;而螺纹桩在较大横向荷载下抗弯性能不足,变形严重,破坏后不能有效承担滑坡推力,传递到桩前管道的应力较大,从而导致管道变形程度更为强烈。在本试验条件下,花管微型桩对管道的保护效益突出,更适用于作为管道—滑坡区域的支挡结构。

中缅油气管道龙陵段管沟回填土冲蚀过程模拟

基于Navier-Stokes方程和牛顿第二定律构建的颗粒离散元流-固耦合数值模拟方法,以滇西龙陵县中缅油气管道穿越的强烈风化花岗岩区的土体为研究对象,构建了冲沟数值模型,研究了边坡回填土的冲蚀过程。模拟结果显示:①当模型中水流速度较大时,土坎被迅速冲毁,冲毁的土体呈现散体状,并且沟底的部分土体颗粒也被流水挟带走;随着水流速度降低,土坎被冲毁的速度降低,冲毁的土体局部黏结在一起,流水对沟底的侵蚀现象不明显。②提高模型中颗粒间的黏结强度,在较低流速的流水冲刷下土坎未出现冲蚀破坏现象;较高流速的流水作用下,被冲走的土坎呈整体块状,沟底未出现侵蚀的现象。③降低坡面流水的动力条件和改善土体本身的强度特征将有助于防止土体流水侵蚀现象的发生。

钢质环氧套筒对环焊缝缺陷修复补强效果研究

为获得钢质环氧套筒对X80管道环焊缝缺陷的修复补强效果,采用ANSYS软件建立了含环焊缝缺陷X80管道及钢质环氧套筒补强管道的非线性有限元模型,并将模拟结果与试验结果对比,验证了模型的准确性和适用性。有限元分析结果表明:仅内压单独作用钢质环氧套筒对环焊缝缺陷X80管道具有明显的补强作用;仅弯矩单独作用时,钢质环氧套筒对环焊缝缺陷X80管道同一截面不同位置具有不同的补强作用;内压和弯矩组合作用时,内压作用使得钢质环氧套筒与管道能够更加紧密地协调工作,套筒对环向和轴向应力的补强作用明显高于弯矩单独作用;钢质环氧套筒对含环焊缝缺陷X80管道在不同外载荷及其组合作用下对不同应力具有不同的补强作用。研究结果可为钢质环氧套筒对内压、弯矩单独和组合作用下含环焊缝缺陷X80管道的修复补强提供参考。

基于管土作用模型的极限滑坡位移预测

滑坡作为典型地质灾害之一,严重威胁埋地管道的安全运行。若能准确预测管道所能承受的极限滑坡位移,则可结合先进的滑坡监测技术对管道失效事故进行有效预判。有鉴于此,首先建立并验证了基于非线性接触的管土作用模型,之后对模型参数及边界条件设置进行了讨论,最后基于形成的模拟方法研究了应力/应变准则下极限滑坡位移预测方法。结果表明:两侧设置无限边界的非线性接触管土作用模型更适用于真实滑坡工况下管道力学响应分析,可实现土体与管道大变形及管土分离的有效模拟,并可用于基于应力及应变准则的极限滑坡位移预测。本文为山区管道的安全设计及滑坡事故的防控提供了有效的技术手段。

山区埋地含腐蚀缺陷管道的力学行为

建立了考虑管土相互作用的含腐蚀缺陷管道模型,在运行内压及土体滑移的共同作用下,采用有限元法模拟计算了不同土体滑移距离和腐蚀缺陷尺寸条件下管道的应力和应变,分析确定了考虑土体滑移的必要性。结果表明:当土体滑移在小于0.5 m时,可以采用应力失效判据评价管道安全状态;当土体滑移距离大于0.5 m时,采用单一失效判据评价管道安全状况较为保守,建议结合应力、应变失效判据判断管道安全水平。

穿越管道滑坡地表位移预警阈值及预警模型研究

为了解决管道穿越滑坡区地表位移预警阈值难以确定的问题,运用弹性地基梁模型和滑坡位移控制方法推导了滑坡区管道位移和应力力学模型,获取了管道能承受的最大位移;通过管道最大位移和地表位移的耦合关系,定量化确定了滑坡地表位移预警阈值计算方法;结合地下水预警阈值与管道应力阈值,构建了管道滑坡多因素耦合预警模型;并将其运用到贵州K0937+050管道滑坡灾害。结果表明:K0937+050滑坡灾害地表位移蓝、黄、红色预警阈值分别为15.00,232.74,508.32 mm,地下水各级阈值为0.63,1.73,2.28 m。现场监测数据显示,地表位移达到29.978 mm,触发蓝色预警,地下水位高度为1.80~2.10 m,达到黄色预警,综合预警级别达到关注级。根据地表位移动态预警、地下水预警与管道应力预警构建的管道滑坡灾害动态耦合预警模型,能在一定程度上为管道滑坡灾害提供合理的预警,保障管道安全运行,提高预警成功率。