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第 2 9卷 第 6期 N A T U R A L GA S A ND Ol L 天然亏与石油 油气管道通过活动断层抗震设防安全性探讨 亢会 明曹润苍李束为 中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司， 四川 成都 6 1 0 0 1 7 摘 要 国 内外历次大地 震都 曾使通过活动断层的地下油气管道遭 受重大损失 ， 我 国是一个地震 多发 、 震 灾严 重的国家 ， 对油气管道通过活动断层 的安全性非常 重视 。但是 ， G B 5 0 4 7 0 2 0 0 8 油气输送管 道 线路 工程抗 震技术规范 对油气管道 通过活动断层采用 的抗震设计方法 ，尚未考虑不 同错动形 式、 降雨以及冻 土覆 盖等对计算模 型 以及土壤力学参数的影响。 我 国冻土分布面积约 占陆地 总面积 的 9 0％， 在冬季埋地 油气管道上部被冻土 层所 压覆 ， 如果此 时发 生地震 ， 实际工况就 与规范 中假 设 的工况 完全不相 吻合 ； 管周 土壤 的力 学参数在 降雨、 冻结影响 下也将 发生很大 变化 ， 按 规范 中方法 所计算 出的结果将对 油气管道抗震设 防的安全性产生一种误判。 同时， 目前在活动断层中采用 的疏 松砂土 浅埋 的抗震措 施可能并不一定有效。 因此， 建议对现役和在建 的油 气管道通过活动断层 的抗 震设 防安全 性予以重新认识。 关键 词 油气管道 ； 活动断层 ； 冻土 ； 抗 震设 防； 安全 性 文献 标 识码 A 文章 编 号 1 0 0 6 5 5 3 9 2 0 1 1 0 6 0 0 0 1 0 3 0前 言 截止 2 0 1 0年我 国已建成油气管道总长度约 8 ． 0 1 0 k m，到 2 0 1 5年我 国油气管 道总长度预计将达到 1 5 x l 0 4 k m左右。这些管 网横跨西东 ， 纵贯北南 ， 覆盖 全国 ， 连通海外。由于我 国地处环太平洋地震带与喜 马 拉雅一 地 中海地 震 带 之 间 ，据统 计 2 0世 纪 我 国大 陆地区平均每年发生 5级 以上地震 2 O次 ， 6级 以上地 震 4次 7级以上地震每三年发生 2次 ， 因此是世界上 地震多发 、 震灾最严重 的国家之一。根据 国内外大地 震对管道震害统计资料 ． 国内外历次大地震都曾使通 过活动断层 的地下油气管道遭受重大损失l 1 ] ， 因此在 我 国油气管道建设 过程 中应重视活动断层对管道安 全性的影响。 1 中国活动 断层概况 活动断层是指晚第四纪以来有过活动 的断层 ， 现 今仍在活动或近代地质时期曾有过活动 ， 将来还可能 重新 活动 ， 按其形态可分为逆断层 、 正断层和走滑断 层三大类 。对地震资料的研究表明 ， 绝大多数强震的 震 中分布于活动断层带内， 世界上许多破坏性地震所 产生 的地表新 断层 与原来存在的活动断层走向是一 致或完全重合 ， 大多数强震的极震区和等震线 的延长 方 向与当地活动断层走向一致 据统计 ， 截止 1 9 7 6年 ， 除台湾和南海海域外 ， 中 收稿 日期 2 01 1 0 71 0 基 金 项 目 中国石油天然气股份 有限公 司资助项 目 6 9 9 0 0 一 H T X E X 一 0 3 一 2 0 0 8 一 0 1 3 6 作者简介 亢会明 1 9 7 2 - ， 男 ， 陕西凤翔人 ， 高级工程师 ， 博士 ， 中国石油工程建设行业勘察 大师， 主要从事 油气 田及管道岩土工程勘察工作。 01 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 0 2 天 然 号 与 石 油 NA T UR AL GAS AND OI L 2 0 1 1年 1 2月 国大陆 6级 以上地震 4 7 0次， 其 中 4 3 6次地震位于活 动断层上 ， 7 ～ 7 ． 9级有 6 6次 、 8级以上有 1 7次全部位 于活 动 断层 上 ，不 在 活 动断 层 上 的 6级地 震 只 有 7 7 次， 占 1 6％。我国的活动逆断层有雅鲁藏布江 、 班公 湖一怒江 、 祁连 山 、 龙门山 、 南 天山和北天山等 ； 活动 走滑断层有东西昆仑山、 阿尔金 山、 唐古拉 山、 可可托 海一二台、 鲜水河 、 则木河 、 小江 、 红河等 ； 活动正断层 有大青 山 、 北京西 山、 太行 山山前断层和汾渭地堑断 裂系等。 就全 国而言 ， 西部活动 断层规模大 、 活动强 、 数 量多 东部活动断层规模小 、 数量少 ， 强度弱 。中国板 内断层 的性质 ．实际情况更加 复杂 ，常兼有各种性 质 ， 如逆走滑断层 。在一些活动断裂带上 ， 自第 四纪 以来在原有断裂 的一侧 又形成 了一条新 的断层 在 亚板块边界断裂 ， 断 裂性质可以转换 ， 如阿尔金断裂 西段帕米尔断裂为逆滑断层 ，但向东后却转变为走 滑断层 ．在阿尔金断裂与祁连山对接处又转换成逆 断层 ．可可托海一 二台断裂在二台附近 由走滑断层 转 变 为逆 断层 2中国冻土分布的特点 冻 土一般 是 指温度 在 0℃或 0℃以下 ，并 含 有冰 的各种岩土和土壤 ，按土的冻结状态保持 时间的长 短． 冻土一般可分为短时冻土 冻结数小时 、 数 日以至 半月 、 季节性冻土 半月至数月 以及多年冻土 数年 至数 万年 以上 。 我国冻土有着广泛的分布 ， 多年冻土主要分布在东 北大小兴安岭地区、 青藏高原、 喜马拉雅山、 祁连山、 天 山、 阿尔泰 山、 长 白山等地区 ， 面积约 2 1 5 1 0 k l n ； 季 节性冻土主要分布在长江流域以北 、 东北多年冻 土南 界以南和高海拔多年冻土下界以下的广大地 区． 面积 约 5 1 4 x l 0 k m 。 季节性冻土和多年冻土影响的面积超 过 中同陆地总面积的 7 0％， 如果算上短时冻土 ， 冻土 分 布 的面积则要 占到 9 0％左 右 。 因此我国东西 向的管道以及 位于北方 的管道均 大段位于冻土地区。 3 油气管道通过活动断层的抗震设计及措施 3 ． 1 油气管道通过活动断层概况 我 国 目前 已建成 的长输油气管道T程 中多条都 与活动断层相交 ， 其中西气东输管道工程通过活动断 层 8条有 l 3个交叉点 ， 冀宁管道工程通过活动断层 2 条 、 西气东输二线管道工程通过活动断层 l 4条 、 兰成 渝成品油管道工程通过活动断层 2条 、 涩宁兰输气管 道 复线 T程 通过 活动 断层 7条 N ， j种类 型 的活动 断 层 都 曾遇到 。 3 ． 2 油 气管 道通 过活动 断层 抗震 设计 目前 ， 国内外在 抗 震设 计 中常用 的方 法 有基 于 应 力的抗震设计 、 基于应变的抗震设计及基于性能的抗 震设计三种⋯， G B 5 0 4 7 0 2 0 0 8 R 气输送管道线路 ] 程抗震技术规范 中的抗震计算是基于应变的抗震设 计 。 G B 5 0 4 7 0 2 0 0 8 油气输送管道线路工程抗震技 术 规范 规 定抗 震设 计 时应 对通 过 活动 断 层 的管 道进 行抗拉伸和抗压缩校核 。 对位于设计地震动峰值加速 度大于或等于 0 ． 3 0 g 地 区 、 通过人 口稠密地区 、 水源 保护地区的管道及在断层错动作用下管道受压缩 的 情 况 ． 包 括 管道 通过 逆 冲断 层 和管 道 与断 层 交角 大 于 9 0 。 的情 况 应采 用 有 限元 方法 进 行抗 震计 算 ．按 管道 轴 向最大拉伸应变 、 最大压缩应 变与管道容许拉伸应 变 、 容许压缩应变分别进行抗震校核 ； 对在断层位错 量较小且断层位错使管道受拉 的情况 ， 按规范中推荐 的理 论 解 析 法 N e w ma r k H a l l 方法 进 行 抗 震 计 算 ， 按 管道轴 向最大拉伸应变与管道容许拉伸应变进行抗 震 校核 I N e w ma r k H a l l 方法与有限元模拟计算 的基本假 设是 对于埋地管道地震作用是通过周同的约束土壤 来传递 ， 即管一土相互作用 ； 经过断层的管段 ， 在地震 前 是 被 土壤 嵌 固着 的 地 震 时 ， 管 子 在 断 层 处产 牛 较 大位 移 。 3 ． 3油气管道通过活动断层抗震措施 目前 油气 管 道 埋 地 敷 设 通 过 活 动 断 层 的 常用 抗 震措施有 a 选择断层位移和断裂宽度较小的地段通 过 I b 管道与断层错动方向交角宜为 3 0 。 ～ 7 0 。 ； c 水平 走滑断层和正断层在断裂带及其两侧应增大管沟宽 度 ， 采 用疏 松砂 土浅 埋 ； d 设 固定墩 时 ， 固定墩 与 活 动 断层 的距离 应 为同侧管 道滑 动长 度 的 1 ． 5 N 2 ． 0倍 。 兰成 渝 成 品 油管 道 工 程 通 过 活 动 断 层 时 在 穿越 位置加大管道壁厚 ， 采用管道弹性敷设 ， 加宽管沟并 同填沙土等措施 冀宁管道 工程 的管道通过活动断 层 时对断裂带段 的管沟作了技术处理 ，采用 了宽管 沟 ． 管沟 内不同部位分别 回填粗砂 、 细砂及 当地 土等 敷设 方法 西气东输二线管道工程对管道通过活动 断层进行基于应变的设计 ，并同时采用抗大变形管 线钢L 5 8 1 。 在断裂带及其两侧增大管沟宽度 ， 采用疏松砂土 浅埋处理的 目的是为了有利于断层错动时管道 的 自 由位移 ， 以改善管道的受力状态。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷第 6期 OI L AND GAS TRANSP OR TA TI ON AND S T ORAGE 4 油气管道通过活 动断层措施存在 问题 目前油气管道埋 地敷设通过活动断层 的常用抗 震措施 宽管沟 、 松散砂 回填 以及大变形 钢 ． 存在一定 问题 。大变形钢能够增大的变形极为有限 ， 松散砂 回 填的宽管沟在外力如雨水 的作用下非常容易板结 ， 达 不到减少摩擦和侧 向约束的作用 ， 另外还没有考虑我 国大部分管道都通过冻土地区 ， 冻土对管道的约束导 致预留的管道变形空间彻底消除 4 ． 1 松散砂遇水板结对管道安全性影响 在地基处理 中． 有一种对砂土很有效的方法 水坠砂 ， 就是采用水浸的方法使松散砂变得密实从而 提高地基承载力的方法。管沟长期暴露于野外 ， 暴雨 或者水流都可以完成水坠砂这一地基处理方法 ． 管道 周边再也不是松散砂 ， 而是致密的砂土 ， 导致管道的 约束增强 ， 从而致使计算模 型失效 ， 影响管道安全。 4 ． 2冻土对油气管道通过活动断层安全影响 当油气管道埋设于冻土层之下时，由于冻土的冻 结力在地震时管道企图在断层处产生较大位移是非常 困难 的 同时 由于地震 荷载是一种短 时荷载 ， 在地 震 力的作用下很难突破冻土的抗剪强度 ， 这时 N e w m a r k Ha l l 方法与有限元模拟分析 的假设将不再成立 。此 时， 不论是逆断层 、 正断层还是走滑断层 ． 油气管道都 将受到一种纯粹 的“ 刚性剪切” 。由于油气管道这种薄 壳结构承受剪切能力极差 ， 在这种工况下 ， 管道极容 易被剪 断。虽然纯粹 的走滑断层在地震作用下 ， 由于 两盘作相对平行移动 ，对于埋设 于冻土层之下 的管 道 ， 基本上不受冻土层影响 ， 仅受外部水平挤压 。如果 管道周 围的砂土还能提供足够可变形压缩条件 的话 ， 管道还有可能保持原状态而没有失稳 ． 此 时管道基本 上处于安全状态 ． 但是这类纯粹 的走滑断层是非常少 的。 4 ． 3 目前抗 震措 施对 土壤 冻 结的 影响 在 同一 场 地 情 况 下 ， 对 同一 种 土 壤 ， 其 天 然 含 水 量越大 ， 土壤越容易被冻结 ， 冻结程度增大 ； 对于不 同 土壤 。 在 天然含水量相 同的情况下 ， 土壤颗粒越大越 容易被冻结 ， 冻深越大。细砂 、 粉砂与粘性土 ， 冻深影 油与储运 响系数增大 2 0％； 中砂 、 粗砂 、 砾砂与粘性土相比． 冻 深影响系数增大 3 0 目前在活动断层中采用 的疏松砂土浅埋的抗震 措施将加剧土壤的冻结程度。疏松砂土回填将容易造 成地表水的下渗及地下水 的富集 ，使砂土更容 易冻 结 ， 同时冻深将相 比粘性土加深。这几个方面的因素 ， 将加剧地震对活动断层 中敷设的油气管道的破坏。 5 结 论 本文结合 目前 国内油气管道抗震设计方法及抗 震措施 ， 对冻土存在时油气管道通过活动断层的安全 性进行了探讨。指出在冻土存在 的情况下 ， 按照 目前 经过活动断层的抗震设计方法进行计算 ． 实际工况与 规范 中假设的工况完全不相吻合 ， 同时土壤冻结后的 力学参数也将发生很大的变化 ， 按规范中方法所计算 出的结果将对油气管道抗震设 防的安全性产生误判。 目前采用 的疏松砂 土浅埋 的活动断层抗震措施 可能 并不一定有效 。因此 ， 建议对现役和在建的油气管道 抗震计算及抗震设防措施的安全性予以重新认识。 参考文献 [ 1 ] G B 5 0 4 7 0 2 0 0 8 ， 油气输送 管道线路 工程抗震技术规范[ s ] ． [ 2 ] 秦兴述． 西气东输管道抗震计算[ J ] ． 天然气与石油， 2 0 0 2 ， 2 0 2 4 7 ． [ 3 ]李志勇 ， 王福胜 ， 许砚 新． 冀宁管道工程断裂带抗震设计 简 介[ J ] ． 中国勘察设计 ， 2 0 0 6 ， 2 6 1 0 6 9 7 1 ． [ 4 ]苏 欣 ， 陈 静 ， 杨汗青， 等． 涩宁兰输气管道复线抗震设计 探 讨[ J ] ． 天然气与石油 ， 2 0 0 9 ， 2 7 3 1 4 1 9 ． [ 5 ] 胡 涛 ， 曾继磊 ， 牛振 宇， 等． 西气 东输二线甘 肃段地质 灾害 及 防护措施 [ I ] ． 石 油工程建设 ， 2 0 1 0 ， 3 6 1 1 1 2 1 1 5 ． [ 6 ] 郝玉军， 陈晓霞． 地震断裂带管道敷设施工技术[ J ] ． 石油工 程 建设 ， 2 0 0 8 ， 3 4 4 4 2 4 3 ． [ 7 ] 李鹤林 ， 吉玲康 ， 田 伟． 西气东输一、 二线 管道 工程 的几项 重大技术进步【 1 ] ． 天然气工业， 2 0 1 0 ， 3 0 4 1 9 ． [ 8 ]史航 ， 王 丽 ， 栾鲁滨． 兰成渝 管道 的抗 震设计 [ J ] ， 油 气 储 运 ， 2 0 0 9， 2 8 1 O 5 7 - 5 9 ． [ 9 ] G B 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ， 建筑地基基础设计规范[ S ] ． 0 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m