随着国民经济发展及工业化水平提高,我国对石油、天然气的需求量逐步增大,而国内油气资源的勘探与开发无法满足需要,2015年石油对外依存度首次超过60%。管道作为石油、天然气最快捷、经济、可靠的运输方式,被称为生命线工程,其结构安全性和可靠性日益突出并受到广泛关注。截至2014年,全球油气管道总里程约达196万公里,中国油气管道总里程已经达10.7万公里。调查发现,地质灾害引起的场地永久变形是造成埋地管道破坏失效的主要原因之一,特别是长输管道沿线的地震断层、山体滑坡、地层沉降、危岩崩塌、地表超载等严重地威胁管道安全运营,极易造成管道失效,引发油气泄漏等重大安全、环境事故。目前,关于地质灾害下油气管道力学行为的研究,多以弹性理论、弹性地基梁模型为基础,较少涉及管道局部屈曲变形问题。管道为薄壁圆柱壳结构,当截面出现大变形时,基于梁模型、索模型等理论解析方法很难用于管道失效模式的研究。而地质灾害引起的管土相互作用较为复杂,管土耦合是研究管道力学必须考虑的因素。随着油气管道业发展及应用领域拓展,面临的地质工况越来越复杂,研究地质灾害下油气管道的力学行为和失效机理尤有必要。本文在分析典型地质灾害下油气管道失效形式及原因基础上,基于弹塑性力学、弹性地基梁及有限元原理,建立6种最为常见地质灾害工况下的管土耦合数值计算模型,对油气管道力学行为及失效机理进行系统研究,开发了地质灾害区埋地管道预警软件,设计了一套管道防护装置,并对其可行性和可靠性进行分析。具体包含以下工作:(1)简要介绍长输油气管道沿线的主要地质灾害特点和危害,提出了研究地质灾害下油气管道力学行为、分析管道失效机理的必要性和可行性,并概要了国内外的研究状况,进而提出了本文主要研究内容和研究思路。(2)建立断层作用下埋地管道数值计算模型,分别对软土地层和硬岩地层中的管道力学行为和屈曲现象进行研究,特别对管道出现局部压溃和起皱的原因进行了深入探讨,分析了地层错动量、管道内压、径厚比等对其屈曲行为的影响,得到了断层作用下管道出现局部屈曲的临界应变、地层极限位错量及管道最大应变的半经验解。(3)针对对管道危害较为严重的横向滑坡,研究了滑坡作用下埋地管道应力应变响应,结果发现位于滑床区的管道拉应变远大于压应变,是造成管道失效的主要原因;讨论了管道参数、滑坡体参数及围土参数对其力学响应的影响,基于CSA设计应变准则,得到了管道处于安全状态时的临界坡体滑移量与各参数之间关系。(4)以球形和立方体落石为例,研究了受落石冲击后的架设油气管道响应问题;建立了埋地管道所受落石冲击力的简化计算模型,并与数值计算进行对比,验证了冲击力计算模型可靠性;对落石冲击作用下软土和硬岩地层中的埋地管道发生失效的原因进行分析,研究发现埋深较浅区的薄壁管道、无压管道更容易发生失效,软土区管道比在硬岩区更加危险;探讨了回填土参数、管道参数和落石参数对管道响应的影响,得到落石冲击下埋地管道凹陷率的半经验解。(5)基于开采沉陷区埋地管道变形基本特征,建立简化管道力学模型,得到管道变形及应变解析解,并建立相应数值计算模型,研究了管道参数、围土参数对管道力学性能的影响;同时,修正了地表沉降区埋地管道的位移计算公式,对地表沉降作用下管道应力、应变进行数值模拟,得到管道最大应变及其所承受地表极限沉降量的预测公式。(6)建立地面超载作用下埋地管道数值计算模型,研究了载荷区面积、载荷大小、管道参数及回填土性质对管道应力、应变的影响规律,以椭圆度作为管道失效判定准则,分别建立了椭圆度为3%和6%时的地面允许最大载荷预测公式。(7)深入分析定向穿越管道在运营中的所承受的载荷、失效现象及原因;基于建立的管土耦合模型,对穿越管道的凹陷和挤毁失效进行数值模拟,探究了穿越管道产生凹陷和挤毁不同阶段呈现的力学性能;揭示了无压和压力管道在外载作用下的变形规律,及围工作用下管道截面经历椭圆形、“新月”形、“葫芦”形及“8”字形变化过程。(8)基于典型地质灾害下埋地管道的最大应变、椭圆度、凹陷度半经验解,开发了地质灾害区埋地管道预警软件,可实现对管道安全状态评价,及管道沿线潜在危险工况判定;针对危险区埋地管道和穿越管道设计了相应的防护装置,并对设置防护装置前后管道的力学行为进行对比研究,证明了该防护结构可靠性较高,可降低管道失效概率。在现场管道失效情况调研基础上,通过对地震断层、滑坡、崩塌、采空沉陷、地表沉降、地面超载6种典型地质灾害下的埋地管道力学行为,及定向穿越管道的两种常见失效形式进行系统的理论研究和数值模拟,开发了一套地质灾害区埋地管道预警软件,并对危险区管道设计了相应防护装置。深入研究了管道失效机理,形成了一套较为系统的地质灾害安全评价方法,并提出了相应的管道防护装置,可为油气管道的安全运营提供可靠保障。