一种面向油气管道沿线崩塌地质灾害的监测与预警方法与流程

1.本发明涉及地质灾害预警技术领域，尤其涉及一种面向油气管道沿线崩塌地质灾害的监测与预警方法。


背景技术：

2.油气管道地质灾害类型包括滑坡、崩塌、水毁等。其中，崩塌对管道的危害主要表现在对管道的牵扯、冲击和压覆破坏。管道铺设于较松散的岩土体内，岩土体边缘被开挖，形成高陡边坡，受大气降水、风化等因素影响，边坡有发生崩塌的危险。若边坡发生崩塌，将使管道裸露并被碎石冲击，产生破裂风险。除此之外，管道铺设在陡崖脚下崩塌隐患区下方，若发生崩塌后，崩塌体坠落冲砸管道，可能造成管道压覆甚至变形，对管道安全造成影响。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种面向油气管道沿线崩塌地质灾害的监测与预警方法，本方法通过对崩塌斜坡建模，利用受力分析的方式，计算出崩塌斜坡的实时状态，从而发出相应的预测与预警信号，为崩塌灾害的防护提供科学依据。
4.本发明采用的技术方案如下：一种面向油气管道沿线崩塌地质灾害的监测与预警方法，包括：
5.步骤1：对崩塌斜坡进行建模分析，确定崩塌斜坡包括发生崩塌的岩体以及未发生崩塌的斜坡面，其中，崩塌的岩体的底部为塑性区；
6.步骤2：获取岩体的自重、岩体在斜坡面上的抗滑力、岩体的滑动力，分析发生崩塌时，塑性区的受到来自岩体的压力情况，对岩体与斜坡面之间的裂缝开合度进行模拟计算；
7.步骤3：结合裂缝开合度，制作预警等级，并根据具体的裂缝开合度数值发出对应预警等级的预警。
8.进一步地，所述步骤1中，对崩塌斜坡进行建模分析具体包括：
9.根据现实情况中发生的崩塌的地质情况，将崩塌斜坡简化为梯形，将崩塌的岩体简化为平行四边形，将塑性区简化为三角形，构建出崩塌斜坡的物理受力模型。
10.进一步地，所述步骤2具体包括：
11.步骤21：获取岩体的自重g，具体公式如下：
[0012][0013]
其中，g表示岩体自重(kn)，s
bcde
表示岩体去除塑性区后其他部分的面积(m2)，γ表示岩体容重(kn/m3)，a表示岩体的水平宽度(m)，h表示崩塌斜坡的高度(m),α表示崩塌岩体的坡度(
°
)；
[0014]
步骤22：获取岩体在斜坡面上的抗滑力r
φ
，具体公式如下：
[0015]rφ
＝λtanφ
·
g cosα
ꢀꢀꢀ
(2)
[0016]
其中，r
φ
表示抗滑力(kn)，φ表示岩体的内摩擦角(
°
)，λ表示接触系数(0.75)，α表示崩塌岩体的坡度(
°
)，g表示岩体自重(kn)；
[0017]
获取岩体的滑动力t，具体公式如下：
[0018]
t＝g sinα
ꢀꢀꢀ
(3)
[0019]
其中，t表示滑动力(kn)，g表示岩体自重(kn)，α表示崩塌岩体的坡度(
°
)；
[0020]
步骤23：根据获得的抗滑力r
φ
和滑动力t，进一步分析塑性区顶面的有效压力，并以应力σ的形式表示，如下：
[0021][0022]
其中，s
be
表示塑性区的顶面的长度(m)，σ1表示应力(mpa)，t表示滑动力(kn)；
[0023]
步骤24：根据塑性条件，确定当岩体崩塌时，应满足应力σ1的临界条件，临界条件如下：
[0024][0025]
其中，σ1表示应力(mpa)，表示塑性区岩体的内摩擦角(
°
)，c表示塑性区岩体的内聚力(mpa)；
[0026]
步骤25：将式(4)和式(5)整合后代入到式(1)中，可以获取斜坡面保持稳定的临界倾角a0与斜坡面高度h的关系，如下：
[0027][0028]
其中h表示崩塌斜坡的高度(m)，c表示塑性区岩体的内聚力(mpa)，表示塑性区岩体的内摩擦角(
°
)，γ表示岩体容重(kn/m3)，φ表示岩体的内摩擦角(
°
)，α0表示斜坡保持稳定的临界倾角(
°
)，a表示岩体的水平宽度(m)，λ表示接触系数(0.75)；
[0029]
步骤26：得到斜坡面与岩体的裂缝开合度l0为：
[0030][0031]
其中，l0表示裂缝开合度(m)，h表示斜坡面高度(m),β表示崩塌岩体的坡度(
°
)，α0表示斜坡保持稳定的临界倾角(
°
)；
[0032]
进一步地，所述步骤3中，并结合裂缝开合度，制作预警等级的步骤包括：
[0033]
依据国土资源部和中国气象局制定的地质灾害气象预警分级，结合裂缝开合度的数值范围，制作预警等级。
[0034]
进一步地，所述预警等级包括蓝色预警、黄色预警、橙色预警和红色预警四个等级。
[0035]
进一步地，蓝色预警、黄色预警、橙色预警和红色预警分别对应有一个裂缝开合度数值范围，当求出的裂缝开合度数值处于某个数值范围内时，根据该数值范围对应的预警等级，发出相应的预警。
[0036]
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
[0037]
在不同地表变化下，本方法可实现对崩塌灾害不同预警等级的预测和预警，可解决崩塌防灾减灾问题。
附图说明
[0038]
图1是本实施例提供的一种面向油气管道沿线崩塌地质灾害的监测与预警方法的流程示意图。
[0039]
图2是本实施例崩塌斜坡的物理受力模型示意图。
[0040]
图3是塑性区受力分析示意图。
[0041]
图4是岩体重心偏出形心时的状态示意图。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0043]
如图1所示，本实施例提供一种面向油气管道沿线崩塌地质灾害的监测与预警方法，该方法包括以下步骤：
[0044]
步骤1：对崩塌斜坡进行建模分析，确定崩塌斜坡包括发生崩塌的岩体以及未发生崩塌的斜坡面，其中，崩塌的岩体的底部为塑性区。
[0045]
具体的，在本实施例中，如图2所示，岩体由平行四边形abcd表示，岩体面ad与斜坡面bc完全平行(α＝β)，认为潜在崩塌岩体abcd的庞大自重使其底部软质岩处于塑性状态，塑性区由底部的三角形abe表示，由此完成崩塌斜坡的建模。
[0046]
步骤2：获取岩体的自重、岩体在斜坡面上的抗滑力、岩体的滑动力，分析发生崩塌时，塑性区的受到来自岩体的压力情况，对岩体与斜坡面之间的裂缝开合度进行模拟计算。
[0047]
具体的，在本实施例中，如图1所示，塑性区上部的岩体bcde为硬质岩，处于弹性状态，其自重g为：
[0048][0049]
其中，g表示岩体自重(kn)，s
bcde
表示岩体去除塑性区后其他部分的面积(m2)，γ表示岩体容重(kn/m3)，a表示岩体的水平宽度(m)，h表示崩塌斜坡的高度(m),α表示崩塌岩体的坡度(
°
)；
[0050]
根据经典力学计算公式bc面上的抗滑力r
φ
是：
[0051]rφ
＝λtanφ
·
g cosα
ꢀꢀꢀ
(2)
[0052]
其中，r
φ
表示抗滑力(kn)，φ表示岩体的内摩擦角(
°
)，λ表示接触系数(0.75)，g表示岩体自重(kn)，α表示崩塌岩体的坡度(
°
)；
[0053]
滑动力t为：
[0054]
t＝g sinα
ꢀꢀꢀ
(3)
[0055]
其中，t表示滑动力(kn)，α表示崩塌岩体的坡度(
°
)，g表示岩体自重(kn)；
[0056]
然后进一步分析计算得到作用在塑性区顶面be上的有效压力为(t-r
φ
),以应力表示为：
[0057][0058]
其中，s
be
表示塑性区的顶面的长度(m)，σ1表示应力(mpa)，t表示滑动力(kn)；
[0059]
则塑性区的受力状态如图3所示：
[0060]
图3中，塑性区的最大主应力σ1、最小主应力σ3分别为：
[0061][0062]
随着地层的运动程度不断增大，导致岩体的倾角不断变大，塑性区顶板自支撑能力不足，必然引起顶板弯曲下沉逐步发展成危险区域，上覆硬质岩沉陷，在结构面bc上产生拉裂缝，λ大幅度减小，从而使r
φ
减小；同时伴随着溶蚀作用、其他岩石坠入和水分充填造成裂隙水压力等其他相关因素，使作用在be上的t增大，故σ1增大。
[0063]
此时，根据塑性条件若塑性区的应力满足屈服条件，则岩体破坏。即：
[0064][0065]
其中，σ1表示应力(mpa)，表示塑性区岩体的内摩擦角(
°
)，c表示塑性区岩体的内聚力(mpa)；
[0066]
将式(4)、(5)、(6)整合，代入式(1)，可以导出斜坡面保持稳定的临界倾角a0与斜坡面高度h的关系：
[0067][0068]
其中h表示崩塌斜坡的高度(m)，c表示塑性区岩体的内聚力(mpa)，表示塑性区岩体的内摩擦角(
°
)，γ表示岩体容重(kn/m3)，φ表示岩体的内摩擦角(
°
)，α0表示斜坡保持稳定的临界倾角(
°
)，a表示岩体的水平宽度(m)，λ表示接触系数(0.75)；
[0069]
当斜坡崩塌失稳后，进入一个以塑性区为转动点的倾倒破坏阶段，岩体与斜坡面分离，裂缝逐渐向竖直方向深处扩展，这时岩体只受重力作用影响，如图3所示，此时的裂缝开合度如下：
[0070][0071]
其中，l0表示裂缝开合度(m)，h表示斜坡面高度(m),β表示崩塌岩体的坡度(
°
)，α0表示斜坡保持稳定的临界倾角(
°
)；
[0072]
根据裂缝开合度可以很好的观察岩体的状态，判断其是否会发生崩塌。
[0073]
步骤3：结合裂缝开合度，制作预警等级，并根据具体的裂缝开合度数值发出对应预警等级的预警。
[0074]
具体的，在本实施例中，通过多组数据拟合分析和实例验证，为保证崩塌灾害预警值的有效性，根据经验曲线法以及力学分析法的经验，配合上大量的经典崩塌数据临界数据分析，依据国土资源部和中国气象局制定的地质灾害气象预警分级，结合裂缝开合度的
数值范围，得到本方法的预警等级，如表1所示。
[0075]
表1 崩塌灾害预警等级划分表
[0076]
预警等级蓝色预警黄色预警橙色预警红色预警裂缝开合度0.5～0.8m0.8～1.1m1.1～1.5m》1.5m
[0077]
根据实际的地理情况，求取现场的岩体与斜坡面之间的裂缝开合度，根据具体的裂缝开合度数值判断当前需要预警的等级，并发出相应的预警信息
[0078]
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

技术特征：
1.一种面向油气管道沿线崩塌地质灾害的监测与预警方法，其特征在于，包括：步骤1：对崩塌斜坡进行建模分析，确定崩塌斜坡包括发生崩塌的岩体以及未发生崩塌的斜坡面，其中，崩塌的岩体的底部为塑性区；步骤2：获取岩体的自重、岩体在斜坡面上的抗滑力以及岩体的滑动力，分析发生崩塌时，塑性区的受到来自岩体的压力情况，对岩体与斜坡面之间的裂缝开合度进行模拟计算；步骤3：结合裂缝开合度，制作预警等级，并根据具体的裂缝开合度数值发出对应预警等级的预警。2.根据权利要求1所述的一种面向油气管道沿线崩塌地质灾害的监测与预警方法，其特征在于，所述步骤1中，对崩塌斜坡进行建模分析具体包括：根据现实情况中发生的崩塌的地质情况，将崩塌斜坡简化为梯形，将崩塌的岩体简化为平行四边形，将塑性区简化为三角形，构建出崩塌斜坡的物理受力模型。3.根据权利要求1所述的一种面向油气管道沿线崩塌地质灾害的监测与预警方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：步骤21：获取岩体的自重g，具体公式如下：其中，g表示岩体自重(kn)，s
bcde
表示岩体去除塑性区后其他部分的面积(m2)，γ表示岩体容重(kn/m3)，a表示岩体的水平宽度(m)，h表示崩塌斜坡的高度(m),α表示崩塌岩体的坡度(
°
)；步骤22：获取岩体在斜坡面上的抗滑力r
φ
，具体公式如下：r
φ
＝λtanφ
·
gcosα
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，r
φ
表示抗滑力(kn)，φ表示岩体的内摩擦角(
°
)，λ表示接触系数(0.75)；获取岩体的滑动力t，具体公式如下：t＝g sinα
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，t表示滑动力(kn)，g表示岩体自重(kn)，α表示崩塌岩体的坡度(
°
)；步骤23：根据获得的抗滑力r
φ
和滑动力t，进一步分析塑性区顶面的有效压力，并以应力σ1的形式表示，如下：其中，σ1表示应力，s
be
表示塑性区的顶面的长度(m)，t表示滑动力(kn)，r
φ
表示抗滑力(kn)；步骤24：根据塑性条件，确定当岩体崩塌时，应满足应力σ1的临界条件，临界条件如下：其中，σ1表示应力(mpa)，表示塑性区岩体的内摩擦角(
°
)，c表示塑性区岩体的内聚力(mpa)；步骤25：将式(4)和式(5)整合后代入到式(1)中，可以获取斜坡面保持稳定的临界倾角a0与斜坡面高度h的关系，如下：
其中h表示崩塌斜坡的高度(m)，c表示塑性区岩体的内聚力(mpa)，表示塑性区岩体的内摩擦角(
°
)，γ表示岩体容重(kn/m3)，φ表示岩体的内摩擦角(
°
)，α0表示斜坡保持稳定的临界倾角(
°
)，a表示岩体的水平宽度(m)，λ表示接触系数(0.75)；步骤26：得到斜坡面与岩体的裂缝开合度l0为：其中，l0表示裂缝开合度(m)，h表示斜坡面高度(m),β表示崩塌岩体的坡度(
°
)，α0表示斜坡保持稳定的临界倾角(
°
)。4.根据权利要求1所述的一种面向油气管道沿线崩塌地质灾害的监测与预警方法，其特征在于，所述步骤3中，并结合裂缝开合度，制作预警等级的步骤包括：依据国土资源部和中国气象局制定的地质灾害气象预警分级，结合裂缝开合度的数值范围，制作预警等级。5.根据权利要求4所述的一种面向油气管道沿线崩塌地质灾害的监测与预警方法，其特征在于，所述预警等级包括蓝色预警、黄色预警、橙色预警和红色预警四个等级。6.根据权利要求5所述的一种面向油气管道沿线崩塌地质灾害的监测与预警方法，其特征在于，蓝色预警、黄色预警、橙色预警和红色预警分别对应有一个裂缝开合度数值范围，当求出的裂缝开合度数值处于某个数值范围内时，根据该数值范围对应的预警等级，发出相应的预警。

技术总结
本发明涉及地质灾害预警技术领域，公开了一种面向油气管道沿线崩塌地质灾害的监测与预警方法。该方法包括：步骤1：对崩塌斜坡进行建模分析，确定崩塌斜坡包括发生崩塌的岩体以及未发生崩塌的斜坡面，其中，崩塌的岩体的底部为塑性区；步骤2：获取岩体的自重、岩体在斜坡面上的抗滑力以及岩体的滑动力，分析发生崩塌时，塑性区的受到来自岩体的压力情况，对岩体与斜坡面之间的裂缝开合度进行模拟计算；步骤3：结合裂缝开合度，制作预警等级，并根据具体的裂缝开合度数值发出对应预警等级的预警。本方法可实现对崩塌灾害不同预警等级的预测和预警，可解决崩塌防灾减灾问题。可解决崩塌防灾减灾问题。可解决崩塌防灾减灾问题。


技术研发人员：王鸿捷 范睿 汤晓勇 胡耀义 刘雅琪 孔祥焕 彭刘丽 马艳琳 程树 李刚 张玉明 安源 冯琦 李佳 杜侠玲 赵华莱
受保护的技术使用者：中国石油工程建设有限公司 中国石油天然气集团有限公司
技术研发日：2021.12.07
技术公布日：2023/6/12