离散元与有限元结合的管道滑坡灾害评判与应急处置方法与流程

本发明涉及土木工程，具体涉及离散元与有限元结合的管道滑坡灾害评判与应急处置方法。

背景技术：

1、由于管道与土体相互作用的复杂性，基于管-土耦合方法进行管道滑坡灾害的险情预判仍然是管道滑坡灾害研究中的难点，但较缺乏深入的研究。相关现有技术如下：

2、现有技术1：cn109409719a公开了一种滑坡作用下长输油气管道易损性评价方法，但是，该发明所提供的方法仅考虑了管道本体及管道与滑坡的空间关系两方面的影响，缺乏基于滑坡运动过程对管道的影响分析。此外，依据该发明所提供的方法进行调查，只能评价管道当前的安全状态，但是没有提供针对不同管道易损性的应急处置措施，不能对未来管道滑坡灾害起进一步监测防治的作用。

3、现有技术2：《基于滑坡区域的不同土质埋地输气管道安全评价》仅用滑坡位移和管道位移对管道的危险性进行评估，缺乏基于滑坡运动过程及管道应力和变形对管道易损性影响的考虑；仅考虑了滑坡土质不同的情况下滑坡对管道的影响，没有考虑不同情况下滑坡的危险性。

4、现有技术3：《输气管道滑坡灾害风险评价方法研究》对滑坡灾害下输气管道的失效后果进行分析时，没有考虑多因素改变情况下，滑坡对管道产生的应力及变形变化的影响，没有考虑管道的易损性。此外，对于管道滑坡灾害的风险等级的划定需要基于多类影响因素的敏感性综合判定，且在进行分级时具有较强的主观性，较难评价其分级的准确性。

5、在管道滑坡的致灾过程研究方面，由于有限元方法在大变形问题分析中的局限性，关于滑坡形成、演化过程，现有研究多集中关注滑坡启动至临滑阶段对管道的影响，忽略了滑坡剐铲、运动、堆积等过程中对管道险情的关注，缺乏基于过程分析的管道地灾险情预判方法。关于管道滑坡管土耦合的力学响应研究多通过力和位移的管道失效判据评估管道的破坏与否，缺乏综合考虑滑坡挠度、转角、应力等因素的管道易损性程度定量评估方法。管道滑坡的监测、防治措施研究要结合滑坡本身的特点和埋地管道的易损性程度有针对性地选择。目前对管道滑坡灾害的防治研究多为依据滑坡规范开展的一般对策性，缺乏针对不同管道易损性的应急处置规程。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供离散元与有限元结合的管道滑坡灾害评判与应急处置方法，以解决上述至少一个技术问题。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：离散元与有限元结合的管道滑坡灾害评判与应急处置方法，包括：

3、s1，对潜在隐患点区域内管道敷设现场的基本情况进行考察，获得现场数据；

4、s2，基于离散元模拟的方法，根据所述现场数据模拟不同工况下管道敷设现场滑坡的运动过程，得到不同工况下的离散元滑坡模拟数据；根据不同工况下的所述离散元滑坡模拟数据，得到不同工况下的滑坡导致的剐铲堆积深度数据和最大动能密度数据；

5、s3，根据所述剐铲堆积深度数据和所述最大动能密度数据定量评价管道敷设现场在不同工况下的滑坡险情，并划分不同危险程度区域；

6、s4，基于有限元建模方法，根据所述现场数据建立管土耦合模型，通过所述管土耦合模型模拟预设危险程度区域滑坡由稳定状态向失稳状态演化的过程，得到有限元滑坡模拟数据；基于管道弯曲变形程度和力学响应程度，根据所述有限元滑坡模拟数据对管道易损性进行定量评价并划分等级；

7、步骤5，根据不同等级的管道易损性采取相应的应急处置措施。

8、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

9、进一步，所述现场数据包括用于表征地层岩性的管周土类别数据和由x、y、z坐标构成的地形数据，所述s2具体为：

10、s21，将所述潜在隐患点区域内管道敷设现场的地形数据导入离散元模型中，得到原始数字高程数据，并根据所述原始数字高程数据生成三维高程图；

11、s22，通过所述离散元模型对所述原始数字高程数据进行切割、复制和移动处理，得到数字高程数据；基于所述三维高程图，根据所述数字高程数据构建几何模型，并对所述几何模型进行切割和重力堆积操作，得到薄壳模型；

12、s23，在预设工况下，对所述薄壳模型重新划分底层，并根据所述管周土类别数据对所述薄壳模型赋予对应的岩土体材料，得到三维边坡模型；设置所述三维边坡模型中的源初始裂隙，并施加重力作用以进行滑坡运动过程的多次循环迭代模拟，得到预设工况下的离散元滑坡模拟数据；

13、s24，将预设工况下的所述离散元滑坡模拟数据中最后一次迭代模拟对应的滑后高程数据与第一次迭代模拟对应的滑前高程数据作差，得到预设工况下的滑坡导致的剐铲堆积深度数据；

14、s25，提取预设工况下的离散元滑坡模拟数据中每一次迭代的动能数据并形成动能密度分布图；通过所述动能密度分布图，得到预设工况下的滑坡导致的最大动能密度数据；

15、s26，通过修改薄壳模型材料的抗拉抗压强度及内擦系数，以改变所述预设工况，并返回执行所述s23，以模拟边坡岩土体经过风化及降雨影响下滑坡的情况，得到多种不同工况下的滑坡导致的剐铲堆积深度数据和最大动能密度数据。

16、进一步，所述最大动能密度数据的计算公式为：

17、

18、其中，jmn为所述最大动能密度数据，m为所述动能密度分布图中的第m行，n为所述动能密度分布图中的第n列，t为迭代次数，为第t次迭代时所述动能密度分布图中第m行第n列网格的动能，amn为所述动能密度分布图中第m行第n列网格的面积。

19、进一步，令所述剐铲堆积深度数据为d，令所述最大动能密度数据为j，则所述s3具体为：

20、若d≥5或j≥6×106，则将管道敷设现场在不同工况下的滑坡险情划分为高危险程度区域；

21、若2.5≤d<5或3×106≤j<6×106，则将管道敷设现场在不同工况下的滑坡险情划分为中危险程度区域；

22、若0<d<2.5且0<j<3×106，则将管道敷设现场在不同工况下的滑坡险情划分为低危险程度区域。

23、进一步，所述现场数据包括管道参数数据，所述预设危险程度区域具体为中危险程度区域和高危险程度区域，所述s4具体为：

24、s41，根据所述管道参数数据，在有限元软件中建立简化的滑坡地形模型及管道模型，将所述滑坡地形模型和所述管道模型进行装配得到所述管土耦合模型；

25、s42，对所述管土耦合模型进行材料参数设置、接触设置和分析设置，通过设置后的所述管土耦合模型对中危险程度区域或高危险程度区域滑坡进行地应力平衡分析，得到边坡在自然重力作用下的地应力数据，按照强度折减法对边坡在自然重力作用下的地应力数据进行逐步折减，以模拟边坡从稳定状态至失稳状态演化的过程，得到有限元滑坡模拟数据；

26、s43，基于管道弯曲变形程度和力学响应程度，从所述有限元滑坡模拟数据中选出多个评价指标对管道易损性进行定量评价并划分等级。

27、进一步，对管道易损性进行定量评价的公式为：

28、

29、其中，k为管道易损性指数，用于表征管道易损性，ki为所述有限元滑坡模拟数据中第i个评价指标，θi为第i个评价指标的权重，n为评价指标的总个数。

30、进一步，所述评价指标的总个数为5个，分别为滑坡区挠度比率k1、滑坡区转角比率k2、支撑区正应力比率k3、支撑区切应力比率k4、支撑区极限位移比率k5；其中，

31、所述滑坡区挠度比率k1的表达式为：

32、所述滑坡区转角比率k2的表达式为：

33、所述支撑区正应力比率k3的表达式为：

34、所述支撑区切应力比率k4的表达式为：

35、所述支撑区极限位移比率k5的表达式为：

36、具体的，|δ|max为模拟中滑坡区域管道挠度的最大值，[δ]为管道失效破坏的挠度容许值；|θ|max为模拟中滑坡区域管道转角的最大值，[θ]为管道失效破坏的转角容许值；σmax为模拟中支撑区域管道正应力的最大值，[σ]为管道失效破坏的允许正应力值；τmax为模拟中支撑区域管道切应力的最大值，[τ]为管道失效破坏的允许切应力值；δmax为模拟中支撑区管道的最大位移值，[δ]为管道失效破坏的允许位移值。

37、进一步，当k1＜0.3时，表征滑坡区管道轻微变形；当0.3≤k1＜0.6表征滑坡区管道较明显变形；当0.6≤k1＜1表征滑坡区管道明显变形；当k1≥1表征滑坡区管道严重变形；

38、当k2＜0.3时，表征滑坡区管道轻微弯曲；当0.3≤k2＜0.6表征滑坡区管道较明显弯曲；当0.6≤k2＜1表征滑坡区管道明显弯曲；当k2≥1表征滑坡区管道严重弯曲；

39、当k3＜0.3时，表征支撑区管道正应力水平较低；当0.3≤k3＜0.6表征支撑区管道正应力水平中等；当0.6≤k3＜1表征支撑区管道正应力水平较高；当k3≥1表征支撑区管道正应力水平极高；

40、当k4＜0.3时，表征支撑区管道切应力水平较低；当0.3≤k4＜0.6表征支撑区管道切应力水平中等；当0.6≤k4＜1表征支撑区管道切应力水平较高；当k4≥1表征支撑区管道切应力水平极高；

41、当k5＜0.3时，表征支撑区发生位移量较小；当0.3≤k5＜0.6表征支撑区发生位移量中等；当0.6≤k5＜1表征支撑区发生位移量较大；当k5≥1表征支撑区发生位移量极大。

42、进一步，对管道易损性进行划分等级具体为：

43、当0<k<0.5，则将管道易损性划分为低易损性；

44、当0.5≤k≤1，则将管道易损性划分为中易损性；

45、当k>1，则将管道易损性划分为高易损性。

46、进一步，对于低易损性管道，定期开展人工排查管道滑坡发展情况，记录滑坡的位移趋势；

47、对于中易损性管道，加密排查频率或在预算充足条件下布设监测预警设备，观察滑坡演化的趋势；

48、对于高易损性管道，安装监测预警成套设备，对雨量、倾角、位移、孔隙水压进行实时监测，并根据具体滑坡设计相应的工程防护措施。

49、本发明的有益效果是：本发明离散元与有限元结合的管道滑坡灾害评判与应急处置方法，采用离散元分析实现因边坡岩土体经过风化及降雨影响造成不同工况下的滑坡运动过程模拟，并采用剐铲堆积深度数据和最大动能密度数据两个指标用于定量评价滑坡的险情，并划分不同危险程度区域；进一步地，对于中、高危险程度区域，进一步开展管土耦合的有限元分析，从管道弯曲变形程度和力学响应程度两方面，评价滑坡对管道的影响；采用易损性指数k作为管道易损性分级依据，将管道易损性分为低、中、高三个等级，并对不同易损性程度的管道采取的响应的应急处置措施，尤其适用于油气管线滑坡灾害险情评判与应急处置措施。