洪水中漂浮管道的应力分析

　　长输管道穿越河流、湖泊等水文活动地域时，如果河床变化较为剧烈或遇大型洪水，水流冲刷可能造成管道裸露和漂浮，尤其是对于采用传统开挖方式穿越河流的输气管道，洪水导致管道漂浮和破坏的事故时有发生[1―3]。漂浮管道在水流冲击作用下会发生弯曲变形和振动疲劳损伤，大型洪水还可能直接导致管道断裂。管道破坏不仅造成重大经济损失，一旦油气泄漏污染水体，还会对自然环境和社会生活带来恶劣影响。因此，洪水成为河流、湖泊等穿跨越管道的重要安全隐患。洪水对管道作用效应复杂，有学者采用数值方法分析洪水冲击管道的流场分布和不同裸露程度管道的力学反应[4]，有学者采用有限元分析洪水和河床活动对管道的影响[5]，工程中则通过水文方法计算洪水冲刷深度和范围来设计管道穿越深度。管道被冲出并浮于水中非常危险，本文分析洪水漂浮管道的受力特点，建立静力学分析模型，提出管道变形与应力的解析计算方法，开发计算程序，为洪水漂浮管道的安全评定提供理论依据和辅助工具。

　　1 洪水管道力学分析模型

　　1.1 洪水中管道载荷

　　如图1 所示，假设水流均匀，流速V 固定，洪水中的漂浮管道受到水流横向拖曳力DF 、惯性力IF 和升力LF 3 种动水作用力、浮力fF以及管道自身和内部介质重力W 作用(如图1)。

　　根据Morison 方程，单位长度管道动水作用力：

式中：wρ为水流密度; D为管道外径;ev 为平均水流速度;DC 为动水阻力系数(表 1[6]);MC 为动水惯性系数;dv /dt 为管道上水平水粒子加速度。

式中：pρ为管材密度;t 为壁厚;iρ为管内介质密度;g为重力加速度。

　　洪水密度wρ计算如下[7]

式中，oρ为单位体积洪水和沙的总密度;sρ为单位洪水中的沙密度;vS 为体积比含沙量。

　　1.2 力学分析模型

　　工程中管道通常垂直穿越河床，管道冲出后，按作用方向将管道所受载荷分为两类：一是水平(沿流速方向)水流拖曳力;二是竖直方向的浮力、升力和重力。管道因承受两个方向上的作用力而呈现水平和竖向组合弯曲变形。两侧堤岸内埋管为抵抗弯曲变形，受到相反方向的土体抗力及沿管道轴向的土体摩擦力作用。因此，洪水作用下的管道表现为复杂的空间受力形式。为便于求解，分别在竖直面和沿流速方向的水平面内对管道进行分析。建立如图2 所示水平面(xz 平面)内管道力学分析模型。水中管段BD 受动水作用力wzq 作用;AB段、 AA′段位于堤岸内，受土体抗力和管土间轴向摩擦力 f 作用。管土间横向相互作用具有非线性特点，即当管土相对位移达某一值后，土弹簧屈服，管土横向相互作用力恒定。对于屈服段 AB，管段受均布土体极限抗力uzq 作用，AA′ 段管土间横向作用力zq ( x)  为线弹性，可视为弹性地基上的梁。