摘　要：對穿越地震斷裂帶的油氣管道實施安全監(jiān)測有助于保證管道的安全運行，最大限度地避免重大災(zāi)難性事故的發(fā)生。為此，從地震斷裂帶對穿越其中油氣管道的安全影響入手，簡要分析了地震斷裂帶的管道受力特點和國內(nèi)外管道地震監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展動態(tài)，建立了穿越地震斷裂帶的管道安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)兼顧災(zāi)害的主、客體，分別對致災(zāi)體和承災(zāi)體實施監(jiān)測，監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)由監(jiān)測傳感、數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)管理與處理和預(yù)警信息發(fā)布4個子系統(tǒng)構(gòu)成，采用先進(jìn)的傳感元件，通過北斗衛(wèi)星和GPRS雙信道的通信模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，再由計算和分析軟件完成數(shù)據(jù)處理和分析，自動評價局部管道的安全狀態(tài)，并在異常時發(fā)布預(yù)警。同時還詳細(xì)介紹了各子系統(tǒng)的功能特點以及該系統(tǒng)在國內(nèi)輸氣干線某主要地震斷裂帶上的監(jiān)測預(yù)警效果?，F(xiàn)場應(yīng)用效果表明，管道安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)獲取的大量管道工作狀態(tài)參數(shù)能夠為穿越地震斷裂帶的管道安全保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：油氣管道?地震斷裂帶?管道事故?管道受力特點?監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)?自動化監(jiān)測?遠(yuǎn)程無線傳輸?預(yù)警閾值

Abstract：The implementation of safety monitoring on oil and gas pipelines crossing seismic fault belts contributes a lot to pipeline protection against lnsecurlty and any potential catastrophic incidents．Starting with the safety influcnce analysis of seismic fault belts on oil and gas pipelines，this paper analyzes the characteristics of the force acted on pipelines and development of domestic and overseas earthquake monitoring technologies,and presents a safety monitoring and early warning system for pipelines crossing seismic fault belts.This system gives consideration to both the subject and object of geologieal disasters，and monitors disaster causing and disaster-beanng bodles.Its subsystems include surVeillance sensors，data acquisition and transmission，data management and processing,and early wa rnlng information release.Data acquired by advanced sensing elements is transmittedby Beidou Satcllites or GPRS，then processed and analyzed with calculation and analysis software，thus，the safety status of local pi pelines can be evaluated automatically and tlnally early warnings will be issued when necessary．Furthermore，a detailed introduction is made to the structure of this system,function and characteristics of its subsystems，and the effect of this system applied in a domestic gas trunk-line crossing the major seismic fault belt．On-site application shows that this system obtains a large number of Operating parameters providing the scientific basis for safe operation of oil and gas pipelines．

Keywords：oil and gas pipelines，seismic fauIt belts，pipelines aecidents，characteristics of the force acted on pipelines，monitoring and warning system，automatic monitoring，remote wireless transmission，early warning threshold

我國輸油氣管道敷設(shè)距離長，途經(jīng)地貌單元多樣，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，沿線崩塌、滑坡、泥石流、地震斷裂、采空塌陷、濕陷性黃土等地質(zhì)災(zāi)害對管道安全運行構(gòu)成了極大威脅^[1-2]。其中地震斷裂帶因其難以預(yù)見性、破壞性強，往往對管道危害嚴(yán)重。以西氣東輸一線、西氣東輸二線西段管道為例，管道累計長度達(dá)4248.47km，途經(jīng)新疆、甘肅，跨越天山地槽系一級構(gòu)造單元和祁連地槽系一級構(gòu)造單元，區(qū)域構(gòu)造活動強烈，地震斷裂帶發(fā)育，是強震發(fā)生的主要場所^[3]。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查該區(qū)域已查明的管道沿線地震斷裂帶有28條之多，其中不乏全新世活動斷裂以及地震峰值加速度大于或等于0.2g(g為重力加速度，下同)的地震斷裂帶。

地震作為地殼內(nèi)部構(gòu)造運動引起的地質(zhì)災(zāi)害是造成管道重大事故的主要因素之一，對長輸油氣管道產(chǎn)生的危害包括直接危害和次生危害，可能造成管道斷裂、屈曲失穩(wěn)及拉斷等損壞，嚴(yán)重威脅管道安全運行^[4-9]。長期以來穿越地震斷裂帶的長輸油氣管道安全備受關(guān)注，有關(guān)學(xué)者已就穿越地震斷裂帶的管道受力特點進(jìn)行了深入研究，一些國家已建成了穿越地震斷裂帶的管道地震監(jiān)測系統(tǒng)。國內(nèi)眾多學(xué)者已從管土相互作用、力學(xué)模型建立等方面開展了地震斷裂帶對埋地管道的影響研究，但針對穿越地震斷裂帶的埋地管道開展動態(tài)、長期的力學(xué)監(jiān)測尚不多見。因此，重點針對穿越地震斷裂帶的管道安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)開展研究，目的在于為國內(nèi)戰(zhàn)略油氣管道的安全保護(hù)提供一種新的技術(shù)手段。

概括起來，地震塒長輸油氣管道產(chǎn)生的危害包括直接危害和次生危害^[10]。

1)直接危害。地震引發(fā)的地表錯動、破裂和地震波使管道承受強烈的壓縮或拉伸作用，極有可能錯斷、拉斷管道或使管道出現(xiàn)褶皺屈曲；地震誘發(fā)的砂土液化還可引起管道基土沉陷，造成管道懸空、不均勻沉降，進(jìn)一步使管體軸向拉力增大，威脅管道安全。

2)次生危害。地震可使場地失效，引起塌方、巖體崩塌、巖體開裂、深層土體滑坡等，引發(fā)油氣管線爆裂、動力供應(yīng)中斷等。

地表破裂及錯動的影響范圍雖不如地震波影響的范圍廣，但卻能在小范圍內(nèi)產(chǎn)牛較大的巖土體相對位移。因此，上述危害中以地表斷裂對埋地管道的影響最大，其次是地基液化，最后是地震波。

雖然在管道設(shè)計和施工階段，已經(jīng)充分考慮了地震斷裂帶對管道可能產(chǎn)生的影響和危害，并采取了相應(yīng)措施，如避讓、淺埋、架空、合適角度穿越、寬溝、松散砂土換填等，盡可能降低了風(fēng)險和危害，但地震對管道的影響無法完全規(guī)避。據(jù)文獻(xiàn)資料記載，歷史上曾經(jīng)發(fā)生過許多地震斷裂帶損壞管道的事件，表1列出了白1971年美國圣費爾南多谷發(fā)生地震至今地震災(zāi)害造成的主要管道事故^[10]。

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地震災(zāi)害造成的管道事故嚴(yán)重，國內(nèi)外多年的長輸油氣管道運行經(jīng)驗表明，對地面移動條件下的管道應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)了解不足，未能及時掌握管道的變形信息，是造成不良后果和經(jīng)濟(jì)損失的直接原因。

針對埋地管道在斷層作用下的破壞機理，有關(guān)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了深入研究，指出穿越地震斷裂帶的管土相互作用十分復(fù)雜^[11-16]。在地震作用下，下伏基巖破裂使得地表土在其薄弱處破裂并產(chǎn)生相對位移，埋設(shè)于表層土中的管道受到沿管道縱向和橫向的土反力作用，隨土體一同變形，出現(xiàn)縱向和橫向應(yīng)變，并持續(xù)增大。當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定程度時，管體出現(xiàn)應(yīng)力集中，管體拉伸、彎曲，防護(hù)體損傷；當(dāng)應(yīng)變快速臨近甚至超過許用值時，管道將出現(xiàn)局部拉裂或屈曲破裂。

若兩盤發(fā)生相對運動，斷裂帶內(nèi)管土作用強烈、復(fù)雜，管道多出現(xiàn)大變形。而遠(yuǎn)離地震斷裂帶的管道受到管土作用力趨向簡單，出現(xiàn)以軸向變形為主的管土小變形段(圖1)。以正斷層為例，斷層上盤下移使得斷裂帶內(nèi)的管道因受土反力縱向作用主要承受軸向拉應(yīng)力；在逆斷層中，斷層上盤推覆于下盤之上，使得斷裂帶內(nèi)的管道主要承受軸向壓應(yīng)力；平移斷層兩盤水平移動時，管道承受拉力和剪切力雙重作用，產(chǎn)生較大的拉伸和彎曲變形(圖2)。

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鑒于地震斷裂帶可能對管道產(chǎn)生嚴(yán)重影響，國內(nèi)外對穿越地震斷裂帶的油氣管道已開展動態(tài)監(jiān)測和預(yù)警。俄羅斯薩哈林2號管道、美國阿拉斯加管道、東京煤氣公司等已建成了油氣管道地震監(jiān)測系統(tǒng)^[17-18]。以美國阿拉斯加管道為例，自1977年建成投產(chǎn)起，阿拉斯加管道就建設(shè)了一套地震監(jiān)測系統(tǒng)(Earthquake Monitoring Systern，EMS)，至今已更新至第3代。這套地震監(jiān)測系統(tǒng)由分布在管道沿線不同烈度區(qū)的11座數(shù)字式大地強烈運動加速度記錄儀組成，用以監(jiān)測地震的強烈程度，判斷是否需要關(guān)閉管道，并在震后根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析管道沿線的震害程度及主要受損管段^[10，19]。

我國于1997年在冀寧聯(lián)絡(luò)線上建成了第一套針對管道的地震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)字強震儀和高精度GPS子系統(tǒng)構(gòu)成，用于觀測地震活動的強烈程度及斷層兩盤的位移變化情況，并根據(jù)地震加速度和斷層位移兩項參數(shù)進(jìn)行預(yù)警^[10，20]。

目前已有的監(jiān)測系統(tǒng)多用于監(jiān)測地震動的強烈程度，通過比較測量值與設(shè)計值定性地判斷管道的安全狀態(tài)，決策是否采用停輸方式保證管道安全。冀寧聯(lián)絡(luò)線上的地震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)增加了斷裂帶兩盤位移監(jiān)測，有助于掌握發(fā)震斷層兩盤的位移變化量，有利于分析管道受力情況。然而，這些監(jiān)測更多關(guān)注了對管道產(chǎn)生影響的地震斷裂帶，卻未能直觀反映受地震影響的管道本體情況。

依照管道地質(zhì)災(zāi)害學(xué)的理論，將導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生的地震斷裂視為致災(zāi)體，將遭受致災(zāi)體破壞的長輸油氣管道視為承載體。穿越地震斷裂帶的管道安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)集監(jiān)測、分析、預(yù)警于一體，同時關(guān)注致災(zāi)體和承災(zāi)體，擬采用高效能、經(jīng)濟(jì)合理的監(jiān)測技術(shù)手段，對承災(zāi)體(管道本體)開展力學(xué)變形監(jiān)測，對致災(zāi)體(地震斷裂帶)開展位移及地震動參數(shù)(地震加速度和地震速度)監(jiān)測。通過監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)因斷裂帶蠕變導(dǎo)致的管道累積性變形，適時發(fā)布預(yù)警，以便管理者實時掌握埋地管道的應(yīng)變(或應(yīng)力)狀態(tài)和地震斷裂帶的運動特征，出現(xiàn)異常時及時采取有效措施，最大可能降低震害造成的損失。同時也為分析地震作用下管道變形或破壞的情況及地震災(zāi)害對管線強度和穩(wěn)定性的影響提供依據(jù)，為搶險應(yīng)急處理和今后管道的抗震設(shè)計提供有效的技術(shù)支撐。

監(jiān)測系統(tǒng)以地震斷裂帶內(nèi)的管道力學(xué)監(jiān)測為重點，同時輔以地震斷裂帶兩盤位移和地震動強度監(jiān)測，實現(xiàn)對致災(zāi)體和承災(zāi)體的雙重監(jiān)控。當(dāng)管道應(yīng)變(或應(yīng)力)變化異常時，可按其狀態(tài)發(fā)出相應(yīng)級別的預(yù)警，最大限度降低震害造成的損失。

管道安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)由監(jiān)測傳感、數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)管理與處理和預(yù)警信息發(fā)布4個子系統(tǒng)構(gòu)成(圖3)。

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監(jiān)測傳感子系統(tǒng)用于監(jiān)測災(zāi)情數(shù)據(jù)源，是管道風(fēng)險評價的基礎(chǔ)信息保障，因此監(jiān)測的內(nèi)容應(yīng)包含管體應(yīng)變、管體位移、斷層兩盤位移和地震動參數(shù)等內(nèi)容(圖4)。

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管道位移監(jiān)測：該項監(jiān)測是一種非實時的手動監(jiān)測。監(jiān)測初期暴露部分管段，用RTK測量關(guān)鍵部位(斷裂帶內(nèi)，斷層上盤、下盤，管道轉(zhuǎn)彎處等)的管頂坐標(biāo)，作為初始量。后期重新暴露關(guān)鍵部位復(fù)測指定點的管頂坐標(biāo)，通過比較前后數(shù)據(jù)可以得出管道的位移變化情況，進(jìn)而反映出管道的變形情況，為后期進(jìn)行管道有限元力學(xué)分析提供重要參數(shù)。

管道應(yīng)變監(jiān)測：選取地震斷裂帶內(nèi)管段和斷裂帶兩盤部分管段進(jìn)行管體應(yīng)變監(jiān)測，以反映管道監(jiān)測截面上的應(yīng)變狀態(tài)，特別是管道軸向應(yīng)變的變化。通過監(jiān)測可準(zhǔn)確掌握管道在斷裂帶活動后的真實應(yīng)變水平。

兩盤位移監(jiān)測：使用高精度GPS監(jiān)測設(shè)備，一方面可以觀測斷層的活動情況，掌握兩盤的活動速率和相對位移情況，另一方面可與管體應(yīng)變監(jiān)測結(jié)合，分析兩盤位移對管道產(chǎn)生的影響。

地震動參數(shù)監(jiān)測：包括地震加速度和地震速度監(jiān)測，多以地震加速度測量為主。地震加速度是指地震時地面運動的加速度，主要通過場地上安裝的加速度計來獲取，可作為確定當(dāng)?shù)亓叶鹊囊罁?jù)，目前常使用微型地震記錄儀來測量。地震加速度值有助于分析地震烈度對管道的影響程度，便于直接校核抗震設(shè)計參數(shù)。

在該系統(tǒng)中，傳感器及數(shù)據(jù)線均做了有效防護(hù)，特別對地下傳感器使用了多重防護(hù)手段，最大限度地防止監(jiān)測設(shè)備在地震發(fā)生時發(fā)生損毀，保證監(jiān)測設(shè)備的可靠性、有效性。

監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集和有效傳輸是管道安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵。不同傳感器其監(jiān)測原理及測量參數(shù)各異，在多種傳感器共存的監(jiān)測系統(tǒng)中，需要有效識別并采集不同信號類型的數(shù)據(jù)采集器。本系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮能浖こ趟枷雽h(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行設(shè)計與開發(fā)，完全實現(xiàn)無人值守及遠(yuǎn)程控制，有效解決了多傳感器數(shù)據(jù)有效采集和實時陳控等功能。

數(shù)據(jù)傳輸依賴于現(xiàn)有的通信技術(shù)，如GPRS(CDMA)、GSM短信、Internet、衛(wèi)星通信等技術(shù)?？紤]到地質(zhì)災(zāi)害點多處于偏遠(yuǎn)地帶，多采用通信相對簡單、傳輸速率滿足需求且費用低廉的GPRS無線傳輸模式。然而這種無線傳輸技術(shù)存在2大缺陷：①信號網(wǎng)絡(luò)不能全面覆蓋，若遇盲區(qū)，則無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；②該技術(shù)太過依賴通信基站，一旦通信繁忙或者基站遭到破壞，特別是在通信基礎(chǔ)設(shè)施遭到地質(zhì)災(zāi)害(如地震、洪水、冰災(zāi)等)破壞后，數(shù)據(jù)傳輸將嚴(yán)重受阻，整個預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)因此無法正常運轉(zhuǎn)^[21-22]。

為此，該系統(tǒng)采用基于北斗衛(wèi)星和GPRS雙信道的通訊模式?！氨倍沸l(wèi)星系統(tǒng)”是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星系統(tǒng)，覆蓋我國領(lǐng)土及周邊地區(qū)，具備定位、通信功能，具有安全、可靠、穩(wěn)定、保密性強等特點。雖然北斗衛(wèi)星系統(tǒng)通信容量小且有頻度限制，但足以滿足監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的需求。一般情況下，在有移動通信信號覆蓋時采用GPRS傳輸模式，若遇信號盲區(qū)或通信設(shè)施受損破壞時可采用北斗衛(wèi)星實現(xiàn)通信。這樣既降低了單純使用衛(wèi)星通信的昂貴費用，又解決了通信設(shè)施在地震中損毀監(jiān)測數(shù)據(jù)無法傳輸?shù)碾y題。