天然气长输管线滑坡监测的新技术探析

天然气长输管线滑坡监测的新技术探析1、江西地质概貌2、传统巡查滑坡方式3、新技术在管道滑坡检测中的运用4、总结1、江西地质概貌江西省地貌以山地、丘陵为主。省境边缘山环绕，峰岭交错；中南部丘陵起伏，红岩遍布；北部为鄱阳湖及其滨湖平原。境内河流、湖泊遍布，雨水充沛加剧了滑坡、泥石流等地质灾害的发生。公司的天然气管线分布地带多有发生地质灾害的潜在危险，由其管线里传输介质的特殊性，对我们检测、预防地质灾害，确保管道安全提出了更高的要求。2.传统巡查滑坡方式传统巡查是通过人工直接观测边坡中地表裂缝、鼓胀、沉降、坍塌、建筑物变形及地下水变化、低温变化等现象。然而这种方式不能够及时了解坡体内部变化情况，在强降雨或地震发生后只有通过加大对管道周边的巡查力度才能才能确保管道的安全。然而地质灾害发生的不可预见性，使我们对怎样实时监测管道周边破体情况，确保管道正常运行提出了思考。3.新技术在管道滑坡检测中的运用3.1TDR技术在长输管道滑坡监测中的研究时间域反射测试技术（TimeDomainReflectometry）简称TDR，是一种电子测量技术，许多年来，一直被用于各种物体形态特征的测量和空间定位。上世纪三十年代，美国的研究人员开始运用时间域反射测试技术检测通讯电缆的通断情况。到九十年代中期，研究人员将时间域反射测试技术开始用于滑坡等地质灾害变形监测的研究，针对岩石和土体滑坡曾经作过许多的试验研究。在国外，TDR技术的应用研究已经引起研究人员的广泛关注和政府部门的极大重视；国内在这方面的研究工作尚属于起步阶段。3.1.1TDR的原理在TDR中，一个脉冲波（快速的阶跃信号）被发射入同轴电缆（如右图），脉冲信号在同轴电缆中传播的过程中，能够反映同轴电缆的阻抗特性。电缆的特性阻抗是电缆固有的属性，它取决于电缆内部的介质以及电缆的直径等因素。当电缆发生扭绞、拉长、中断等变形或者遇到像水之类的外界物质时，它的特性阻抗将发生变化。当测试脉冲遇到电缆的特性阻抗变化时，就会产生反射波。对入射波与反射波进行比较,根据二者的异常情况就可以判别同轴电缆的状态（断路、短路以及变形等）。同轴电缆的状态发生变化的位置确定：如果TDR测试脉冲信号在测试电缆中的传播速度为，发射信号与反射信号的时间间隔为，那么电缆至变形处的距离d可由下式来表示由此可以推断出同轴电缆的状态发生变化的位置。2/dpTVdpVdT变形情况的确定：如果测试脉冲信号为V1，反射信号为V2，那么其反射系数为：=V2/V1根据线性传输理论,可以知道:式中：Rt—变形后电缆的阻抗R0—变形前电缆的阻抗同时可以得出：0t0tRRρRRρ0tρ1ρ1RR因此可以得出结论：①当ρ＝0时，Rt＝R0，表示电缆的特征阻抗与电缆末端等效阻抗相匹配，发射信号得到了很好的传输，没有反射信号产生。②当ρ＝＋1时，Rt→∞，表示电缆末端处于开路状态，发射信号完全被反射③当ρ＝－1时，Rt＝0，表示电缆末端处于短路状态，发射信号完全被吸收。④当－1＜ρ＜＋1（ρ≠0）时，表示电缆发生变形，并且产生反射波信号。这样，通过测量反射系数ρ，即测量反射信号的振幅，就可以判定电缆变形量的大小。对TDR波形的实验研究：（1）当同轴电缆末端开路时，反射系数波形在末端由0跃起至1000mp（1ρ=1000mρ）如下图所示：（2）当同轴电缆末端短路时，反射系数波形在末端由0跌落起至-1000mρ如下图所示：同轴电缆在剪切变形时对TDR波形的影响：实验步骤：（1）同轴电缆剥离待剪切区域的防护层，连接同轴电缆与TDR100测试仪，电脑与测试仪用数据线连接。(2)逐步增加剪切位移，TDR波形在剪切位置处出现一尖峰信号，当内外导体由于剪切作用而接触时，形成短路，最终在剪切位置形成一大幅值的负值信号3.1.2TDR技术监侧滑坡的运用一个完整的TDR滑坡监测系统，一般由TDR同轴电缆、电缆测试仪、数据记录仪、远程通讯设备以及数据分析软件等几部分组成。在使用TDR系统进行滑坡监测时,首先根据需要在滑坡的某个位置钻孔,并将TDR同轴电缆安放在钻孔中,然后,将TDR电缆与电缆测试仪相连。电缆测试仪作为信号源,发出步进的电压脉冲通过电缆进行传输,同时反映从电缆中反射回来的脉冲信号。数据记录仪连接到电缆测试仪之上,记录和存储从电缆中反射回来的脉冲供以后分析。在TDR滑坡监测系统中,同轴电缆是直接与滑坡产生接触的部分,可以将其看作一个传感器。在安放好测试同轴电缆之后,滑坡体一旦产生滑移变形,其位移就会引起同轴电缆产生形变,电缆变形导致电缆阻抗特性的变化。这时,安装在地面上的TDR滑坡监测系统对钻孔内同轴电缆的这种形变进行监测。在监测的过程中,首先向同轴电缆发射测试脉冲信号,同时,对反射信号进行数据自动采集。通过读取电缆反射波形的数据,产生相应的尖峰脉冲反射信号的部位就是电缆变形较大的部位,由此可以监测地层的移动。随着反射波形的强度增加,可以预测某个区域的岩土体将发生破坏,实现对滑坡的动态监测的目标。3.1.3工程实例边坡概况:场区属中低山河谷地貌,地形起伏较大,地势陡峻,植被茂密,以乔木林为主,地表覆盖层厚度大。地质条件十分复杂，包括冲沟、陡坎发育，场区构造发育。右岸边坡坡高103～110m，坡向约120°，地形高差约100m，坡度30°～57°；左岸为缓坡，地表植被稀疏，坡度14°-27°。地层岩性：①残坡为混合土质（粘土和碎石混合），层厚2.5～14.6m；②全风化粉砂质泥岩，层厚1.7～3.2m；③强风化泥质粉砂岩，层厚1.1～5.0m；④中等风化泥质粉砂岩，据调查，该边坡有蠕动现象，蠕动体为①、②层。TDR监测方案：本次监测在主滑剖面上一共布置了2个监测钻孔,钻孔分别位于滑坡的前缘，中后缘,基本上可控制滑剖面在空间上的变形特征,如图下图所示。同轴电缆的具体实施步骤如下:(1)首先对测试电缆底部进行防水处理,先抹上橡皮泥,再用防水胶带密封。(2)在埋设过程中,将测试电缆绑没有弯曲的迎着滑坡方向一面放下，直至钻孔底部(稳定层)。(3)用水泥砂浆灌注，回填钻孔,使测试电缆与周围地层紧密结合。(4)灌注完毕后,将地面所留出的电缆盘在外面,以备监测时与监测系统相连接;测试电缆留出50～80cm的长度,并做好孔口保护装置及测试平台(1.5m×1.5m)。各监测孔深度及观测深度如表1所示：1#孔TDR监测曲线分析：从图中可以看出,TDR监测曲线在孔口下近30m深度的位置出现了相对比较突出的变化点。这说明了随着时间的推移,边坡在发生缓慢的位移，在近30m深处，剪切电缆使其在剪切面附近的阻抗发生变化,在反射曲线上出现了尖峰信号,通过后期计算处理1#孔的滑面就在孔下29m深度处。TDR检测成果分析：2#孔TDR监测曲线：从图中可以看出在13m与20m有比较突出的变化点，说明了在这区间内同轴电缆受到很强的挤压。通过后期计算处理以后能够分辨出孔口下13.5～15.5m为一变化处,18～18.5m和20～21m处有变化稍大段。综合分析，后缘1#孔的变形曲线滑带上下比较“光滑”,滑体中部2#孔的变形曲线滑带呈“锯齿”状。这是由于对滑坡的治理工程施加在滑坡的中前部,滑体后部滑带变形未受到直接的阻止,滑带上部和下部土体按原有的变形趋势继续向下推移,而滑坡中前部的滑带变形受到较大的控制作用,但是滑坡整体仍然具有很大的变形趋势,后部滑体持续向前缘推挤,使得深部滑体向滑带下部或滑带上部挤压,在中前部的坡体深部形成了挤压带,越靠近前缘,深部挤压越强烈。3.2钻孔侧斜仪在滑坡监测中的运用固定式钻孔倾斜仪具有灵敏度高、精度高的特点,并可以实现数据的自动连续采集,是测定滑坡体沿滑带产生的变形方向、变形量、变形速率,判断滑体深部变形状态的行之有效的监测仪器之一。3.2.1组成和基本原理测斜仪系统主要包括四部分:1)测斜管、2)探头、3)控制电缆、4)数字记录器.测斜仪的工作原理是量测仪器轴线与铅垂线之间的夹角变化量,进而计算出岩、土体不同高程处的水平位移。用适当的方法在岩、土体内埋设一垂直,并有4个导槽的测斜管,当测斜管受力发生变形时,测斜仪便能逐段显示变形后测斜管的轴线与垂直线的弧度偏移夹角θi。按测点的分段长度,分别求出不同的高程处的水平位移增量Δdi,即Δdi=∑L·sinθi由测斜管底部测点开始逐段累加,可得任一高程处的实际水平位移,即Δdi为测量段内的水平位移增量;L为测量点的分段长度;θi为测量段内管轴线与铅垂线的夹角;bi为自固定点的管底端以上i点处的位移;n为测孔分段数目。niib1iΔd测斜仪的工作原理如图：3.2.2应用实例向家沟滑坡位于巫山县新城东部、大宁河西岸滑坡整体上为一冲沟地貌,沟底纵坡坡角约200，高程125~150m,相对高差125m,总体积近10x104m3。向家沟滑坡监测布置图:

向家滑坡为深层堆积层滑坡,滑动面多为堆积层和基岩风化层之接触面,部分为堆积体内的软弱夹层。滑坡区位于强降水区,区内大规模工程活动使滑坡微地貌遭受了强烈改造,滑坡体上大量建筑物的兴建使滑坡荷载增大。库水位升高后,地下水活动进一步加强,加之不合理的切坡削坡现象,使得斜坡稳定性降低,在多种不利条件组合影响下,易发生滑动,目前该滑坡基本完成了工程治理。为了监测滑坡蠕滑变形阶段的微小位移,选择高精度的固定式倾斜仪来监测该滑坡的深部滑带变形。1#、2#、3#探头监测数据位移矢量-时间曲线如下图所示。3#探头的单位水平位移量明显大于1#和2#探头的单位水平位移量,说明滑体主要沿滑动带顶面变形。如上表所示的三个探头累积位移量,说明滑带部位的形变量较小,表明固定式钻孔倾斜仪对滑带部位微变形的高灵敏度的捕捉能力。据监测资料分析认为目前滑坡处于缓慢蠕变阶段,滑坡整体上处于相对稳定状态。3.3用全球定位系统（GPS）监测滑坡GPS是一种应用范围广泛的无线电导航、定时及定位系统。通过跟踪GPS卫星连续不断地传送到全球的电磁波，系统可获取天线位置（经度、纬度、高程及三维坐标）。这些年来，GPS已广泛用于大地测量与地质调查中，来校正和完成传统勘测方法。用GPS监测变形的方法是：以坐标、距离或角度为基础，新值与初始坐标之差反映目标的运动。其优点是同样精度下，GPS作用范围大、效率高，可全天候观测，且两测站间不要求通视。4.总结以上3种监测技术在地质灾害监测中有着广阔的运用前景，在天然气长输管线的滑坡监测中也同样有着不可估量的运用潜质。可为时时监测管道周边地质情况，滑坡治理，管道抢险提供了良好的技术保障。随着技术的发展，设备成本的降低，天然气人确保管线安全的职责将更加得心应手。谢谢！