CN115435743A - 一种管道形变监测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及地下空间工程领域，公开了一种管道形变监测方法及装置，其方法包括基于预设的由管道侧向移动引发的土拱区域内的土体平衡单元，建立土体平衡单元的高度和土体平衡单元所受垂直应力的关系式，得到第一模型；基于所述第一模型，引入边界条件，建立土拱高度和常数的关系式，得到第二模型；基于所述第二模型，引入土体压缩量，预测土拱高度；基于所述土拱高度，判断管道的形变情况。本申请可以达到提高埋地管道形变监测的准确性，降低试验的时间、人力和物力成本的效果。

Description

一种管道形变监测方法及装置
技术领域
本申请涉及地下空间工程领域，尤其是涉及一种管道形变监测方法及装置。
背景技术
国内外研究表明，土拱效应对于埋地柔性管道的受力变形有显著的影响。其中，测量土拱高度对于认识管道移动引起侧向土体破坏具有重要作用，通过土拱高度能够对管道的侧向拉力进行计算，以监测管道的形变情况，有利于及时采取措施补救。
目前，管道侧向拉动引起土拱高度只能通过实验观察得到，且往往需要真实试验，耗费大量时间、人力和物力。再者，试验对应的试验条件往往比较单一，难以准确获得不同场景下的土拱高度，影响了管道形变监测结果的准确性。
发明内容
为了提高管道形变监测结果的准确性，降低试验的时间、人力和物力成本，本申请提供了一种管道形变监测方法及装置。
第一方面，本申请提供一种管道形变监测方法。
本申请是通过以下技术方案得以实现的：
一种管道形变监测方法，包括以下步骤，
基于预设的由管道侧向移动引发的土拱区域内的土体平衡单元，建立土体平衡单元的高度和土体平衡单元所受垂直应力的关系式，得到第一模型；
基于所述第一模型，引入边界条件，建立土拱高度和常数的关系式，得到第二模型；
基于所述第二模型，引入土体压缩量，预测土拱高度；
基于所述土拱高度，判断管道的形变情况。
本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述基于预设的由管道侧向移动引发的土拱区域内的土体平衡单元，建立土体平衡单元的高度和土体平衡单元所受垂直应力的关系式的步骤包括，
预设所述土体平衡单元的高度和厚度；
根据所述土体平衡单元的高度、厚度和力的竖向平衡关系，得到土体平衡单元的高度和土体平衡单元所受垂直应力的关系式。
本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述基于所述第一模型，引入边界条件，建立土拱高度和常数的关系式的步骤包括，
简化所述第一模型，得到微分方程；
求解所述微分方程，得到常数的关系式；
基于土拱高度低于管道的净埋深或土拱高度高于管道的净埋深的情形，建立边界条件；
将所述边界条件代入所述常数的关系式中，得到土拱高度和常数的关系式。
本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述基于所述第二模型，引入土体压缩量，预测土拱高度的步骤包括，
建立所述土体压缩量的方程式；
基于所述边界条件求解所述土体压缩量的方程式，得到土拱高度。
本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一模型的方程式为，
Figure BDA0003812625710000021
式中，dW为土体平衡单元的自重应力；σv为作用于土体平衡单元竖直方向上的垂直应力；τ1为作用于土体平衡单元正对楔形面的侧面的摩擦应力；τ2为作用于土体平衡单元楔形面的摩擦应力；σ2为作用于土体平衡单元楔形面的垂直应力；z为土体平衡单元的高度；dz为土体平衡单元的厚度；
Figure BDA0003812625710000027
为破坏楔形土体的破坏倾斜角。
本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第二模型的方程式为，
Figure BDA0003812625710000022
式中，He为土拱高度；H为管道的净埋深；C为常数；γ’为由管道侧向移动引发的土拱区域内的土体重度。
本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述土拱高度的表达式为，
Figure BDA0003812625710000023
Figure BDA0003812625710000024
Figure BDA0003812625710000025
Figure BDA0003812625710000026
式中，He为土拱高度；H为管道的净埋深；Δs为土体额外的压缩量；Es为土体压缩模量；γ’为由管道侧向移动引发的土拱区域内的土体重度。
第二方面，本申请提供一种管道形变监测装置。
本申请是通过以下技术方案得以实现的：
一种管道形变监测装置，包括，
第一模型模块，用于基于预设的由管道侧向移动引发的土拱区域内的土体平衡单元，建立土体平衡单元的高度和土体平衡单元所受垂直应力的关系式，得到第一模型；
第二模型模块，用于基于所述第一模型，引入边界条件，建立土拱高度和常数的关系式，得到第二模型；
土拱高度预测模块，用于基于所述第二模型，引入土体压缩量，预测土拱高度；
形变监测模块，用于基于所述土拱高度，判断管道的形变情况。
第三方面，本申请提供一种计算机设备。
本申请是通过以下技术方案得以实现的：
一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意一种管道形变监测方法的步骤。
第四方面，本申请提供一种计算机可读存储介质。
本申请是通过以下技术方案得以实现的：
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意一种管道形变监测方法的步骤。
综上所述，与现有技术相比，本申请提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
基于预设的由管道侧向移动引发的土拱区域内的土体平衡单元，建立土体平衡单元的高度和土体平衡单元所受垂直应力的关系式，得到第一模型；基于所述第一模型，引入边界条件，建立土拱高度和常数的关系式，得到第二模型；基于所述第二模型，引入土体压缩量，预测土拱高度，以通过计算确定管道侧向拉动引起的土拱高度，无需真实试验，节省了时间、人力和物力，能够测量不同条件下的土拱高度，有利于准确获得不同场景下的土拱高度；基于所述土拱高度，判断管道的形变情况，提高了管道形变监测结果的准确性。
附图说明
图1为本申请一个示例性实施例提供的一种管道形变监测方法的主要流程图。
图2为本申请又一个示例性实施例提供的一种管道形变监测方法的管道侧向拉动引起土拱侧视图。
图3为本申请另一个示例性实施例提供的一种管道形变监测方法的土体平衡单元示意图。
图4为本申请一个示例性实施例提供的一种管道形变监测方法的管道移动示意图。
图5为本申请一个示例性实施例提供的一种管道形变监测方法的管道移动导致周围土体压缩的计算示意图。
具体实施方式
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B 这三种情况。另外，本文中字符“/”，如无特殊说明，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
下面结合说明书附图对本申请实施例作进一步详细描述。
参照图1，本申请实施例提供一种管道形变监测方法，所述方法的主要步骤描述如下。
S1:基于预设的由管道侧向移动引发的土拱区域内的土体平衡单元，建立土体平衡单元的高度和土体平衡单元所受垂直应力的关系式，得到第一模型；
S2:基于所述第一模型，引入边界条件，建立土拱高度和常数的关系式，得到第二模型；
S3:基于所述第二模型，引入土体压缩量，预测土拱高度；
S4:基于所述土拱高度，判断管道的形变情况。
其中，所述第一模型的方程式为，
Figure BDA0003812625710000051
式中，dW为土体平衡单元的自重应力；σv为作用于土体平衡单元竖直方向上的垂直应力；τ1为作用于土体平衡单元正对楔形面的侧面的摩擦应力；τ2为作用于土体平衡单元楔形面的摩擦应力；σ2为作用于土体平衡单元楔形面的垂直应力；z为土体平衡单元的高度；dz为土体平衡单元的厚度；
Figure BDA0003812625710000057
为破坏楔形土体的破坏倾斜角。
所述第二模型的方程式为，
Figure BDA0003812625710000052
式中，He为土拱高度；H为管道的净埋深；C为常数；γ’为由管道侧向移动引发的土拱区域内的土体重度。
所述土拱高度的表达式为，
Figure BDA0003812625710000053
Figure BDA0003812625710000054
Figure BDA0003812625710000055
Figure BDA0003812625710000056
式中，He为土拱高度；H为管道的净埋深；Δs为土体额外的压缩量；Es为土体压缩模量；γ’为由管道侧向移动引发的土拱区域内的土体重度。
进一步地，所述基于预设的由管道侧向移动引发的土拱区域内的土体平衡单元，建立土体平衡单元的高度和土体平衡单元所受垂直应力的关系式的步骤包括，
预设所述土体平衡单元的高度和厚度；
根据所述土体平衡单元的高度、厚度和力的竖向平衡关系，得到土体平衡单元的高度和土体平衡单元所受垂直应力的关系式。
进一步地，所述基于所述第一模型，引入边界条件，建立土拱高度和常数的关系式的步骤包括，
简化所述第一模型，得到微分方程；
求解所述微分方程，得到常数的关系式；
基于土拱高度低于管道的净埋深或土拱高度高于管道的净埋深的情形，建立边界条件；
将所述边界条件代入所述常数的关系式中，得到土拱高度和常数的关系式。
进一步地，所述基于所述第二模型，引入土体压缩量，预测土拱高度的步骤包括，建立所述土体压缩量的方程式；
基于所述边界条件求解所述土体压缩量的方程式，得到土拱高度。
上述各个实施例的具体介绍如下。
参照图2，当管道侧向拉动引起土拱时，假设管道的移动方向右，此时管道右上方三角形区域则为管道侧向拉动引起破坏的楔形土体。其中，H为管道的净埋深度，可通过测量获得。He为土拱高度，即管道上方等沉降平面的高度。z为管道上方土体平衡单元的高度。dz为管道上方土体平衡单元的厚度。
Figure BDA0003812625710000065
为破坏楔形土体的破坏倾斜角，本实施例中，
Figure BDA0003812625710000066
φ为土体内摩擦角，φ为已知量。
参照图3，预设管道右上方破坏楔形土体中的土体平衡单元，其中，dW为土体平衡单元的自重应力，且dW＝γ’ztanθ1dz，γ’为由管道侧向移动引发的土拱区域内的土体重度，为已知量。σv为作用于土体平衡单元竖直方向上的垂直应力。τ1为作用于土体平衡单元正对楔形面的侧面的摩擦应力，τ1＝μKaσv，式中，μ为土体的摩擦系数，为已知量，μ＝tanθ1，Ka为主动土压力系数，为已知量。τ2为作用于土体平衡单元楔形面的摩擦应力，τ2＝(1-Ka)σvsinθ1cosθ1。σ2为作用于土体平衡单元楔形面的垂直应力，σ2＝σv(sin2θ1+Kacos2θ1)。
根据土体平衡单元中力的竖向平衡，可以得到方程式(1)：
Figure BDA0003812625710000061
以建立土体平衡单元的高度和土体平衡单元所受垂直应力的关系式，得到第一模型。
简化方程(1)，可以得到相应的微分方程(2)：
Figure BDA0003812625710000062
求解微分方程(2)，以得到常数的关系式(3)：
Figure BDA0003812625710000063
式中，C为常数，
Figure BDA0003812625710000064
又土拱高度He(即楔形土体的高度)可以低于或高于管道的净埋深H，故相应的边界条件可以表示为：
Figure BDA0003812625710000071
若土拱高度He大于或等于管道的净埋深H时，直接以管道的净埋深H作为土拱高度He的值，故实际计算时仅需考虑He<H的情况。
根据上面的边界条件，可以求解出未知常数C，建立土拱高度和常数的关系式，得到第二模型：
Figure BDA0003812625710000072
因楔形土体中的垂直应力大于土体自重，附加的应力会导致额外的土体压缩量Δs，且Δs还包括管道侧向移动挤入土体导致的压缩量。土体额外的压缩量Δs可表示为：
Figure BDA0003812625710000073
式中，Es为土体压缩模量，为已知量。
参照图4和图5，管道周围土体的径向移动距离l表示如下：
Figure BDA0003812625710000074
式中，l为管道周围土体的径向移动距离；R为管道的半径；α0为OB和OC之间的方位角；δh为管道拉力达到极限值时的横向移动距离，其中，横向移动距离的推荐值为0.1D～0.15D。
故土体额外的压缩量Δs可通过从不同角度将l的垂直分量相加得出的，Δs的计算如下：
Figure BDA0003812625710000081
本实施例中，不同角度指从0度到90度。
最后，预测土拱高度，具体地，将公式(3)代入等式(6)左边得到等式中间的表达式。
假设He<H，将
Figure BDA0003812625710000082
带入(6)中，得二次方程式解:
Figure BDA0003812625710000083
Figure 1
基于土拱高度，可以判断管道的形变情况。具体地，通过计算的土拱高度，对管道的侧向拉力进行计算，且在管道拉力达到极限值时的横向移动距离超过0.15mm时，判断管道产生形变，需及时提醒维护人员进行进一步地检查维护，以减小管道变形带来的危害与损失。
综上所述，一种管道形变监测方法通过基于预设的由管道侧向移动引发的土拱区域内的土体平衡单元，建立土体平衡单元的高度和土体平衡单元所受垂直应力的关系式，得到第一模型；基于所述第一模型，引入边界条件，建立土拱高度和常数的关系式，得到第二模型；基于所述第二模型，引入土体压缩量，预测土拱高度，以通过计算确定管道侧向拉动引起的土拱高度，无需真实试验，节省了时间、人力和物力，能够测量不同条件下的土拱高度，有利于准确获得不同场景下的土拱高度；基于所述土拱高度，判断管道的形变情况，提高了管道形变监测结果的准确性。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
本申请实施例还提供一种管道形变监测装置，该一种管道形变监测装置与上述实施例中一种管道形变监测方法一一对应。该一种管道形变监测装置包括，
第一模型模块，用于基于预设的由管道侧向移动引发的土拱区域内的土体平衡单元，建立土体平衡单元的高度和土体平衡单元所受垂直应力的关系式，得到第一模型；
第二模型模块，用于基于所述第一模型，引入边界条件，建立土拱高度和常数的关系式，得到第二模型；
土拱高度预测模块，用于基于所述第二模型，引入土体压缩量，预测土拱高度；
形变监测模块，用于基于所述土拱高度，判断管道的形变情况。
关于一种管道形变监测装置的具体限定可以参见上文中对于一种管道形变监测方法的限定，在此不再赘述。上述一种管道形变监测装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现上述任意一种管道形变监测方法。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
S1:基于预设的由管道侧向移动引发的土拱区域内的土体平衡单元，建立土体平衡单元的高度和土体平衡单元所受垂直应力的关系式，得到第一模型；
S2:基于所述第一模型，引入边界条件，建立土拱高度和常数的关系式，得到第二模型；
S3:基于所述第二模型，引入土体压缩量，预测土拱高度；
S4:基于所述土拱高度，判断管道的形变情况。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM (SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述系统的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

Claims (10)

1.一种管道形变监测方法，其特征在于，包括以下步骤，
基于预设的由管道侧向移动引发的土拱区域内的土体平衡单元，建立土体平衡单元的高度和土体平衡单元所受垂直应力的关系式，得到第一模型；
基于所述第一模型，引入边界条件，建立土拱高度和常数的关系式，得到第二模型；
基于所述第二模型，引入土体压缩量，预测土拱高度；
基于所述土拱高度，判断管道的形变情况。
2.根据权利要求1所述的管道形变监测方法，其特征在于，所述基于预设的由管道侧向移动引发的土拱区域内的土体平衡单元，建立土体平衡单元的高度和土体平衡单元所受垂直应力的关系式的步骤包括，
预设所述土体平衡单元的高度和厚度；
根据所述土体平衡单元的高度、厚度和力的竖向平衡关系，得到土体平衡单元的高度和土体平衡单元所受垂直应力的关系式。
3.根据权利要求1所述的管道形变监测方法，其特征在于，所述基于所述第一模型，引入边界条件，建立土拱高度和常数的关系式的步骤包括，
简化所述第一模型，得到微分方程；
求解所述微分方程，得到常数的关系式；
基于土拱高度低于管道的净埋深或土拱高度高于管道的净埋深的情形，建立边界条件；
将所述边界条件代入所述常数的关系式中，得到土拱高度和常数的关系式。
4.根据权利要求3所述的管道形变监测方法，其特征在于，所述基于所述第二模型，引入土体压缩量，预测土拱高度的步骤包括，
建立所述土体压缩量的方程式；
基于所述边界条件求解所述土体压缩量的方程式，得到土拱高度。
5.根据权利要求1所述的管道形变监测方法，其特征在于，所述第一模型的方程式为，
Figure FDA0003812625700000011
式中，dW为土体平衡单元的自重应力；σv为作用于土体平衡单元竖直方向上的垂直应力；τ1为作用于土体平衡单元正对楔形面的侧面的摩擦应力；τ2为作用于土体平衡单元楔形面的摩擦应力；σ2为作用于土体平衡单元楔形面的垂直应力；z为土体平衡单元的高度；dz为土体平衡单元的厚度；θ1为破坏楔形土体的破坏倾斜角。
6.根据权利要求1所述的管道形变监测方法，其特征在于，所述第二模型的方程式为，
Figure FDA0003812625700000021
式中，He为土拱高度；H为管道的净埋深；C为常数；γ’为由管道侧向移动引发的土拱区域内的土体重度。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的管道形变监测方法，其特征在于，所述土拱高度的表达式为，
Figure FDA0003812625700000022
Figure FDA0003812625700000023
Figure FDA0003812625700000024
Figure FDA0003812625700000025
式中，He为土拱高度；H为管道的净埋深；Δs为土体额外的压缩量；Es为土体压缩模量；γ’为由管道侧向移动引发的土拱区域内的土体重度。
8.一种管道形变监测装置，其特征在于，包括，
第一模型模块，用于基于预设的由管道侧向移动引发的土拱区域内的土体平衡单元，建立土体平衡单元的高度和土体平衡单元所受垂直应力的关系式，得到第一模型；
第二模型模块，用于基于所述第一模型，引入边界条件，建立土拱高度和常数的关系式，得到第二模型；
土拱高度预测模块，用于基于所述第二模型，引入土体压缩量，预测土拱高度；
形变监测模块，用于基于所述土拱高度，判断管道的形变情况。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1至7任意一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7任意一项所述方法的步骤。
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