西南山區(qū)管道某典型滑坡變形演化研究*

余東亮 王慶 王愛玲 吳東容 吳森

1中國石油西南管道公司

2四川省地質(zhì)工程勘察院

我國西南山區(qū)管道沿線地貌條件復(fù)雜，年降雨量大且暴雨頻繁，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)[1-3]。為降低地質(zhì)災(zāi)害對油氣管道安全運(yùn)行帶來的風(fēng)險(xiǎn)，亟需對其變形演化規(guī)律進(jìn)行研究。山體滑坡是典型管道地質(zhì)災(zāi)害之一，是斜坡在重力作用下趨于應(yīng)力平衡狀態(tài)的一種自然演化現(xiàn)象。由人類工程活動引起的滑坡災(zāi)害也較為普遍，如撫順露天礦山邊坡失穩(wěn)[4]、深圳“12·20”特大滑坡事故[5]，以及三峽水庫蓄水誘發(fā)的大量滑坡[6-8]等。山區(qū)管道遇到滑坡災(zāi)害時(shí)易發(fā)生彎曲變形甚至斷裂，從而造成嚴(yán)重后果。因此，對管道滑坡進(jìn)行研究尤為重要，許多學(xué)者針對其監(jiān)測以及危險(xiǎn)性評價(jià)都做了大量工作[9-12]。

以西南山區(qū)管道某典型滑坡為例，在收集整理滑坡區(qū)地形地貌、地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造等資料基礎(chǔ)上，通過對滑坡進(jìn)行專業(yè)監(jiān)測獲取大量的表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析滑坡變形演化規(guī)律，研究滑坡的主要影響因素和變形機(jī)制，探究其成因與演化過程，并對其變形演化趨勢進(jìn)行預(yù)測。研究結(jié)果為山區(qū)管道滑坡的防治及管道保護(hù)提供依據(jù)。

1 滑坡區(qū)工程地質(zhì)概況

管道滑坡位于貴州省貴陽市花溪區(qū)燕樓鎮(zhèn)一棄渣場，棄渣場占地約1.79×104m2，設(shè)計(jì)棄渣方量14×104m3，地理位置如圖1a 所示。滑坡區(qū)地處黔中山原丘陵中部，地形起伏連綿，多為緩斜面丘，丘頂多呈饅頭狀[13]，構(gòu)造上屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺構(gòu)造單元，分屬于黔南臺次級構(gòu)造單元的貴定南北向構(gòu)造變形區(qū)。主體構(gòu)造以擠壓型的南北向構(gòu)造為主[14]。該區(qū)常年受西風(fēng)帶控制，屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤型氣候，具有明顯高原氣候特點(diǎn)，垂直氣候差異明顯。年平均總降水量為1 178.1 mm，主要集中在5—9 月[15-16]。滑坡區(qū)原始地貌為三峽兩溝，滑坡后部高程在1 200～1 210 m，后經(jīng)人工推平為多級臺階狀，滑坡全貌如圖1b 所示。某年汛期，由于滑坡體后緣堆載，加之降雨影響，誘發(fā)滑坡，危及管道的運(yùn)行安全。

圖1 滑坡所在位置(a)及滑坡全貌(b)Fig.1 Location(a)and the overall perspective(b)of the landslide

滑坡體整體呈圈椅狀，滑坡前緣以鼓脹、倒塌和拋灑堆積處為界，側(cè)緣以形成滑動后的錯(cuò)落壁為界，后緣以后部拉張裂縫為界。平面縱向長320～350 m，平均長度約335 m；寬度90～142 m，平均寬度約114 m。滑坡面積3.82×104m2，鉆孔揭露滑體厚度6.50～19.10 m，平均厚度15.0 m，滑坡體積約57×104m3，屬中型滑坡。

滑體厚度呈現(xiàn)由后緣至前部厚度逐漸減小的趨勢，滑體一般厚8～15 m，最厚19.1 m。滑體土主要為素填土、粉質(zhì)黏土和角礫，少量為碎石，下部基巖為二疊系上統(tǒng)長興組的石灰?guī)r；滑帶土厚0.2～0.5 m，主要由粉質(zhì)黏土組成，呈灰或灰黃色，稍濕，可塑狀。

2 滑坡變形特征分析

2.1 滑坡宏觀變形跡象

滑坡區(qū)后緣形成拉陷槽，長約15～20 m，下挫深約5～10 m，整體走向135°，與滑坡主滑方向垂直。拉陷槽后部形成多條拉張裂縫，表明滑坡滑動后受牽引影響產(chǎn)生后部拉張卸荷裂縫。中部主滑動區(qū)水平位移和垂直位移均較大，面積約9×103m2，體積約16×104m3，其中原所建擋土墻沿滑坡滑動方向的水平位移25 m，垂直位移約8 m（圖2a），部分擋土墻被推倒或破壞。滑坡前緣變形以地面縱張裂縫和鼓脹為主（圖2b），可見到從地面向上翹起的土包，縱張裂縫大量密集發(fā)育，走向135°，張開0.2～0.45 m。

圖2 滑坡中部擋土墻位移（a）與前緣地面隆起土包（b）Fig.2 Displacement of the retaining wall in the middle of the landslide(a)and the ground ridge of the leading edge(b)

2.2 變形監(jiān)測及趨勢分析

在滑坡險(xiǎn)情發(fā)生后，對其進(jìn)行地表位移專業(yè)監(jiān)測，共布置監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)3 個(gè)：JS1、JS2、JS3。在主滑方向及次級滑動方向布置地表位移監(jiān)測點(diǎn)7 個(gè)：JC01～JC07。監(jiān)測時(shí)間持續(xù)25 天，其變形監(jiān)測累積位移曲線如圖3 所示。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：滑坡發(fā)生后地表仍在持續(xù)性發(fā)生變形，特別是從第5 天至第9天期間累積位移上漲幅度較大，其中監(jiān)測點(diǎn)JC04累積位移在第19 天后仍發(fā)生一次較大的跳躍性增長，隨后各監(jiān)測點(diǎn)均趨于穩(wěn)定；各監(jiān)測點(diǎn)中，位于滑坡中上部的JC04 點(diǎn)位移量最大，累積達(dá)18 mm；總體上，各監(jiān)測點(diǎn)累積位移小于20 mm，在靠管道側(cè)和滑坡前部位移相對較大，位移量7.4～18.1 mm。連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，滑坡整體位移小，在監(jiān)測后期處于暫時(shí)相對穩(wěn)定狀態(tài)，但局部位移較大，揭示滑坡仍然在緩慢蠕滑變形中，此變形趨勢和跡象與上述地表宏觀監(jiān)測也非常吻合。

進(jìn)一步分析可知，由于滑坡后緣棄渣加載，推動坡體向前滑動，導(dǎo)致滑坡發(fā)生后在后部形成寬大拉陷槽，橫張裂縫發(fā)育。滑坡前部土體反翹，起到了一定的阻滑作用，變形相對較小。受其影響，滑坡中部裂縫以橫張裂縫為主，裂縫張開和延伸長度相對較小，表明滑坡中部是受后部滑坡土體推動產(chǎn)生了相應(yīng)的變形。滑坡北西側(cè)臨空面條件較好，滑坡受前部阻擋，轉(zhuǎn)向北西側(cè)剪出，因此，該側(cè)形成縱橫相互切割的裂縫，由于北西側(cè)后段距離棄渣加載較近，產(chǎn)生滑動距離較遠(yuǎn)，剪出的土體解體充分，而北西側(cè)前段受阻滑影響，側(cè)向剪出運(yùn)動距離相對較近，剪出土體多呈塊體狀。

圖3 滑坡地表監(jiān)測點(diǎn)累積位移演化過程Fig.3 Cumulative displacement evolution of landslide surface monitoring points

3 滑坡變形機(jī)制分析

影響滑坡的形成和變形的因素眾多，主要可分為自身內(nèi)部地質(zhì)環(huán)境條件因素和外部誘發(fā)因素[17-18]。在自身地質(zhì)條件方面，滑坡區(qū)域地處溝谷地形，為地表水、地下水的匯集提供了條件；堆積的棄渣在溝谷區(qū)后部形成高陡的斜坡，進(jìn)一步改變了原有的地形條件；其次，滑坡區(qū)的人工填土主要由塊碎石、粉質(zhì)黏土、角礫等組成，結(jié)構(gòu)較松散，孔隙、拉張裂縫發(fā)育為地表水的入滲、賦存提供了條件，同時(shí)也增加了滑坡滑動的勢能；滑體下部的粉質(zhì)黏土和全風(fēng)化灰?guī)r一起為滑坡滑動帶（面）的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；此外，因下部的粉質(zhì)黏土和全風(fēng)化灰?guī)r具有隔水作用，有利于降雨隨著層面集聚，充分軟化滑帶土，形成飽水軟弱帶，為滑動帶（面）的連通提供了條件。

堆渣區(qū)無地表截排水措施是滑坡發(fā)生的另一因素。棄渣堆積體位于溝谷內(nèi)，具備匯水條件，但其周圍無截排水措施，且在建高速公路的一處涵洞直接將截留的地表排水直接排泄于棄渣體內(nèi)，該處置措施不利于棄渣區(qū)的斜坡穩(wěn)定。

為分析降雨對該滑坡變形的影響，疊加其位移隨降雨的變形演化過程如圖4 所示。從前文分析和圖4 中可知，滑坡后期發(fā)生的幾次較大的位移前均有一定量的降雨產(chǎn)生，如滑坡位移量最大的第5 天至第9 天，該時(shí)間段日降雨量平均為13 mm，屬于中雨級別，其次在第18 至20 天發(fā)生連續(xù)降雨，導(dǎo)致JC04 號點(diǎn)繼續(xù)發(fā)生滑動產(chǎn)生位移，表明滑坡變形與降雨具有顯著的相關(guān)性。

圖4 滑坡監(jiān)測點(diǎn)累積位移與降雨隨時(shí)間演化過程Fig.4 Time-varying evolution of the cumulative displacement and rainfall of landslide monitoring points

由此可見滑坡變形位移與降雨，特別是持續(xù)性降雨緊密相關(guān)，滑坡受其響應(yīng)十分敏感。一方面降雨入滲使土體飽水，增加了滑體的質(zhì)量，更重要的另一方面是降雨的入滲，使滑帶土飽水軟化，抗剪強(qiáng)度降低，力學(xué)性狀改變，從而促進(jìn)了滑坡的發(fā)生。

此外，滑坡后部大量堆載棄渣加載，使土體滑動集聚能量，對前部土體造成擠壓，當(dāng)其變形累計(jì)到一定程度時(shí)，因前部土體不能夠阻擋后部土體推力，滑坡發(fā)生滑移變形，導(dǎo)致前部土體被后部土體擠出反翹，后緣出現(xiàn)拉張裂縫、拉陷槽、錯(cuò)落坎等變形跡象，是典型的推移式滑坡。

4 穩(wěn)定性分析與評價(jià)

4.1 計(jì)算模型與工況組合

該滑坡為棄渣加載形成的推移式滑坡，根據(jù)勘察確定滑坡的滑動面呈折線形。滑坡穩(wěn)定性計(jì)算采用傳遞系數(shù)法計(jì)算剩余下滑力[19]，選擇主滑剖面1-1′和與管道直接相關(guān)的兩條次級剖面2-2′和3-3′進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)滑坡可能遭遇的不利情況，選取天然狀態(tài)、持續(xù)暴雨?duì)顟B(tài)二種工況來計(jì)算。計(jì)算參數(shù)根據(jù)采樣試驗(yàn)綜合確定，取值詳見表1。

表1 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)取值Tab.1 Values of landslide stability calculation parameters

暴雨時(shí)，根據(jù)場地內(nèi)堆積的特征，降水易下滲，不易形成孔隙水壓力。因此，在暴雨時(shí)計(jì)算工況，滑體容重按全飽水考慮，而不考慮地下水孔隙水壓力，不同工況條件下各典型剖面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of landslide stability

4.2 穩(wěn)定性評價(jià)及其變形演化趨勢

通過滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果可知，在天然狀態(tài)時(shí)：滑坡穩(wěn)定系數(shù)為1.02～1.18，處于欠穩(wěn)定和穩(wěn)定狀態(tài)之間，這與滑坡在天然狀態(tài)時(shí)沒有滑動情況一致；滑坡不同部分的穩(wěn)定狀態(tài)有所差異，這與滑坡發(fā)生時(shí)各部位的變形、滑動形式不同相符。在暴雨工況時(shí)：穩(wěn)定系數(shù)為0.83～0.96，處于失穩(wěn)狀態(tài)，這與暴雨時(shí)滑坡產(chǎn)生滑動一致。綜合以上分析可知，該滑坡天然工況處于欠穩(wěn)定和穩(wěn)定狀態(tài)之間，暴雨處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其結(jié)果與滑坡實(shí)際情況基本吻合。

滑坡發(fā)生后，經(jīng)臨時(shí)處理，棄渣堆積高度減小，對滑坡體的滑動起到了一定的抑制作用，但原有棄渣仍然堆積于滑坡體上。滑坡滑動后，滑坡前部形成更陡的臨空面條件，也同時(shí)導(dǎo)致滑帶土抗剪強(qiáng)度降低。滑坡區(qū)上部堆積有大量的松散巖土體，有利于雨水入滲，不利于滑坡穩(wěn)定。滑坡處于滑動后的暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，但仍具備全面二次滑動的條件，滑坡變形趨勢是滑坡區(qū)后部土體推動前部土體產(chǎn)生推移式滑動，可能對管道產(chǎn)生新的危害。其一是滑動時(shí)帶動管道所在的土體一起運(yùn)動，對管道造成剪切破壞；二是后部土體繼續(xù)堆積到管道上方，對管道形成占壓覆蓋，導(dǎo)致管道所在土體產(chǎn)生不均勻沉降，形成剪切力，對管道造成變形破壞。

5 結(jié)論

（1）該滑坡在自身地質(zhì)條件方面，為滑坡的變形發(fā)展提供了良好的條件。溝谷地形為地表水、地下水的匯集提供了條件；人工填土結(jié)構(gòu)較松散，孔隙、拉張裂縫發(fā)育，為地表水的入滲、賦存提供了條件；下部的粉質(zhì)黏土和全風(fēng)化灰?guī)r具有隔水作用，有利于降雨隨著層面集聚，充分軟化滑帶土，形成了飽水軟弱帶。

（2）變形特征表明滑坡受地下水位上升時(shí)形成的浮托效應(yīng)影響較大，為典型浮托減重型滑坡。滑坡后部大量堆載棄渣加載，使土體滑動積聚能量，對前部土體造成擠壓，當(dāng)其變形累計(jì)到一定程度，前部土體不能夠阻擋后部土體推力時(shí)，滑坡發(fā)生滑移變形，呈現(xiàn)出前部阻滑、后部推移的特征。歷次大的降雨都伴隨著滑坡大的變形位移，滑坡變形位移與降雨，特別是持續(xù)性降雨具有十分顯著的相關(guān)性。

（3）滑坡的穩(wěn)定性計(jì)算分析表明：在天然狀態(tài)時(shí)，滑坡處于欠穩(wěn)定和穩(wěn)定狀態(tài)之間，不同部分的穩(wěn)定狀態(tài)有一定差異；在暴雨工況時(shí)處于失穩(wěn)狀態(tài)。滑坡滑動后雖處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，但仍具備全面二次滑動的條件，將對管道產(chǎn)生新的危害。分析結(jié)果為后續(xù)的防護(hù)和治理提供了理論依據(jù)。