某油氣長輸管道HB251邊坡穩(wěn)定性分析★

黃嘉欣 孟宗權(quán) 溫秀萍 馮德佳 張 拓 禹 楊 古 玥

(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西氣東輸廣東管理處，廣東 廣州 510700；3.西氣東輸甘陜管理處，陜西 西安 710054)

0 引言

滑坡以剪切破壞為主，它的破壞機(jī)制是某一滑裂面上的滑動力矩超過了全部抗滑力矩所致[1]，HB251滑坡位于廣東省韶關(guān)市某天然氣管道北側(cè)。2014年發(fā)現(xiàn)HB251樁北側(cè)山體出現(xiàn)滑移，且有繼續(xù)發(fā)展的趨勢。根據(jù)業(yè)主提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)，顯示管道應(yīng)力應(yīng)變較小，未達(dá)到預(yù)警級別。2016年11月該處滑坡發(fā)生了一次較大規(guī)模變形，山腳設(shè)置的擋墻及排水溝均已出現(xiàn)了開裂、傾斜等不同程度的損毀情況，形成高約1 m～3 m的后壁錯臺，山體滑坡進(jìn)一步發(fā)展，嚴(yán)重威脅山體南側(cè)天然氣管道的安全運(yùn)行。

到目前為止，邊坡穩(wěn)定性分析方法，大致可歸類為：極限平衡法、類比法、基于臨界破壞性理論的以有限元法(FEM)為代表的數(shù)值分析法，概率方法以及一些其他新方法，例如模糊理論，反分析法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及灰色理論分析等[2-4]。其中，簡化Bishop法是極限平衡法的一種，該法計算概念明確，能分析復(fù)雜條件下土坡穩(wěn)定性，能對不同的潛在滑動面進(jìn)行模擬試算。當(dāng)然，其也有明顯的缺點(diǎn)：對于要明確考慮土壤性質(zhì)的空間變異性的情況下，例如邊坡中存在明顯的軟弱夾層、或裂隙比較發(fā)育的巖土體，則要考慮用剩余推力法或有限元法對滑坡推力及穩(wěn)定性進(jìn)行計算[5]。

勘測數(shù)據(jù)顯示，HB251滑坡體由均質(zhì)的粉質(zhì)黏土組成，其最危險滑動面為近“圓弧”狀，最危險滑動面附近，滑弧安全系數(shù)變化小，因此，本文使用理正6.0軟件，采用簡化Bishop法分計算穩(wěn)定性。 以期為提出保障該段油氣長輸管道安全運(yùn)營的有效治理措施提供技術(shù)支持和決策依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

1.2 滑坡影響因素分析

根據(jù)地面調(diào)查及勘探揭露情況分析，滑坡變形與場地所處的地質(zhì)環(huán)境密切相關(guān)。

1)地層巖性。

HB251滑坡所在斜坡體主要由殘坡積均質(zhì)粉質(zhì)黏土組成，坡面物質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，容、透水性能好，遇水易軟化，抗剪強(qiáng)度及力學(xué)性質(zhì)降低，形成軟弱層，在外力作用下極易產(chǎn)生滑動，是滑坡形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2)地形地貌。

HB251滑坡處于斜坡地形之中，坡高29 m左右，地形坡度一般有30°，前緣由于管道施工切坡，陡坎近于直立，形成高1 m左右的臨空面，滑坡穩(wěn)定性較差，為滑坡的變形破壞提供了一定的條件。

3)水的作用。

水是導(dǎo)致斜坡變形破壞的重要因素，主要表現(xiàn)在以下2個方面：

a.大氣降水是滑坡形成的誘發(fā)因素。雨水入滲土體，增大了土體容重，降低了土體的抗剪強(qiáng)度，同時浸潤軟化了潛在滑移控制面，對地質(zhì)災(zāi)害的形成起促進(jìn)作用。

b.坡體含水，勘察期間測得穩(wěn)定地下水位標(biāo)高為201.52 m～204.62 m，由地下水產(chǎn)生的浮托力、滲透力均不利于斜坡的穩(wěn)定。

4)人類工程活動。

場區(qū)內(nèi)人類工程活動主要為西氣東輸天然氣管道切坡施工，施工時切坡形成了臨空面，破壞了斜坡原始的應(yīng)力平衡，使斜坡開始出現(xiàn)變形，坡體出現(xiàn)裂縫，促成了滑坡的發(fā)生。

綜上，不良的地質(zhì)環(huán)境條件是形成滑坡的物質(zhì)基礎(chǔ)，人類工程活動是滑坡發(fā)生的誘發(fā)因素，降水對滑坡變形起到促進(jìn)作用。

1.3 滑坡形成機(jī)制分析

場區(qū)高差較大，坡面坡度較陡，前緣坡腳開挖，形成臨空面，破壞了斜坡原始應(yīng)力平衡，不利于自身穩(wěn)定性；加之在暴雨的作用下，水體直接滲入松散堆積體中，導(dǎo)致土體軟化，抗剪強(qiáng)度迅速降低；斜坡在地下水及地表水的作用下發(fā)生滑動。根據(jù)各種變形跡象分析，該滑坡是因前緣坡腳失穩(wěn)，致使滑坡中后部土體向下滑移，并出現(xiàn)逐級向后擴(kuò)展的趨勢，反映滑坡具牽引式特性。

2 簡化Bishop法原理

將圓弧滑動體分為若干等寬垂直條塊，分別求其自重并將重力分解成與滑動面相切和正交的兩個分力，并以圓弧的圓心為力矩中心，求該破裂面的安全系數(shù)(需要注意的是，滑面為圓弧不是簡化Bishop法的必要條件)[6]。

基本假定：垂直條塊間無豎向條間力，只存在水平條間力；垂直條塊滿足總體力矩平衡與豎向力平衡條件。

土條受力分析簡圖如圖4所示。

根據(jù)土條豎直方向的靜力平衡及總體力矩平衡條件，管道附近滑坡段滑面為圓弧滑面，則取矩中心為圓弧的圓心所在位置，x=Rsinα,且土條底邊法向力的力臂f=0。求得簡化 Bishop 法安全系數(shù)表達(dá)式：

(1)

其中，F(xiàn)為安全系數(shù)；φ為土條底邊的摩擦角；N′為土條底邊有效法向力；c為土條底邊的有效粘聚力；W為土條重力；α為土條底邊傾角。

3 邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析

根據(jù)勘查的結(jié)果，得到各土層的巖性情況如下：

褐黃、褐紅色，軟～可塑狀，潮濕，干強(qiáng)度、韌性中等，夾約10%的粉細(xì)砂。該層土結(jié)構(gòu)松散，含水量較高，巖土物理工程性質(zhì)較差，易發(fā)生層內(nèi)滑動。厚度5.10 m～12.00 m，平均厚度9.70 m。該層為滑坡體的主要物質(zhì)組成。

2)全風(fēng)化花崗巖。

暗紅夾灰白色，全風(fēng)化，原巖結(jié)構(gòu)依稀可見，主要物質(zhì)組成為石英、長石，可見少量云母，巖芯呈土柱狀、砂狀，密實(shí)狀，局部地段內(nèi)夾花崗巖球狀風(fēng)化物殘留的漂石。該層物理力學(xué)性質(zhì)良好，厚度大且連續(xù)，鉆孔揭露厚度為1.70 m～28.30 m。

3)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

暗紅夾灰白色，強(qiáng)風(fēng)化，粗晶花崗結(jié)構(gòu)，包含礦物主要為石英、長石及黑云母，節(jié)理發(fā)育，節(jié)理面有石英脈充填，巖芯呈塊狀，塊徑約為2 cm～15 cm，該層厚度約為1.20 m～1.50 m。

4)中風(fēng)化花崗巖。

粗晶花崗結(jié)構(gòu)，暗紅夾灰，中度風(fēng)化，含石英、長石及黑云母，巖性致密，錘擊聲脆。據(jù)勘測報告，該層揭露厚度4.2 m。

將滑動土體分為15個土條并對土條自下而上編號，分兩種工況進(jìn)行計算(工況Ⅰ：自重+地下水工況。該工況下，滑體自重是作用在條塊上最重要的作用力，采用天然重度以及天然抗剪強(qiáng)度，計算時考慮穩(wěn)定地下水的影響；工況Ⅱ：自重+地下水+暴雨工況。該工況下，物理力學(xué)參數(shù)采用飽和重度γ以及飽和抗剪強(qiáng)度所代表的φ和C，計算時考慮穩(wěn)定地下水的影響)。其巖土層物理力學(xué)指標(biāo)取值如表1所示。

表1 滑坡治理參數(shù)取值表

圖5～圖7為采用簡化Bishop法得到的計算模型示意圖，可以看到明顯的潛在滑動面，潛在滑動區(qū)域覆蓋半坡的大部分區(qū)域。表2為模擬計算得到的兩種工況下代表剖面的安全系數(shù)，可以看到在有暴雨的工況下，邊坡安全系數(shù)均小于1，達(dá)不到邊坡安全標(biāo)準(zhǔn)。

整體分析表明，邊坡粉質(zhì)黏土層和強(qiáng)度較高巖層交接處易構(gòu)成潛在滑動面，加之受管道施工的影響，存在安全不足的問題，該段邊坡需要采取進(jìn)一步的加固措施來保障天然氣管道的安全運(yùn)行。

表2 采用簡化Bishop法的計算結(jié)果

4 結(jié)論與討論

1)采用簡化Bishop法，能分析復(fù)雜條件下土坡穩(wěn)定性，能對不同的潛在滑動面進(jìn)行模擬試算。假定破壞面為圓弧，3個代表計算剖面在一般工況下穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.05但小于1.15；暴雨工況下穩(wěn)定安全系數(shù)均小于1.0。根據(jù)規(guī)范判定標(biāo)準(zhǔn)，該滑坡在自然工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨飽和工況下將處于不穩(wěn)定狀態(tài)，對滑坡前緣的天然氣管道造成極大威脅，因此，應(yīng)對該滑坡采取措施進(jìn)行治理。

2)比較圖5～圖7可知，如果邊坡失穩(wěn)，破壞模式為圓弧形破壞，前緣坡腳失穩(wěn)，致使滑坡中后部土體向下滑移，并出現(xiàn)逐級向后擴(kuò)展的趨勢。可根據(jù)場區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件和規(guī)模，采取合理的治理方案措施，如抗滑樁+抗滑擋墻+截排水溝的方案。