基于Janbu修正法的某油氣管道邊坡穩定性評價★

古 玥 孟宗權 溫秀萍 馮德佳 禹 楊 張 拓 黃嘉欣 方世躍

(1.西安科技大學地質與環境學院，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)

邊坡發生破壞失穩是一種復雜的地質災害[1]。在實際工程治理過程中，對邊坡穩定性進行預測法分析是重點關注問題之一。邊坡上土體和巖體在重力的作用下沿著斜坡滑動面形成規模向下滑動的情況，通常會引起較嚴重的安全事故和經濟財產損失，特別是有地下管道敷設的邊坡[2,3]，極容易形成滑坡。管道邊坡通常是在管道敷設以后，由于受到某種擾動使原有的應力平衡打破,進而發生坡體滑動等破壞，就山地管道而言,這種外在應力一般與重力的迅速增加、結構面強度迅速減弱有關。邊坡形成后,受外在擾動的機會和應力一般較小,通常是由于自身重力增加來打破受力平衡,而降雨是造成坡體重量增加的主要形式。管道在施工過程中會對施工地的原始地貌和地表植被造成一定程度的破壞，管溝回填土難以達到原土密實度，加之地表回填土的抗外力侵蝕能力較弱。在強降水之后，斜坡地段敷設的管道在強降水后地表水大面積匯流情況下，可能使地表水沿著管溝匯流，進而引起滑坡。滑坡體可能推動管道位移、變形，造成邊坡的破壞和管道斷裂等后果。大部分滑坡事故都是由于滑動體沿滑動面滑動而造成坡體失穩。可以根據實際工況選擇不同的安全等級來處理實際邊坡工程，針對安全性較差、地質情況較為復雜的特殊邊坡工程，其安全等級要隨著實際工況進行調整。在邊坡穩定性評價中，極限平衡法[4]由于其原理簡單，能算出邊坡穩定分析定量評值，因而獲得了廣泛應用。

極限平衡法是納入設計規程的針對邊坡穩定性分析的代表性方法，通過在已知滑面之上對邊坡進行靜力平衡計算，進而求出邊坡穩定性安全系數。極限平衡法假設邊坡出現滑動面且處于極限平衡狀態[5,6]。但受不同地理環境和條件的影響,每種方法的適應性和要求也不同。主要有畢肖普(Bishop)法、簡布(Janbu)法、推力法、瑞典法、薩爾瑪(Sarma)法和Lowe-Karafiath法等[7,8]。針對某油氣長輸管道邊坡特點，在受地質構造和地下管道敷設的雙重影響下，為提高計算結果，充分利用滿足邊坡條塊間的作用力和力矩平衡且適合于折線滑動面邊坡的方法作為計算辦法，采用Janbu修正法作為本次評價的計算方法。

1 環境概況

某油氣長輸管道閥室位于深圳市境內，整個場區整平后形成閥室場區西北側挖方邊坡及閥室場區東南側碎石土填方邊坡。閥室場區東南側挖方形成高5 m～12 m不等的邊坡，坡面采用混凝土噴護措施治理，坡體內部采用排水溝措施。考慮到邊坡坡體有可能發生深部位移，對埋設于坡體內的輸氣管道形成一定程度的應力集中，因此采取監測管體本身的應力變化的監測手段。閥室場地附近未見有河流經過；據走訪調查，場區歷史上未被洪水淹沒。深圳市地處北回歸線以南，屬于亞熱帶海洋性季風氣候，夏較長冬較短，全年氣候溫和，降水量豐沛，光照充足。但深圳市每年會不同程度受到暴雨、熱帶氣旋、寒冷、高溫、雷暴、冰雹、干旱等災害性天氣的影響。根據區域地質圖來看，閥室所屬區域地層主要為第四系殘積坡、人工填土、白堊系、侏羅系及泥盆系地層。閥室所在區域屬丘陵地貌，地形起伏大，原始地貌為梯田，地面高程53.50 m～74.30 m，相對高差約20.0 m。根據閥室布置圖，場區設計整平標高55 m，閥室挖方邊坡平面圖見圖1，現場圖見圖2。通過對閥室場區邊坡地質條件、周圍環境、后期治理措施的整合，系統分析閥室場區東南側挖方邊坡的整體穩定性，綜合評價閥室場區東南側挖方邊坡安全風險程度，為該油氣長輸管道閥室邊坡的安全運行提供依據和支持。

2 Janbu修正法原理

基本假定：直條塊側面上的作用力位于滑面1/3條塊高處；作用于條塊上的重力、反力通過條塊底面的重心點。

典型條塊受力分析如圖3所示。

根據垂直及水平兩方向的靜力平衡及推力邊界條件，求得簡化Janbu法[9]安全系數表達:

(1)

其中，FS為安全系數;ci為滑面粘聚力;Ei為上條塊推力(水平);ui為平均水壓力;bi為條塊寬度;αi為底面傾角;Wi為條塊自重;φi為摩擦角;KC為地震影響系數;Ei+1為下條塊推力。

式(1)安全系數FS為隱式，需迭代求解，通常用牛頓—拉芙遜法加速收斂。由于簡化Janbu法忽略了垂直法向條塊間作用力，減少了未知數，也沒有考慮力矩的平衡，使問題靜定可解。另外此法低估了邊坡抗滑能力，計算出的安全系數偏小。為此Janbu提出了修正公式:

(2)

3 邊坡穩定性極限平衡分析

3.1 計算參數與工況

東南側邊坡剖面計算選取各類評價參數如表1所示。

表1 邊坡剖面評價參數值

由于閥室區及坡面均采取坡面及路面硬化等防水處理措施，因此在暴雨情況下邊坡內巖土體不可能達到整體飽和的狀態，故分析計算采用自重工況，不考慮地下水及地表巖土飽和情況是符合實際情況的。

3.2 地質概化模型

根據現場實際情況和地質調查分析基礎上，選取東南側剖面進行分析。閥室所在區域屬丘陵地貌，地形起伏大，原始地貌為梯田，地面高程53.50 m～74.30 m，相對高差約20.0 m。根據閥室的布置圖，場區設計整平標高55 m。

3.3 邊坡計算結果與分析

整體分析表明，潛在滑動面通常在邊坡軟弱巖層和強度較高巖層交接形成，加之有管道分布，存在安全不足的問題,需要對其進行加固處理。

通過軟件Slide5.0的Janbu法計算結果見圖4。土條重切向分力與滑動方向不同時為當下滑力對待，穩定計算目標為自動搜索最危險滑裂面。最不利滑動面下滑動安全系數為0.649，低于安全系數，頂部可能會產生局部順層滑在加固邊坡后Janbu計算的安全系數結果見圖5，由圖可以看出，在有利工況整合情況下，采用Janbu修正法進行計算，現狀邊坡整體安全系數計算結果為2.507，安全系數較大，可以判定該邊坡是穩定的。

4 結論與討論

1)通過Janbu修正法有效地計算出該油氣管道閥室邊坡的安全穩定性，為邊坡的穩定性管理和安全評價提供有效的計算依據。使用Slide模擬剖面在圓弧滑面情況下，計算剖面一般工況下穩定安全系數大于1.35，地震工況下穩定安全系數大于1.15，根據GB 50330—2013建筑邊坡工程技術規范第5.3.1條和表5.3.1判定，邊坡處于穩定狀態。2)坡度、降雨等因素都對含管道邊坡的穩定性具有影響。當巖體中存在滑動面，經過雨水的侵蝕，滑動面抗剪強度會大幅度降低而導致邊坡滑坡。降雨的影響主要是“雨水匯聚浸泡破壞”和“雨水匯流沖刷破壞”。對橫向敷設的管道，“雨水匯聚浸泡破壞”是其主要破壞方式；對于縱向敷設的管道，“雨水匯流沖刷破壞”是其主要破壞方式。地下管道的敷設的回填土密度較差，降雨后坡體荷載變大，土壤的粘聚力減小，使得部分山體失去原有的平衡而導致滑坡、邊坡垮塌等災害。3)建議在實際工程建設中要因地制宜，采用合理加固保護措施。如用錨筋加固將管道穩固地鑲嵌在基巖中；用土釘加固使土釘在土體形變過程中承受部分拉力作用，利用土釘和土地間的粘結力和摩擦力來提高斜坡的整體穩定性；設置不同類型的護坡防止一定程度的沙土流失；設置截水墻防止管溝回填土被雨水沖走；采用排堵結合的方法控制附近水流方向，加強對管道的保護。另外要加強人工監察防護，加強管道的日常維護，做好管道區域的水土保持利用植物措施保持水土。定期對管道沿線進行監察和清理維護，積極做好管道安全工作。