某人工開挖誘發滑坡的穩定性分析及防治措施研究

王聯朱，阿發友，廖晨曦，李 賢

1.國家石油天然氣管網集團有限公司華南分公司，云南昆明 650217

2.昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093

3.云南省交通規劃設計研究院股份有限公司，云南昆明 650011

地質災害對于油氣管道的安全運行已經構成嚴重威脅，其中滑坡是威脅管道安全運行的主要地質災害之一[1-4]。2018 年3 月11 日，云南省安寧市國道G56 讀書鋪服務區提升改造工程施工過程中，因人工開挖誘發了邊坡滑坡，嚴重危及國家管網輸油管道的運營安全。為保證管道安全運營，需要分析人工開挖誘發滑坡的穩定性，從而為滑坡防治提供可靠的依據。

誘發滑坡的因素具有多樣性，但降雨是誘發滑坡的最主要因素之一[5-6]。在參考前人研究的基礎上，以國家管網華南公司成品油管道昆明作業區CC006-23 滑坡為例，利用Geo-Studio 數值模擬軟件，考慮天然工況和降雨兩種工況，分析滑坡穩定性；同時，分析總結滑坡應急處置措施，并利用數值模擬方法分析研究永久性治理措施。研究成果可為滑坡防治提供依據，還可為同類滑坡事件提供借鑒。

1 滑坡狀況與滑坡區工程地質條件

滑坡距安寧市約12 km，距昆明市約21 km，地處東經102°33′，北緯24°57′11″，屬丘陵地區，主要由中生代地層所構成的向斜中低山及丘陵構成。微地貌特征呈北高南低，滑坡區高程1 900～1 925 m，相對高差25 m。自然地形坡度19°～35°。

據現場實測資料，服務區場地平整開挖邊坡垂直高度20 m，分二級平臺進行開挖，平臺馬道寬2 m，整體坡度40°，滑坡剪出口位于開挖邊坡坡腳。開挖邊坡地層巖性為侏羅系中統上祿豐群（J2）酒紅、暗棕紅色泥巖，巖層產狀330°∠28°，為順層邊坡，巖層傾角小于邊坡整體開挖坡腳，巖層全～強風化層厚約10～15 m，開挖坡腳部位為中～微風化泥巖。邊坡周邊地質構造復雜，尤其北側斷裂發育，造成邊坡巖體節理裂隙發育。總之，邊坡巖體節理裂隙發育，邊坡為順層邊坡，巖層傾角小于邊坡整體開挖坡腳，各種不利因素組合最終誘發滑坡。

開挖邊坡誘發的滑坡長約30 m，寬約100 m，滑體厚度5～10 m，體積約2.4×104m3。中石化輸油管道位于開挖邊坡坡頂上，距離坡頂開挖邊界約11 m，未穿越滑坡區，滑坡后緣邊界距輸油管道最近距離l m，見圖1。滑坡變形特征明顯，后緣裂縫延伸長約45 m，寬2～10 cm，最大錯距0.5 m，坡面裂縫發育，前緣剪出明顯，見圖2。滑坡典型工程地質剖面如圖3所示。

圖1 滑坡整體位置示意

圖2 滑坡變形裂縫及后緣裂縫臨時防水措施狀況

圖3 滑坡典型工程地質剖面

2 滑坡穩定性分析

2.1 模型建立

根據現場調查資料，并考慮降雨因素對該滑坡進行分析，運用數值模擬軟件GeoStudio 中的SLOPE/W 模塊對滑坡穩定性進行計算。

現有邊坡為2 級邊坡，1 級邊坡坡率為1∶1.25，2 級邊坡坡率為1∶1.2，分級高度為1.5 m，第1 級平臺寬1m。該計算模型運用Morh-Coulomb準則，將數值模型劃分為滑床、滑體兩個部分，初始狀態下的模型只考慮自重應力，在模型兩端設置水平方向進行約束，模型的底部設置為靜水界面，上方的滑坡體表面為自由面，不設任何方向的約束，并且分別考慮天然工況和暴雨工況下的物理力學參數，結果見表1。

表1 巖土體主要物理參數

2.2 滑坡穩定性計算

根據對該滑坡的調查及相關工程勘察資料，通過指定滑動面進行穩定性計算和分析。該計算采用了圖3典型剖面進行計算，計算得到了自然工況下的穩定性系數（見圖4）和暴雨工況下穩定性系數（見圖5）。

圖4 自然工況下滑動面穩定性系數

圖5 暴雨工況下滑動面穩定性系數

根據GB/T 32864—2016《滑坡防治工程勘查規范》，在自然工況下，該邊坡的穩定性系數為1.083，屬于欠穩定狀態，在暴雨工況下，該邊坡的穩定性系數為0.967，屬于不穩定狀態。故必須對滑坡進行治理。

3 滑坡防治措施

3.1 應急處置

管道運輸為陸上油氣運輸的重要方式之一，其安全、綠色、高效的優勢是區別于其他運輸方式的顯著特點，因而其成為全球最主要的油氣運輸方式之一，各國管道的安全運行影響著各國經濟的平穩健康發展[7-10]。但是，近幾十年隨著全球油氣管道的迅速發展，管道事故屢見不鮮，特別是一些油氣泄漏、火災爆炸等惡性事故的發生，不但造成巨大經濟損失，對人身安全、自然環境也造成巨大危害[11-13]。本次滑坡事件，位于施工的密集區，緊鄰G56 高速公路，若對滑坡不加以控制，則由其造成的油氣管道破損泄漏等后果是難以想象的。因此，對滑坡進行應急處置勢在必行，其將為永久治理贏得時間。因此，本次滑坡應急處置采用了以下兩種措施。

第一，滑坡應急壓腳措施。由于服務區場地開挖平整，在場地內有大量未外運的棄土，為應急壓腳提供了充足壓腳材料。滑坡發生后，管道管理處第一時間組織施工隊伍對滑坡晝夜不停地進行壓腳施工。滑坡坡腳荷載的增加，提高了滑坡的抗滑能力，極大地提高了滑坡穩定性。

第二，坡頂滑坡拉裂縫處增設防水覆蓋。針對氣候的變化無常，防止極端暴雨匯水沿滑坡裂縫入滲，軟化滑帶巖土體和產生動靜水壓力，對滑坡穩定性造成不利影響，管道管理處第一時間組織施工隊對滑坡裂縫進行防水覆蓋。

以上兩種措施及施工過程，均體現了滑坡應急處置的時間緊迫性和應急特點，起到了很好的應急防治效果（見圖6）。滑坡在采取應急壓腳措施后沒有進一步發展，坡頂滑坡拉裂縫的防水覆蓋有效防止了雨水入滲，為永久防治措施的實施贏得了寶貴時間。

圖6 應急措施施工效果

3.2 永久抗滑樁支擋

在地質災害治理過程中，廣泛采用抗滑樁和擋土墻等治理措施，依據治理措施適用性和滑坡特征，本次滑坡選擇抗滑樁進行治理。采用FLAC3D的3D 軟件模擬天然和暴雨工況下抗滑樁的防治效果，并通過GeoStudio計算復核滑坡穩定性。

3.2.1 FLAC3D模型生成

通過FLAC3D 數值模擬，建立了治理前以及治理后自然工況和暴雨工況下的模型，對抗滑樁的治理效果進行分析研究，通過監測坡體和樁頂位移情況，分析抗滑樁防治效果。由于采用動力運算，可以真實模擬滑坡的滑動特征。本滑坡的模型建立主要分為四個部分，第一個部分為采用Mohr-Coulomb 彈塑性模型所構成的巖土體；第二個部分為采用各向同性彈性模型所組成的抗滑樁和抗滑樁擋墻部分，材料采用C30混凝土，并且對巖土體進行部分開挖，從而有效地與巖土體結合，起到更好的搭接效果；第三部分為空模型本構關系，在原有巖土體模型上進行開挖作業，從而保證抗滑樁的嵌入深度；第四部分為結構單元部分，在FLAC3D中采用了pile結構單元進行了布設。

結合滑坡典型工程地質剖面圖，模型的幾何尺寸：長40 m、寬19.5 m、高38 m，抗滑樁長14 m，擋板高度7 m、厚度為0.5 m。依據各材料特征或結構網格大小要適中的原則，最終設定該模型為23 660個網格、26 774個節點，幾何模型見圖7。

圖7 FLAC3D完整模型

3.2.2 選取參數

根據室內試驗和經驗參數取值，確定模型的各個材料參數，自然工況下的物理力學參數見表2，暴雨工況下的物理力學參數見表3。抗滑樁與混凝土擋板的接觸面以及混凝土擋板與板后土體接觸面均采用C30混凝土的參數進行設置，參數與標準抗滑樁和擋土板均相同。

表2 自然工況下的物理力學參數

表3 暴雨工況下的物理力學參數

3.2.3 兩種工況下的邊坡穩定性分析

針對數值模擬結果，對治理前以及治理后自然工況和暴雨工況下的坡體位移、樁頂位移進行分析研究。

圖8 和圖9 分別為抗滑樁治理后天然工況和暴雨工況下水平向位移云圖，從云圖可以看出，水平向位移最大位置為抗滑樁樁頂位置，其中自然工況下的水平方向樁頂位移為-2.346 693×10-2m，暴雨工況下的樁頂水平方向位移為-3.459 82 ×10-2m。而治理后管道附近坡體位移很小，天然工況下為-1.795038×10-2m，暴雨工況下為-1.862967×10-2m。可以看出，抗滑樁對滑坡防治效果明顯。

圖8 治理后自然工況下水平方向位移云圖/m

圖9 治理后暴雨工況下水平方向位移云圖/m

3.2.4 治理后滑坡穩定性分析

為進一步驗證防治效果，采用GeoStudio 中的SLOPE/W 模塊進行抗滑樁支擋后的穩定性分析。圖10 和圖11 分別為抗滑樁治理后滑坡在天然工況和暴雨工況下的穩定性。可以看出，抗滑樁治理后自然工況下的穩定性系數可以達到1.357，而暴雨工況下的穩定性系數為1.252，滑坡抗滑樁治理后處于穩定狀態，滿足該滑坡治理的安全系數要求，治理效果得到進一步驗證。

圖10 治理后自然工況下穩定性

圖11 治理后暴雨工況穩定性

4 結論

本文以國家管網華南公司成品油管道昆明作業區CC006-23 滑坡為研究對象，結合滑坡野外調查和室內外試驗工作的情況，對滑坡穩定性進行分析，總結應急處置措施及重要性，并利用數值模擬方法分析研究永久性治理措施，得出如下主要結論。

1）該滑坡屬于典型的人工開挖誘發滑坡，在自然工況下，該滑坡處于欠穩定狀態，在暴雨工況下，處于不穩定狀態，對該滑坡必須進行治理。

2）針對油氣管道泄漏等可能造成的嚴重后果，采取了滑坡壓腳等應急處置措施，效果明顯，為管道安全和滑坡永久處置贏得了寶貴時間。

3）依據治理措施適用性和滑坡特征，滑坡永久治理采用抗滑樁支擋，防治效果明顯，為輸油管道提供了安全保障。