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，山體滑坡進一步發(fā)展，嚴重威脅山體南側(cè)天然氣管道的安全運行。

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行模擬試算。當然，其也有明顯的缺點：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)害的形成起促進作用。

b.坡體含水，勘察期間測得穩(wěn)定地下水位標高為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作用。

1.3 滑坡形成機制分析

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，干強度、韌性中等，夾約10%的粉細砂。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)全風化花崗巖。

暗紅夾灰白色，全風化，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，密實狀，局部地段內(nèi)夾花崗巖球狀風化物殘留的漂石。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)強風化花崗巖。

暗紅夾灰白色，強風化，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)中風化花崗巖。

粗晶花崗結(jié)構(gòu)，暗紅夾灰，中度風化，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，達不到邊坡安全標準。

整體分析表明，邊坡粉質(zhì)黏土層和強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一步的加固措施來保障天然氣管道的安全運行。

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)范判定標準，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)逐級向后擴展的趨勢?？筛鶕?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。