井場邊坡穩(wěn)定性評價及工程處治方案

林澤俊

（中國石化西南油氣分公司，成都 610016）

井場邊坡穩(wěn)定性評價及工程處治方案

林澤俊

（中國石化西南油氣分公司，成都 610016）

樂山市境內(nèi)某井場平整形成填方邊坡。邊坡坡腳井場污水池開挖中，臨空面和邊坡支擋工程均出現(xiàn)變形破壞。根據(jù)變形破壞的分布規(guī)律，從場地地形、建筑物分布、邊坡特征和原始坡體物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面，分析該邊坡變形機(jī)理，評價其穩(wěn)定性影響因素。并采用極限平衡法對邊坡的穩(wěn)定性及下滑推力進(jìn)行計算。在此基礎(chǔ)上，針對性地提出該邊坡的工程處治方案，保證后期井場及污水池的作業(yè)安全。

井場；填方邊坡；變形機(jī)理；極限平衡法；穩(wěn)定性

1 引言

JS1井位于樂山市犍為縣境內(nèi)，以探測頁巖氣儲層為目的層的預(yù)探井，設(shè)計井深4100 m，擬采用ZJ50L鉆機(jī)施鉆，該鉆機(jī)井場有效面積為：100 m長×50 m寬（不含污水池）［1］。井場平面規(guī)劃布置見圖1。

圖1 JS1井井場平面布置規(guī)劃圖Fig.1 Layout plan of JS1 well site

研究井場地處山頂凸型斜坡區(qū)，前期地質(zhì)災(zāi)害評估結(jié)論表明，在井場區(qū)周邊坡體存在多處早期煤礦巷道，為最大限度避開后期鉆井揭穿巷道的風(fēng)險性概率，該井場對井口位置要求較為嚴(yán)格，同時在確定的井口位置處開展先期鉆探工作，因而井場平整過程中對井口位置不能進(jìn)行調(diào)整。

基于確定的井口位置，為保證井場有效使用面積100 m×50 m，對井場進(jìn)行挖填平衡處理，平衡處理過程中形成低挖方邊坡（東北側(cè)）和填方邊坡（西南側(cè)），挖方邊坡平均高度2.5 m，填方邊坡最大填高10.5 m，分一級、二級兩級填方邊坡區(qū)，填方邊坡區(qū)之上為井場水罐等基礎(chǔ)荷載集中分布區(qū)；污水池受地形條件限制選擇在井場西南側(cè)，沿填方邊坡坡腳線布置，具體分布見圖2；由于污水池面積較大（40 m×20 m），跨越不同地貌單元與地層類別，為防治污水池池底出現(xiàn)軟硬交替地層所引起的不均勻沉降，對污水池池底標(biāo)高進(jìn)行控制，保證其池底高程處持力層均一，因而需對污水池處坡體進(jìn)行開挖，形成6.8 m高挖方邊坡，開挖過程中發(fā)現(xiàn)污水池后側(cè)池壁處坡體存在軟弱夾層，即煤層，且有層間裂隙水滲出，受此軟弱夾層以及井場填方荷載的作用，污水池開挖臨空面以及填方邊坡支擋工程等均出現(xiàn)不同程度變形破壞跡象，且變形有進(jìn)一步擴(kuò)展的趨勢，對井場的穩(wěn)定性及后期污水池的安全構(gòu)成一定威脅。

2 邊坡基本特征

2.1 邊坡形態(tài)特征

地形條件以及鉆井井場各構(gòu)筑物位置關(guān)系決定了該邊坡具有如下特征（圖3）：①井場挖填形成填方邊坡，填方區(qū)坡體上荷載較大，按照該處位置布置井場水罐荷載計算，均布荷載值按80 k N/m2計算；②污水池開挖形成高陡挖方邊坡；③坡體下覆軟弱夾層，以煤層形式出現(xiàn)且存在層間裂隙水；④受臨空面影響，在井場填方荷載作用下，挖方邊坡易發(fā)生垮塌破壞；⑤本次研究的對象即為：由井場填方邊坡與污水池后側(cè)挖方邊坡共同形成該區(qū)高陡挖方邊坡與填方邊坡相結(jié)合的復(fù)合型邊坡。

圖2 井場邊坡全貌Fig.2 Full view of the slope

圖3 邊坡剖面形態(tài)示意圖Fig.3 Slope section

污水池后側(cè)復(fù)合型邊坡高程介于640.23～655.74 m之間，最大高差達(dá)15.51 m，邊坡平均坡度大于35°。其中井場填方邊坡高程在647.0～655.74 m，在污水池開挖之前采取“護(hù)腳墻＋漿砌片石護(hù)坡＋放坡”處理，填方邊坡根據(jù)實(shí)際地形采取分級放坡，具體為：4.0 m以下邊坡無需分級；8.0 m需分級放坡，且設(shè)置馬道（1.5 m寬）等措施，在護(hù)腳墻以上漿砌片石護(hù)坡：厚度500 mm，護(hù)坡前應(yīng)對放坡后坡面夯實(shí)處理，同時坡面鋪設(shè)連砂石墊層；污水池開挖形成陡立臨空面，設(shè)計開挖坡比1∶0.5，該處高陡挖方邊坡高程在640.23～647.0 m。

2.2 邊坡坡體物質(zhì)組成特征

該復(fù)合型邊坡地層主要由第四系全新統(tǒng)（Q4）覆蓋層和須家河組（T3x）深灰色砂巖組成。第四系覆蓋層為人工填土（）和第四系殘坡積土），下覆基巖為須家河組（T3x）深灰色砂巖，見圖4，地層由新至老具體分述如下：

圖4 邊坡工程地質(zhì)剖面圖Fig.4 Engineering geological section

（1）人工填土層（Q4ml）：灰黃色，稍濕－干，碎塊石土，巖性主要為砂泥巖，含量在30%～60%左右，粒徑在2.0～15 cm之間，結(jié)構(gòu)呈中等密實(shí)狀，該層厚度4.0～8.0 m。

（2）第四系坡殘積粘土層（Q4dl＋el）：灰褐色－淺紫色，稍濕－濕，軟塑－可塑。以軟塑為主，殘坡積成因，無光澤反應(yīng)，搖震反應(yīng)中等，韌性低，干強(qiáng)度低。主要由黏粒組成，粉質(zhì)粘土為主，含鐵、錳質(zhì)氧化物，厚度2.00 m。

（3）須家河組（T3x）砂巖：為深灰色砂巖，巖層產(chǎn)狀15°∠5°，微風(fēng)化，礦物成份以石英、長石為主，泥質(zhì)膠結(jié)，巨厚層構(gòu)造，垂直節(jié)理裂隙發(fā)育。據(jù)污水池邊坡開挖揭露，該砂巖層具體可細(xì)分為4層：①強(qiáng)風(fēng)化基巖，②中風(fēng)化基巖，③中風(fēng)化基巖（含煤層軟弱夾層），④中－新鮮基巖。其中強(qiáng)風(fēng)化基巖中主要為近水平狀泥巖，開挖后崩解嚴(yán)重且?guī)r層中有滲滴水現(xiàn)象；中風(fēng)化基巖（含煤層軟弱夾層）中，煤層厚度在30～45 cm之間，碎裂狀結(jié)構(gòu)，有裂隙水發(fā)育，具體見圖5。

2.3 邊坡地下水特征

根據(jù)勘探資料分析及現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，場地內(nèi)地下水主要為松散坡洪積層上層滯水及下覆基巖裂隙水，賦存于第四系殘坡積粘土層中及下覆須家河組地層中，水量小，無統(tǒng)一水位，主要受大氣降水及山體徑流補(bǔ)給，通過地下徑流排泄。

依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021－2001）（2009年修訂版）Ⅱ類環(huán)境水判定：邊坡地下水對混凝土結(jié)構(gòu)有微腐蝕，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有微腐蝕，對鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕。

圖5 邊坡地層由老至新劃分圖Fig.5 Slope strata

2.4 邊坡變形破壞特征

污水池后側(cè)復(fù)合型邊坡變形破壞特征主要包括井場填方邊坡與污水池挖方邊坡的變形破壞。

井場填方邊坡采取1∶1.0坡度進(jìn)行放坡處理，邊坡填筑完成后，施工車輛荷載（水罐基礎(chǔ)荷載加載前）及邊坡自身重力作用下，井場面及邊坡坡面出現(xiàn)側(cè)向變形和沉降變形。側(cè)向變形主要表現(xiàn)在井場面臨空側(cè)出現(xiàn)緩慢的蠕動變形，以拉裂變形為主，拉裂縫集中分布在水罐基礎(chǔ)臨空一側(cè)，裂縫寬度約3～5 mm，在下側(cè)污水池開挖后裂縫有擴(kuò)展趨勢；沉降變形主要表現(xiàn)在邊坡坡面出現(xiàn)輕微鼓脹現(xiàn)象，鼓脹區(qū)域基本分布在一級填方邊坡1.5 m（自井場面以下）位置處，見圖6。

圖6 井場填方邊坡變形跡象Fig.6 Deformation signs of the fill slope

污水池挖方邊坡臨空面坡體前緣發(fā)生垮塌，垮塌深度約4 m左右，伴隨垮塌等釋能現(xiàn)象的出現(xiàn)，在原有軟弱結(jié)構(gòu)面控制下，剪切滑動面由深部逐步向地表發(fā)展，見圖7。

圖7 污水池挖方邊坡變形跡象Fig.7 Deformation signs of the excavated sewage pool

3 變形影響因素及形成機(jī)理分析

3.1 變形影響因素

（1）邊坡地層結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成

根據(jù)場區(qū)坡體物質(zhì)組成特征，殘坡積粘土層位于原始地表，性質(zhì)差，尤其是遇水后強(qiáng)度幾乎喪失。下覆強(qiáng)風(fēng)化基巖幾近粘土且呈飽水狀，在填土及井場荷載作用下，兩者極易成為潛在淺層滑帶；而中風(fēng)化基巖（含煤層軟弱夾層）在極端情況下可能成為該復(fù)合型邊坡發(fā)生滑坡的滑帶。因而，殘坡積粘土層與強(qiáng)風(fēng)化基巖控制著該邊坡淺表層坡體穩(wěn)定性，而中風(fēng)化基巖（含煤層軟弱夾層）是控制邊坡深層坡體穩(wěn)定性的重要因素之一。

（2）開挖坡腳

從邊坡物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)特征看出，邊坡存在殘坡積粘土層、強(qiáng)風(fēng)化基巖及中風(fēng)化基巖（含煤層軟弱夾層）3處軟弱夾層，這3處軟弱夾層控制著邊坡的淺層－深層的穩(wěn)定性，而受污水池開挖的影響，導(dǎo)致軟弱夾層暴露，邊坡滑動面剪出口高出地面。

填方邊坡原始地形顯示為一相對較陡的斜坡帶，滑動勢能相對較高，加之該處填方高度較大（填方高度在4.5～6.5 m左右）且上覆水罐等基礎(chǔ)荷載值較大，在其自穩(wěn)能力較差的情況下，填土自身即可發(fā)生剪切滑動變形。而下伏性質(zhì)較差的殘坡積粘土層和強(qiáng)風(fēng)化基巖，更為填方整體滑動提供了良好的附著面（滑動帶）。

以上兩大方面是控制該邊坡變形的關(guān)鍵因素［2］。當(dāng)然，由于斜坡地帶的填土厚度不一，密實(shí)程度難以很好控制，一定程度上還存在不均勻沉降影響。此外，降雨以及基巖裂隙水對邊坡土體的軟化作用也是降低其穩(wěn)定性的因素。

3.2 變形形成機(jī)理分析

根據(jù)以上分析，受污水池開挖及井場填方影響，污水池后側(cè)邊坡形成高陡挖方邊坡與填方邊坡結(jié)合的復(fù)合型邊坡。邊坡在填土荷載及井場面水罐等基礎(chǔ)荷載作用下，邊坡滑動勢能較大，加之邊坡存在多處軟弱夾層，勢必造成填土沿軟弱帶（面）滑動的趨勢，其機(jī)理為牽引式的變形［2］。

4 邊坡穩(wěn)定性及下滑推力計算

4.1 邊坡穩(wěn)定性計算

極限平衡法是規(guī)范推薦的滑坡穩(wěn)定性分析計算方法，采用加拿大公司開發(fā)的GeoSlope系統(tǒng)軟件中的SLOPE/W模塊，進(jìn)行穩(wěn)定性分析計算。其中M－P法為邊坡規(guī)范推薦的嚴(yán)格解法，因此，穩(wěn)定性分析以M－P法計算結(jié)果為主［3］。

本次穩(wěn)定性計算選取A－A′剖面作為計算模型，分別考慮天然、暴雨、地震3種不同工況，分水罐基礎(chǔ)荷載加載前與加載后兩種情況進(jìn)行計算。計算參數(shù)取值以力學(xué)試驗為基礎(chǔ)，結(jié)合坡體的變形破壞特征進(jìn)行反演分析［4］。針對此復(fù)合型邊坡的反演分析主要結(jié)合實(shí)際邊坡在加載前出現(xiàn)局部垮塌破壞跡象，取邊坡穩(wěn)定性系數(shù)趨于極限平衡狀態(tài)（1.05）～不穩(wěn)定狀態(tài)（＜1.0）之間進(jìn)行計算分析，最終邊坡巖土體參數(shù)取值見表1。

表1 計算綜合參數(shù)表Table 1 Calculation parameters

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011－2010）（附錄A）我國主要城鎮(zhèn)抗震設(shè)防烈度、設(shè)計基本地震加速度和設(shè)計地震分組的規(guī)定，查得犍為地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度第一組，設(shè)計基本地震加速度值0.05 g。

研究邊坡存在殘坡積粘土層、強(qiáng)風(fēng)化基巖及中風(fēng)化基巖（含煤層軟弱夾層）3處軟弱夾層，這3處軟弱夾層控制著邊坡的淺層－深層的穩(wěn)定性。該邊坡淺層坡體在天然工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)——K＝0.982，這與宏觀判斷相吻合，尤其是邊坡臨空面處出現(xiàn)的垮塌破壞跡象，在此種工況下坡體已經(jīng)處于極限平衡狀態(tài)，見圖8；在暴雨工況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)K＝0.760；在地震工況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)K＝0.911，對比加載后穩(wěn)定性計算結(jié)果，各工況下穩(wěn)定性系數(shù)受荷載影響降幅在13.7%～15.5%。

建立、健全新檔案管理制度,在完善檔案管理體系基礎(chǔ)上,使婦幼保健檔案管理工作更加規(guī)范化、專業(yè)化、制度化。在檔案管理制度中需要明確檔案管理人員職責(zé)和工作內(nèi)容的劃分,檔案交接過程中需要使檔案真實(shí)性和完整性得到保證。檔案管理人員在檔案記錄中按照規(guī)范書寫記錄,制定統(tǒng)一的檔案編號,使檔案質(zhì)量和規(guī)范性得到保證,為之后的使用、保存和管理提供方便。

圖8 邊坡淺層穩(wěn)定性計算模型及結(jié)果圖Fig.8 Stability calculation model and result of the shallow part

該邊坡深層坡體在天然工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)——K＝1.061，為進(jìn)行后期剩余下滑推力計算，對邊坡在暴雨以及地震兩種工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行計算，見圖9。在暴雨工況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)K＝0.836；在地震工況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)K＝0.932。對比加載后穩(wěn)定性計算結(jié)果，各工況下穩(wěn)定性系數(shù)受荷載影響降幅在10.6%～17.8%。計算結(jié)果表明，在后兩種工況下邊坡的安全余度更低，直接導(dǎo)致設(shè)計邊坡下滑推力增大，穩(wěn)定性計算結(jié)果見表2。

表2 邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果表Table 2 Stability coefficient calculation

4.2 邊坡下滑推力計算

（1）工程等級、計算工況和安全系數(shù)的確定

①根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》（DZ/T 0219－2006）滑坡防治工程設(shè)計安全系數(shù)推薦表，綜合確定該復(fù)合型邊坡防治工程等級為Ⅲ級。

②推力計算工況按深層坡體加載后“飽和（暴雨）工況、安全系數(shù)k＝1.20”（規(guī)范推薦1.10～1.20）計算，考慮工程重要性等級，取推薦值上限值。

圖9 邊坡深層穩(wěn)定性計算模型及結(jié)果圖Fig.9 Stability calculation model and result of the deep part

（2）計算方法及推力計算結(jié)果

在邊坡防治工程中，邊坡下滑推力的確定至關(guān)重要，應(yīng)用最廣泛的是采用傳遞系數(shù)法開展剩余下滑推力計算［5］（推力計算過程此處省略），其計算結(jié)果曲線見圖10，擬布設(shè)防治工程處穩(wěn)定性系數(shù)K＝0.709，剩余下滑力值P＝858.3 k N。根據(jù)該設(shè)計推力值進(jìn)行防治工程處治，該推力值在滑坡推力中屬于偏大值，建議采取抗滑樁進(jìn)行治理。

圖10 推力計算結(jié)果曲線圖Fig.10 Curve of thrust－force calculation results

5 邊坡的工程處治方案

針對該復(fù)合型邊坡特殊坡面形態(tài)以及下滑推力較大等特點(diǎn)，采取傳統(tǒng)擋土墻進(jìn)行支護(hù)難以滿足安全要求及治理目的，主要原因有：①邊坡高陡，按規(guī)范設(shè)計擋土墻砌筑高度不易＞6.0 m，而該邊坡高度＞8.0 m，采取擋土墻進(jìn)行支護(hù)具有安全風(fēng)險，且傳統(tǒng)擋墻結(jié)構(gòu)需占用較大空間，造成污水池有效使用面積不夠。②下滑推力達(dá)858.3 k N，按照經(jīng)驗設(shè)計判斷，對于大型擋土墻設(shè)計抗滑荷載在200 k N，無法保證邊坡穩(wěn)定性要求。

綜合安全、經(jīng)濟(jì)等因素，為保證井場污水池安全使用及邊坡在運(yùn)營期間的穩(wěn)定性，本次支擋工程選取鋼筋混凝土抗滑樁?？够瑯恫捎萌斯ね诳壮煽?，設(shè)計荷載為858.3 k N，樁截面尺寸為1.5 m×2.0 m，樁間距（中對中距）均為5.0 m，樁長14.0 m，受荷段長7 m，錨固段長7 m。假設(shè)作用在抗滑樁上的下滑推力分布形式為矩形，樁底支承條件為鉸支端。樁身內(nèi)力采用截面法分別對滑面以上及滑面以下樁體按懸臂梁和線彈性地基梁（K法）進(jìn)行內(nèi)力計算。

截止JS1井鉆井深度至4298 m時，邊坡變形跡象趨于穩(wěn)定，抗滑樁支擋效果良好。

6 結(jié)論

（1）JS1井是一口以探測頁巖氣儲層為目的層的預(yù)探井，受場地地形及井場建筑物分布影響，井場西南側(cè)與污水池交接位置處形成了復(fù)合型邊坡。

（2）復(fù)合型邊坡存在殘坡積粘土層、強(qiáng)風(fēng)化基巖及中風(fēng)化基巖（含煤層軟弱夾層）3處軟弱夾層，軟弱夾層控制著邊坡的淺層－深層的穩(wěn)定性。

（3）該邊坡變形破壞特征主要集中在井場面及邊坡坡面出現(xiàn)的側(cè)向變形（拉裂縫）和沉降變形（輕微鼓脹），尤其是開挖臨空面處的垮塌破壞，進(jìn)一步表明該邊坡淺層坡體在天然狀況下即處于極限平衡狀態(tài)－不穩(wěn)定狀態(tài)，其變形機(jī)理為牽引式滑動變形。

（4）穩(wěn)定性計算結(jié)果表明，邊坡淺層坡體在天然工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)——K＝0.982；在暴雨工況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)K＝0.760；在地震工況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)K＝0.911，對比加載后穩(wěn)定性計算結(jié)果，各工況下穩(wěn)定性系數(shù)受荷載影響降幅在13.7%～15.5%；邊坡深層坡體在天然工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)——K＝1.061；在暴雨工況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)K＝0.836；在地震工況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)K＝0.932，對比加載后穩(wěn)定性計算結(jié)果，各工況下穩(wěn)定性系數(shù)受荷載影響降幅在10.6%～17.8%。

（5）該復(fù)合型邊坡防治工程等級為Ⅲ級，推力計算工況按深層坡體加載后“飽和（暴雨）工況、安全系數(shù)k＝1.20”，采用傳遞系數(shù)法開展剩余下滑推力計算，剩余下滑力值P＝858.3 k N。

（6）結(jié)合邊坡穩(wěn)定性及下滑推力計算結(jié)果，邊坡支擋工程優(yōu)選鋼筋混凝土抗滑樁，經(jīng)實(shí)踐檢驗抗滑樁支擋工程效果良好，有效保證了井場和污水池建筑物的安全運(yùn)營。

［1］由勝利石油管理局黃河鉆井總公司鉆前公司編寫，國家能源局頒布實(shí)施.鉆機(jī)基礎(chǔ)選型（SY/T 5972－2009）［S］.北京：石油工業(yè)出版社，2009.

［2］許建聰，尚岳全.降雨作用下碎石土滑坡解體變形破壞機(jī)制研究［J］.巖土力學(xué)，2008，29（1）：106－118.

［3］陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析——原理、方法、程序［M］.北京：中國水利水電出版社，2003.

［4］李遠(yuǎn)耀，殷坤龍，柴波，等.三峽庫區(qū)滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的統(tǒng)計規(guī)律研究［J］.巖土力學(xué)，2008，29（5）：1419－1425.

［5］重慶市設(shè)計院主編，中華人民共和國建設(shè)部頒布實(shí)施.建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范（GB50330－2002）［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

STABILITY EVALUATION AND ENGINEERING MEASURES OF A WELL SITE SLOPE

Lin Ze－jun
（SINOPEC Southwest Oil ＆Gas Branch，Chengdu 610016，China）

Afill slope has occurred in the construction of JS1 well site in Leshan City.Deforms and failures have occurred at the free surfaces and supporting constructions during the sewage pool construction.Deformation mechanism and stability－affecting factors are analyzed in terms of topography，building distribution，slope characteristics and original slope structure.The limit equilibrium method is used to calculate the slope stability and the slide－thrust force.Then corresponding engineering measures are proposed to guarantee the security in the late well site and pool construction.

well site；fill slope；deformation mechanism；limit equilibrium method；stability

P624；TU457

:A

1006－4362（2012）02－0071－06

林澤?。?964－ ），男，漢族，四川武勝人，工程師，目前在中國石化西南油氣分公司從事生產(chǎn)與管理工作。

2012－03－14改回日期:2012－04－16