顯石寨村管道滑坡形成機制及管道易損性評價

馮文凱，張濤，張譽瀚

（1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室（成都理工大學(xué)），成都 610059；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，焦作 450001）

1 引言

在滑坡作用下，油氣管道容易發(fā)生位移及塑性屈曲變形，甚至破壞，影響管道運行安全［1]。隨著西氣東輸工程的建設(shè)，管道完整性管理日趨完善，滑坡災(zāi)害對油氣管道的影響越來越受到關(guān)注，特別是近10年來，國內(nèi)外學(xué)者對管道與滑坡之間的相互作用做了大量研究工作，且發(fā)展迅速，如滑坡對管道的作用物理模擬試驗［2－3]、管道與巖土體的相互作用力學(xué)關(guān)系［3]及管道易損性研究［2]、管道滑坡災(zāi)害監(jiān)測方法［4]、管道滑坡風(fēng)險量化評價［5]、縱向橫向地運動對深埋管道的影響［6]、等，但就目前情況來看，國內(nèi)管道滑坡的研究尚處于起步階段，缺少系統(tǒng)的理論支撐，還需進行深入的、系統(tǒng)的探索研究。

花巴輸氣管線全長140 k m，是巴中市地區(qū)的主要天然氣供應(yīng)管道。該管線在巴中市巴州區(qū)西南部的石城鄉(xiāng)顯石寨村3社，橫向貫穿于滑坡體前緣中部。2012年7月7日，巴中市普降暴雨，使得管道前緣土體已發(fā)生垮塌，輸氣管道外露，同時管道產(chǎn)生明顯的彎曲變形，受災(zāi)管道長約77 m。為了科學(xué)合理評價管道所處坡體穩(wěn)定性狀況及后期可能遭受的風(fēng)險程度，本文通過對該滑坡的形成機制研究，結(jié)合坡面上強烈的工程活動影響分析，對滑坡的穩(wěn)定性及滑坡作用下管道的易損性進行了定量評價。

2 滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

該滑坡位于紅層構(gòu)造剝蝕地貌區(qū)，地形上為階梯狀斜坡，滑坡發(fā)育在地形相對平坦坡體中部，平均坡度約16°，兩端為高陡斜坡，坡度一般＞60°。目前，滑坡區(qū)為棄土填方平臺，其原始地形呈臺坪、臺坎相間分布，臺坪多發(fā)育水田，滑坡前緣為砂巖出露的陡崖。

2.2 地層巖性及構(gòu)造

區(qū)內(nèi)地層由白堊系蒼溪組（K1c）基巖和表層松散第四系覆蓋層組成，其中蒼溪組巖性為灰白色砂巖、紫紅色的粉砂質(zhì)泥巖組成，產(chǎn)狀為30°∠2°；表層覆蓋層為殘坡積（Qel＋dl4）的粉質(zhì)粘土和人工填筑（Qml4）的塊碎石土組成。

研究區(qū)位于巴中－儀隴－平昌蓮花狀構(gòu)造體的中心，構(gòu)造應(yīng)力相對較弱，無斷裂發(fā)育，地殼穩(wěn)定性好，滑坡區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，地震動峰值加速度為0.05 g。

2.3 水文地質(zhì)條件

調(diào)查區(qū)位于地下水的疏干區(qū)域，地下水位埋深較深，但受殘坡積的粉質(zhì)粘土阻水作用和水田積水補給，滑坡區(qū)地下水類型主要為松散層孔隙潛水，受大氣降水和人工補給。區(qū)內(nèi)地表水不發(fā)育，僅在滑坡左側(cè)發(fā)育一條季節(jié)性沖溝，在雨季，對滑體左緣有沖刷、軟化、促滑作用。

2.4 人類工程活動影響

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑坡區(qū)人類工程活動強烈。目前，坡體正在進行道路及民房建設(shè)，開挖削坡、填方堆載現(xiàn)象明顯。在后期該處坡體上修建房屋、堆放建材等勢必進一步影響滑坡的穩(wěn)定性。

3 滑坡基本特征

根據(jù)野外地面調(diào)繪，滑坡邊界主要依據(jù)變形范圍、地形地貌、巖性組成等特征圈定。坡體后緣發(fā)育填土沉降變形跡象，填土區(qū)域以外暫未發(fā)現(xiàn)明顯拉張裂縫，因此初步劃分后緣邊界以填土區(qū)邊緣為界，坡體前緣臨空，基巖出露，前緣邊界特征明顯；左側(cè)邊界基本沿原始坡體沖溝為界，右側(cè)縱貫斜坡的人工排水管道未出現(xiàn)明顯錯動破壞跡象，可作為滑坡右側(cè)邊界。平面上，滑坡體總體呈圓弧形（圖1），縱向長約45 m，橫向?qū)捈s100 m，平均厚度約5 m，主滑方向75°，坡體后緣高程515 m，前緣高程約503 m，相對高差約12 m，平均坡度約16°，滑體總量約為1.8×104m3，剖面形態(tài)呈折線狀；管道橫向于滑坡前緣通過，埋深0.6 m，向坡外已發(fā)生明顯的彎曲變形。

圖1 滑坡工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Engineering geological plan of the landslide

滑坡體物質(zhì)成分由上部的新近人工填土和下部殘坡積土組成（圖2）。其中人工填土以碎石土為主，灰黃色，松散狀，均勻性差，碎石一般呈次棱角狀，巖性以全、強風(fēng)化的砂泥巖，其中粒徑0.2～2 cm的角礫含量約35%，粒徑2～20 cm的碎石含量約45%，局部可見＞20 cm的塊石。填土區(qū)目前處于固結(jié)沉降階段，在自身壓密作用下局部發(fā)育有裂縫和沉降變形；填土下部的殘坡積粉質(zhì)粘土呈灰褐色，很濕，多呈可塑－軟塑狀，韌性中等，局部夾砂泥巖礫石，礫石呈次棱角狀，強風(fēng)化，粒徑0.2～2 cm，含量約為1%～5%，該土層厚度一般1～2 m，由于填方前該區(qū)域主要為水田作用的冷浸田，土體具有透水性差、含水量高、物理力學(xué)性質(zhì)差、易壓縮變形等特點，所以該土層為斜坡穩(wěn)定性的軟弱層。

滑床由白堊系下統(tǒng)蒼溪組（K1c）的灰白色砂巖、粉砂巖互層狀產(chǎn)出，巖層走向東南－西北向，產(chǎn)狀為30°∠2°。

圖2 主滑方向工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Profile in the main sliding direction

4 變形破壞特征及形成機制分析

4.1 變形破壞特征

現(xiàn)場測繪發(fā)現(xiàn)，坡體左右兩側(cè)受暫時性地表流水改造，變形跡象不明顯；后緣新近填土在自身固結(jié)沉降作用下產(chǎn)生塌陷破壞，發(fā)育有弧形裂縫（圖3），裂縫長度約1～2.5 m，寬度約1～3 cm，可見深度約3～5 cm，但裂縫并未貫通；坡體前緣變形破壞跡象明顯，2012年7月7日，坡體前緣土體在暴雨作用下，發(fā)生的大規(guī)?？逅?、樹木傾倒，垮塌長度約77 m，寬度約5 m，平均下錯深度約30 cm，垮塌土方量約為100 m3，導(dǎo)致花巴輸氣管線出露，在地滑力作用下管道發(fā)生明顯彎曲變形（圖4）。從管道的彎曲變形可知，坡體有明顯向前滑移的趨勢。

4.2 控制因素分析

（1）地形條件

坡體前緣為高陡懸崖，為斜坡失穩(wěn)提供了良好的臨空條件。

（2）巖土物質(zhì)組成

圖3 后緣沉降裂縫Fig.3 Settlement cracks at the trailing edge

滑體上部的人工填土具有均勻性差、密實度低、孔隙度大、厚度大、浸水軟化強烈等特征，目前主要以沉降固結(jié)為主，兼有一定的側(cè)向變形。下伏的粉質(zhì)粘土在長期水田浸泡下，具有高含水量、弱透水性、物理力學(xué)性質(zhì)較差、抗剪強度低等特點。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在原始坡體進行填方時并未對該層粉質(zhì)粘土層進行任何工程處理，因此，原始斜坡坡表的耕植土與殘坡積粉質(zhì)粘土是控制斜坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵，在暴雨和加載的進一步作用下，填方邊坡可沿該層土體發(fā)生滑動。

圖4 前緣輸氣管道彎曲變形Fig.4 Pipeline bending at the leading edge

（3）填方加載作用

由于場區(qū)原始地形為多級平臺，填方區(qū)土體在其自穩(wěn)能力較差的情況下，自身即可發(fā)生沿內(nèi)部軟弱面剪切滑動變形，加之該處最大填方高度達7～8 m左右，增大了坡體后方荷載，坡體滑動勢能相對較高，而下伏性質(zhì)較差的原始殘坡積土，更為填方整體滑動提供了良好的附著面（滑動帶），因此填方土體加載作用則是導(dǎo)致此次垮塌破壞產(chǎn)生的重要因素。

（4）降雨

降雨對坡體穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在以下兩方面：一是暫時性地表水流沿坡體兩側(cè)沖溝，對坡體進行下蝕沖刷，降低坡體兩側(cè)的抗剪性能；二是降雨下滲至粉質(zhì)粘土層時，受該層土體阻水作用，地下水由垂直下滲變?yōu)檠赝翆觽?cè)向徑流，徑流過程中對土體有軟化、促滑作用。因此，應(yīng)高度重視降雨對滑坡的影響。

4.3 形成機制分析

坡體前緣良好的臨空條件和可塑－軟塑狀粉質(zhì)粘土形成的軟弱層，是坡體失穩(wěn)的必要條件。后期，在原始坡面上直接進行的棄土填方工程，增加了斜坡坡體的下滑力，是誘發(fā)坡體失穩(wěn)的主要因素。此外，受坡體后緣公路修筑工程活動影響，特別是公路兩側(cè)的排水不暢（調(diào)查期間公路排水溝水體直接下滲至坡體內(nèi)），導(dǎo)致原狀土進一步飽和，抗剪強度進一步降低，使得整個坡體穩(wěn)定性不斷降低。

目前，坡體在填土加載作用下，前緣臨空面土體已出現(xiàn)垮塌破壞，屬于局部失穩(wěn)破壞；管道的明顯彎曲變形跡象證明管道后側(cè)坡體對其有一定的擠壓作用，但其后方填土未見明顯貫通拉張裂縫，管道后側(cè)的原始稻田也未見明顯鼓脹，說明堆積體滑坡目前整體處于蠕滑變形階段。

5 變形趨勢分析及易損性評價

5.1 斜坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析評價

目前斜坡處于蠕動變形階段，由于填方平臺目前為規(guī)劃中的新農(nóng)村建設(shè)用地，后期必然會引起坡面荷載增加，加快斜坡的蠕動變形速度，甚至坡體失穩(wěn)破壞，影響輸氣管道和坡體上居民安全。為準確評價該斜坡對居民生活和輸氣管道安全的影響，分析現(xiàn)今坡體穩(wěn)定性和加載后坡體穩(wěn)定性顯得十分必要。

（1）計算模型及參數(shù)選取

結(jié)合滑坡變形破壞現(xiàn)狀及人類工程活動影響，選取縱剖面1－1′為計算剖面，分別建立滑坡在無荷載條件下和工程加載后的計算模型。依據(jù)極限平衡理論，結(jié)合Geo－slope模擬軟件，分別計算兩種模型在天然、暴雨、地震等工況下的穩(wěn)定性。

在填方平臺上規(guī)劃建設(shè)2層樓房，磚混結(jié)構(gòu)，單層高3.5 m，依據(jù)工程經(jīng)驗，假設(shè)工程建成后，地基所受均布荷載P0＝25 k Pa。

通過工程類比和參數(shù)反演，綜合確定巖土體的物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters for the soil and rock of the landslide

（2）穩(wěn)定性計算及分析

Sl ope模塊對兩種模型的計算結(jié)果見表2，結(jié)果表明在無荷載情況下，坡體在天然、地震工況下穩(wěn)定性系數(shù)k＞1.15，處于穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生滑動的可能性小，在暴雨工況下穩(wěn)定性系數(shù)k＝1.078，坡體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，目前坡體前緣未見鼓脹裂縫和剪裂縫等標(biāo)志性變形跡象，從管道明顯彎曲變形現(xiàn)象來看，坡體處于蠕滑變形階段，整體發(fā)生滑動的可能性不大，總體上較吻合。但模擬后期新農(nóng)村建設(shè)后，坡面受建筑荷載作用，在暴雨工況下，其穩(wěn)定性系數(shù)降低1.048，坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

5.2 管道易損性評價

（1）基本原理

根據(jù)相關(guān)規(guī)范［6]要求“管道及管件的永久荷載、可變荷載所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力之和，不應(yīng)超過鋼管的最低屈服強度的80%，但不得將地震作用和風(fēng)荷載同時計入”。因此引入易損性系數(shù)K：

其中，σa為管道在內(nèi)外荷載作用下的縱向應(yīng)力之和，包括管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力、溫度變化引起的軸向應(yīng)力，以及外荷載作用的軸向附加應(yīng)力?？紤]到管體溫度變化產(chǎn)生的軸向應(yīng)力較小，本文計算中忽略其對易損性系數(shù)K的影響，有：

式中，σa為管道縱向應(yīng)力之和（MPa）；σs為管道最低屈服強度（MPa）；σh為由內(nèi)壓引起的管道環(huán)向應(yīng)力（MPa），σh＝0.72σs；μ為波松比，對受土體約束的管道，取0.3；σe附為管道所受最大附加軸向應(yīng)力。

其中管道的最小屈服強度（σs）根據(jù)管線的材質(zhì)為L245型，取值245 MPa；管道的最大附加軸向應(yīng)力（σe附）利用穩(wěn)定性折減法［1]確定：

式中，k0為不同穩(wěn)定狀態(tài)下管道應(yīng)力變化系數(shù)，k0＝1.030k－11.846；KP為原型修正系數(shù)，取3.95×10－6；C幾何、λ為幾何相似系數(shù)和應(yīng)力相似系數(shù)，分別取值0.045 7和1.704；L、B、Hh、Hm為實際滑坡的長、寬、滑體厚度及管道埋深。

表3 管道易損性計算結(jié)果統(tǒng)計表Table 3 Calculations of the pipeline＇s vulnerability

（2）易損性評價

把滑坡特征相關(guān)參數(shù)代入式中進行計算，計算結(jié)果如表3所示。計算結(jié)果表明，在目前無荷載天然、地震工況下，管道的易損性系數(shù)遠小于1，管道可安全運營，但在暴雨條件下，易損性系數(shù)K＞1，且管道總的軸向應(yīng)力σa＝290.471 MPa＞245 MPa＝σs，說明管道在暴雨工況下具高易損性。結(jié)合現(xiàn)場管道反生的明顯彎曲變形來看，雖然管道保持著完整無破裂狀態(tài)，但已達到管道的屈服極限，在暴雨的不利條件下可能發(fā)生災(zāi)難性事故，特別是在工程建設(shè)后，坡體上覆荷載增加，更是提高了管道的易損性。因此，該處管道滑坡應(yīng)盡早進行工程處理措施。

6 結(jié)論及建議

（1）該管道滑坡是由于工程加載、暴雨誘發(fā)的推移式滑坡，目前處于蠕滑變形階段。

（2）對滑坡的形成機制分析及穩(wěn)定性計算得出，滑坡在新農(nóng)村建設(shè)再次堆載后的暴雨、地震工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。目前，在暴雨工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）對管道在滑坡條件下的易損性定量評價結(jié)果表明，目前輸氣管道處于屈服極限狀態(tài)，具高易損性，極易在后期發(fā)生破裂。

（4）考慮到管道目前的變形破壞狀態(tài)及滑坡體后期的工程建設(shè)影響，建議對該段管線進行改線，同時建議在管道內(nèi)側(cè)開挖應(yīng)力消減溝的應(yīng)急措施。

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