甘肅長(zhǎng)輸管道某滑坡災(zāi)害綜合分析及治理研究

黃鵬

(中石油西南管道公司蘭州輸油氣分公司，蘭州　730060)

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甘肅長(zhǎng)輸管道某滑坡災(zāi)害綜合分析及治理研究

黃鵬

(中石油西南管道公司蘭州輸油氣分公司，蘭州730060)

摘要：長(zhǎng)輸管道是國(guó)家重大生命線工程，滑坡災(zāi)害可能導(dǎo)致長(zhǎng)輸管道變形、拉裂、斷裂等破壞，對(duì)滑坡成災(zāi)機(jī)理綜合分析和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是滑坡災(zāi)害治理的前提。本文以甘肅地區(qū)長(zhǎng)輸管道的某滑坡體為研究對(duì)象，調(diào)查分析地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)地層和地震氣候情況，采用因果分析的魚刺分析法從物、環(huán)境、人三個(gè)要素對(duì)滑坡成災(zāi)機(jī)理進(jìn)行分析，并采用傳遞系數(shù)法對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。基于滑坡災(zāi)害的綜合分析成果，從防護(hù)、施工、環(huán)保和投資四個(gè)方面比較選定抗滑樁板墻災(zāi)害治理方案，治理實(shí)施效果良好。研究成果為類似線性工程的滑坡災(zāi)害分析和治理提供參考。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)輸管道；滑坡災(zāi)害；成災(zāi)機(jī)理；穩(wěn)定性；災(zāi)害治理

長(zhǎng)輸管道作為國(guó)家重大生命線工程，擔(dān)負(fù)著油、氣等資源的主要輸送任務(wù)，因其穿越地質(zhì)區(qū)域、地形構(gòu)造、氣候環(huán)境復(fù)雜多變，沿線的地質(zhì)災(zāi)害對(duì)長(zhǎng)輸管道安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生巨大威脅。地質(zhì)災(zāi)害根據(jù)成因劃分為地殼內(nèi)部構(gòu)造作用、地殼外部構(gòu)造作用和特殊土體導(dǎo)致的三大類地質(zhì)災(zāi)害[1,2]。屬于地殼外部構(gòu)造作用的崩塌、滑坡、泥石流等重力式斜坡災(zāi)害，發(fā)生時(shí)管道因承受運(yùn)動(dòng)物質(zhì)的巨大拖曳力，可能發(fā)生管道彎曲變形、拉裂甚至整體斷裂等破壞[3]。其中滑坡災(zāi)害作為常見的危害較大的地質(zhì)災(zāi)害，成災(zāi)因素包括地質(zhì)、地層、地形、降水、地震和人為等因素，對(duì)滑坡災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理、穩(wěn)定性和治理措施等方面的研究，是國(guó)內(nèi)外研究的重要的地質(zhì)工程問題[4,5]。

本文針對(duì)某長(zhǎng)輸管道在甘肅地區(qū)穿越的某滑坡體實(shí)例，在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、勘查測(cè)量、巖土試驗(yàn)等工作基礎(chǔ)上，對(duì)該滑坡體的成災(zāi)機(jī)理、穩(wěn)定性和防治措施進(jìn)行綜合分析和探討，為類似線性工程滑坡地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查研究、分析評(píng)價(jià)和綜合治理提供參考。

1滑坡災(zāi)害調(diào)查

1.1滑坡概況

受2013年“7.22”岷縣地震及連續(xù)降雨影響，甘肅地區(qū)某長(zhǎng)輸輸油管道局部段發(fā)生了滑坡。在盤山公路外側(cè)形成了垂直管道方向的滑坡體，根據(jù)滑坡發(fā)育的特征，該滑坡可分為兩個(gè)滑坡體1#滑坡體和2#滑坡體，滑坡全貌見現(xiàn)場(chǎng)照片圖(圖1)。長(zhǎng)輸管道穿越1#滑坡體中上部，該滑坡嚴(yán)重威脅長(zhǎng)輸管道安全運(yùn)營(yíng)，本文對(duì)1#滑坡體進(jìn)行重點(diǎn)分析研究。

1#滑坡面積為1 550 m2，為淺層堆積層推移式滑坡，主滑方向?yàn)镹9°E，縱軸長(zhǎng)49 m，前緣寬29 m，中部最寬處45 m，后部寬25 m，滑體厚度2～7 m，滑坡體積約0.9×104m3，該滑坡具有明顯的整體變形、滑動(dòng)特征和較明顯的剪出口。

圖1　滑坡現(xiàn)場(chǎng)照片

1.2地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查

據(jù)調(diào)查滑坡區(qū)域位于大地構(gòu)造分區(qū)的秦嶺褶皺系的禮縣-柞水冒地槽褶皺帶(Ⅲ-2)，詳見區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖(圖2)。秦嶺褶皺系是一個(gè)古生代以來(lái)中國(guó)地臺(tái)上裂陷下沉后再生的地槽帶，歷經(jīng)加里東、海西和印支運(yùn)動(dòng)，于印支運(yùn)動(dòng)最終回返，為一個(gè)多旋回褶皺系。褶皺構(gòu)造是斜坡形成的先決條件之一。

Ⅱ.祁連褶皺系；Ⅱ-1.走廊過渡帶；Ⅱ-2.北祁連優(yōu)地槽褶皺帶；Ⅱ-3.祁連中間隆起帶；Ⅱ-4.南祁連褶皺帶；Ⅲ.秦嶺褶皺系；Ⅲ-1.南秦嶺冒地槽褶皺帶；Ⅲ-2.禮縣-柞水冒地槽褶皺帶；Ⅲ-3.北秦嶺褶皺帶圖2　 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖

Q.第四系;N.第三系(中新統(tǒng)+上新統(tǒng));R.第三系(古新統(tǒng)-始新統(tǒng)+漸新統(tǒng));K.白堊系;J.侏羅系;T.三疊系;P.二疊系;Pz.前志留系;Pt.元古宇圖3　區(qū)域地質(zhì)圖

1.3地質(zhì)地層分析

滑坡體位于甘肅省東南部武山縣，該區(qū)域地處秦嶺山地北坡西段與隴中黃土高原西南邊緣復(fù)合地帶，黃河一級(jí)支流渭河的上游，區(qū)域地質(zhì)圖見圖3。區(qū)域出露的巖性地層為白堊系上統(tǒng)(K2m)，主要為紫紅色含礫砂巖、砂礫巖夾細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，傾向220°，傾角20°?；麦w為覆蓋的第四系更新統(tǒng)(Q2-3)，巖性為淺色粉土質(zhì)亞粘土，含鈣質(zhì)結(jié)核，底部有砂礫層，結(jié)構(gòu)疏松，具大孔隙，垂直節(jié)理裂隙發(fā)育，透水性強(qiáng)。

滑坡體斜坡受基巖傾角影響較小，其形成主因?yàn)榈谒南刀逊e、沖積作用。第四系更新統(tǒng)(Q2-3)的疏松結(jié)構(gòu)且透水性強(qiáng)，其斜坡抗剪強(qiáng)度低，有利于滑坡的發(fā)育。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，滑坡地層主要為粉質(zhì)粘土和礫類土，滑床位于砂礫巖強(qiáng)風(fēng)化殼中，圖4為滑坡地質(zhì)斷面圖。粉質(zhì)粘土和礫類土土體結(jié)構(gòu)較松散，內(nèi)聚力較低，滲透性較強(qiáng)，雨水易于下滲；砂礫巖強(qiáng)風(fēng)化層巖性較軟弱，抗剪強(qiáng)度低，易形成軟弱結(jié)構(gòu)面。上部土層和下部強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖之間的接觸帶成為相對(duì)軟弱的層面，這種地層性質(zhì)上的差異和軟弱接觸面的形成，是滑坡形成的一個(gè)內(nèi)在因素。

1.4地震和氣候

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2001)確定，該地區(qū)地震烈度為8度，地震動(dòng)峰值加速度系數(shù)為0.20；地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.45 s?；聟^(qū)域處于天水-蘭州東西向地震帶，地震背景復(fù)雜，活動(dòng)頻繁，多次遭受中強(qiáng)地震的破壞，中強(qiáng)破壞性地震多發(fā)生在甘谷、武山、天水等地。影響較大的有2008年“5.12”汶川地震，2013年“7.22”岷縣地震。地震頻發(fā)導(dǎo)致軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，粘結(jié)力減弱，促使斜坡體發(fā)生滑坡。

該地區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年降水量500 mm左右，降水集中在7月和8月。

圖4　滑坡地質(zhì)斷面圖

2滑坡成災(zāi)機(jī)理分析

本文采用因果分析的魚刺圖分析法[6-8]，從物、環(huán)境、人三個(gè)要素對(duì)滑坡成災(zāi)機(jī)理進(jìn)行分析，繪制的魚刺圖(圖5)能表達(dá)滑坡災(zāi)害的因果脈絡(luò)。成災(zāi)機(jī)理分為三級(jí)因素，一級(jí)因素包括A物、B環(huán)境和C人三個(gè)方面因素，二級(jí)因素包括地形、地層、構(gòu)造等12個(gè)因素，三級(jí)因素是對(duì)二級(jí)因素的細(xì)分，表1為成災(zāi)機(jī)理因素對(duì)照表。從魚刺圖因果分析結(jié)果可推知，A物的因素主要為滑坡的內(nèi)在因素，部分因素是可以通過措施改善的；B環(huán)境的因素主要為外部環(huán)境因素，部分因素是可以通過措施改善；C人的因素主要為人為外部因素，通過措施可以完全改善。

圖5　滑坡災(zāi)害魚刺分析圖

3滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1滑坡穩(wěn)定性計(jì)算

滑坡穩(wěn)定性計(jì)算采用傳遞系數(shù)法(折線滑動(dòng)法)進(jìn)行計(jì)算[9-12]。本次計(jì)算共選取了3條縱剖面(1條主滑剖面和2條輔助縱剖面)分別建立計(jì)算模型，圖6為主滑剖面計(jì)算模型。

根據(jù)折線滑動(dòng)傳遞系數(shù)法計(jì)算公式，穩(wěn)定性系數(shù)表示如下：

表1　成災(zāi)機(jī)理因素對(duì)照表

圖6　主滑剖面計(jì)算模型

(1)

式中,Ti為第i條塊的下滑力(kN)：Ti=(Wi1+Wi2)sinθi+Dicos(αi-θi)；Ri為第i塊的抗滑力(kN):Ri=((Wi1+Wi2)cosθi+Disin(αi-θi))tanφi+ciLi；Di為滲透壓力(kN):Di=γWhWLisinαicosθi；ψi為推力傳遞系數(shù)：ψi-1=cos(θi-1-θi)-sin(θi-1-θi)tanφi；γW為水的容重(kN/m3)；γ為巖土體的天然容重(kN/m3)；γ′為巖土體的浮容重(kN/m3)；Viu為第i計(jì)算條塊單位寬度巖土體的水位線以上的體積(m3/m)；Vid為第i計(jì)算條塊單位寬度巖土體的水位線以下的體積(m3/m)；Wi1為第i條塊水位線以上天然重量(kN/m):Wi1=γViu；Wi2為第i條塊水位線以下的浮重度(kN/m): Wi2= γ'Vid；θi為第i計(jì)算條塊地面傾角(°)，反傾時(shí)取負(fù)值；αi為第i計(jì)算條塊地下水流線平均傾角，一般情況下取侵潤(rùn)線傾角與滑面傾角平均值(°)，反傾時(shí)取負(fù)值；li為第i計(jì)算條塊滑動(dòng)面長(zhǎng)度 (m)；ci為第i計(jì)算條塊滑動(dòng)面上巖土體的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；φi為第i計(jì)算條塊滑帶土的內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值(°)。

滑帶土天然容重按室內(nèi)試驗(yàn)取值18.5 kN/m3，飽和容重通過干容重和孔隙率換算取值19.6 kN/m3。從土體天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)兩個(gè)工況對(duì)滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值進(jìn)行反演分析。

(1) 滑帶土天然狀態(tài)

滑帶土在天然狀態(tài)為暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)取Fs=1.05，天然容重為18.5的粉質(zhì)粘土其經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算范圍c值取8～19 kPa，φ值取14°～19°，選取此時(shí)滑帶土對(duì)應(yīng)的c、φ值分別為c=11 kPa，φ=14°，作為天然狀態(tài)抗剪強(qiáng)度反演值，反演分析成果見表2。

表2　滑帶土天然狀態(tài)c、φ值反演分析成果表

注：反演穩(wěn)定系數(shù)取1.05，當(dāng)c取14及>14時(shí)，反演值計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)均>1.1，故其后不再進(jìn)行反演。

(2) 滑帶土飽和狀態(tài)

滑帶土在連續(xù)暴雨時(shí)為臨界狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)取Fs=1.0，經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算范圍c值取4～16 kPa，φ值取12°～18°，選取此時(shí)滑帶土對(duì)應(yīng)的c、φ值分別為c=10 kPa，φ=14°作為飽和狀態(tài)抗剪強(qiáng)度反演值，反演分析成果見表3。

表3　滑帶土飽和狀態(tài)c、φ值反演分析成果表

注：反演穩(wěn)定系數(shù)取1.0。

(3)c、φ值的確定

滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ參考快剪試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)值、工程類比值和反演值并適當(dāng)降低，取值結(jié)果見表4。

3.2滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0 218-2006)，結(jié)合滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果對(duì)滑坡穩(wěn)定進(jìn)行評(píng)價(jià)，滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)見表5。結(jié)果表明3個(gè)計(jì)算模型的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的結(jié)果一致：在自然工況下，滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

表4　滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值表

4滑坡災(zāi)害治理

4.1常用治理措施

目前常用的滑坡災(zāi)害治理措施包括植物護(hù)坡、擋墻、抗滑樁、削坡、截排水工程等[13-15]，其說明及作用見表6。

表5　滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)表

表6　常用滑坡災(zāi)害治理措施一覽表

4.2治理方案比選

基于對(duì)滑坡災(zāi)害調(diào)查、成災(zāi)機(jī)理分析和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，初步提出兩套治理方案，并從防護(hù)、施工、環(huán)保、投資四個(gè)方面對(duì)方案比選分析，詳見表7。

方案1——抗滑樁板墻治理方案：治理工程位于滑坡的中上部，抗滑樁布設(shè)于管道下方5～8 m，共計(jì)9根抗滑樁，其中1#～4#樁和8#～9#樁間距為6 m，4#～8#樁間距為5 m。

方案2——抗滑擋土墻方案：治理工程位于滑坡的下部靠近剪出口位置8 m處，共一道抗滑擋墻，長(zhǎng)48 m，頂寬3 m，墻身高6 m，基礎(chǔ)3 m，基礎(chǔ)底寬5.35 m。

表7　滑坡災(zāi)害治理方案比選表

由上表可知，方案1較方案2在施工、環(huán)保、投資方面具有較大優(yōu)勢(shì)，優(yōu)先選用方案1。

4.3其他措施

方案1確定了主要治理措施，其主要功能是對(duì)滑床進(jìn)行穩(wěn)固。根據(jù)魚刺圖因果分析成果，其他措施還包括加強(qiáng)植物護(hù)坡、增加防排水工程、增設(shè)排滲管、限制重車通行、定期人工巡查或監(jiān)測(cè)、斜坡降坡措施等。

本滑坡治理工程于2014年7月完工，通過長(zhǎng)期觀察和監(jiān)測(cè)，滑坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)，治理效果良好。

5結(jié)論

長(zhǎng)輸管道沿線的地質(zhì)災(zāi)害對(duì)管道安全運(yùn)營(yíng)威脅巨大，本文選取了甘肅地區(qū)的長(zhǎng)輸管道穿越的某滑坡地質(zhì)災(zāi)害為研究對(duì)象，探討類似地質(zhì)災(zāi)害的綜合分析和治理措施方法，取得如下研究成果：

(1) 對(duì)地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)情況、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)地層、地震氣候等全面調(diào)查分析，是滑坡災(zāi)害治理的前提。

(2) 采用因果分析魚刺圖從物、環(huán)境、人三個(gè)因素對(duì)滑坡成災(zāi)機(jī)理進(jìn)行分析，區(qū)分內(nèi)因和外因，明確可改善的因素。

(3) 采用傳遞系數(shù)法對(duì)滑坡災(zāi)害進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，借助反演分析結(jié)果確定滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)，評(píng)價(jià)滑坡在自然和暴雨工況下穩(wěn)定性。

(4) 基于滑坡災(zāi)害的綜合分析成果，從防護(hù)、施工、環(huán)保和投資四個(gè)方面比較選定抗滑樁板墻災(zāi)害治理方案，結(jié)合其他治理措施進(jìn)行災(zāi)害治理，實(shí)際效果良好。

參考文獻(xiàn)

[1]龐偉軍,鄧清祿.地質(zhì)災(zāi)害對(duì)輸氣管道的危害及防護(hù)措施[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2014,5(3):114-120.

[2]王其磊.長(zhǎng)輸管道地質(zhì)災(zāi)害定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)研究[D].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京),2012.

[3]帥健,王曉霖,左尚志.地質(zhì)災(zāi)害作用下管道的破壞行為與防護(hù)對(duì)策[J].焊管,2008,31(5):9-15.

[4]張倬元,滑坡防治工程的現(xiàn)狀與發(fā)展展望[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2000,11(6):89-97.

[5]趙忠剛,姚安林,趙學(xué)芬,等.長(zhǎng)輸管道地質(zhì)災(zāi)害的類型、防控措施和預(yù)測(cè)方法[J].石油工程建設(shè),2006,32(1):7-12.

[6]余虹.魚骨圖分析法在節(jié)能評(píng)估中的應(yīng)用[D].華中科技大學(xué),2011.

[7]張秀華.因果(魚刺)圖分析法在安全預(yù)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].機(jī)械管理開發(fā),2014,29(5):63-65.

[8]鄭照寧,武玉英,包涵齡.用魚骨圖與層次分析法結(jié)合進(jìn)行企業(yè)診斷[J].中國(guó)軟科學(xué),2001,(1):118-121.

[9]胡修文,唐輝明,劉佑榮.傳遞系數(shù)法的模型試驗(yàn)驗(yàn)證[J].巖土力學(xué),2005,26(1):63-66.

[10]蘇愛軍,馮明權(quán).滑坡穩(wěn)定性傳遞系數(shù)計(jì)算法的改進(jìn)[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2002,13(3):51-55.

[11]張仲福,侯云龍.蘭鄭長(zhǎng)輸油管道甘肅段黃土滑坡成因分析及其防治對(duì)策[J].地下水,2011，33(7)：66-68.

[12]盛海洋，李紅旗.我國(guó)滑坡、崩塌的區(qū)域特征、成因分析及其防御[J].水土保持研究，2004，11(3):208-210.

[13]王小俊,鄧梓玲,等,油氣輸送管道敷設(shè)的滑坡防治措施與應(yīng)用[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2006,3(4):116-118.

[14]方慶銀,李銀洲,等.滑坡治理工程程序及方法淺析[J].華南地質(zhì)與礦產(chǎn),2009,(3):72-76.

ANALYSIS AND GOVERNANCE OF A LANDSLIDE IN GANSU PIPELINE COMPREHENSIVE DISASTER

HUANG Peng

(PetroChina Southwest Pipeline Company Lanzhou Branch of Oil and Gas Transmission,Lanzhou730060,China)

Abstract:Pipeline is a major national lifeline engineering, landslide hazard may cause long-distance pipeline deformation, crack, fracture and other damage, comprehensive analysis and evaluation of the stability mechanism is a prerequisite for landslide disaster of landslide hazard. Taking a landslide in Gansu province long-distance pipeline for the study, Taking a landslide in Gansu province long-distance pipeline for the study, investigation and analysis of geological structure, geological and seismic stratigraphy climatic conditions, the use of causal analysis of fishbone analysis from material, environment, human three elements of the mechanism of landslide disaster analysis, and the use of transfer coefficient method on landslide stability evaluation. Based on the results of a comprehensive analysis of landslide disasters from protection, construction, environmental protection and investment in four anti-slide Piles Compare Selected disaster management program, the implementation of governance to good effect. Similar research is landslide hazard analysis and control of linear engineering reference.

Key words：pipeline; landslide disaster; disaster mechanism; stability; disaster treatment

文章編號(hào)：1006-4362(2016)02-0019-07

收稿日期：2016-03-01改回日期：2016-04-25

基金項(xiàng)目：甘肅省科學(xué)院青年科技創(chuàng)新基金(2013QN-12)

中圖分類號(hào)：P642;P642.22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：黃鵬(1975-)，男，甘肅白銀人，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣こ坦芾?。E-mail:fengdediaolin@163.com