天然氣管道滑坡位移監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

何莎 彭星煜 吳云冬 喻建勝 宋日生

摘 要：介紹滑坡位移監(jiān)測(cè)技術(shù)相關(guān)理論，基于某天然氣管道滑坡段的環(huán)境地質(zhì)特征，結(jié)合滑坡特征、成因機(jī)制、發(fā)展趨勢(shì)及影響，分別采用精密全站儀極坐標(biāo)法和測(cè)斜儀對(duì)其實(shí)施地表位移監(jiān)測(cè)和深部位移監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，得出某天然氣管線所屬滑坡區(qū)域正處于蠕動(dòng)期，雨季活動(dòng)將更為活躍，對(duì)此提出有針對(duì)性的治理措施及建議，以保障管道的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：天然氣管道；滑坡；地表位移監(jiān)測(cè)；深部位移監(jiān)測(cè)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2016）09-0015-06

0 引 言

美國(guó)運(yùn)輸部（US DOT）1984年至2001年間天然氣輸送數(shù)據(jù)顯示[1]，地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致了8.5%的管道事故，遠(yuǎn)高于材料缺陷和腐蝕引起的事故比例。滑坡作為天然氣輸送管道地質(zhì)災(zāi)害的主要類(lèi)型之一，極大地威脅著油氣管道的運(yùn)行安全?；挛灰票O(jiān)測(cè)是通過(guò)儀器或裝置探測(cè)滑坡巖體或土體移動(dòng)的規(guī)律，得到滑坡穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)資料，預(yù)報(bào)滑坡。依據(jù)觀測(cè)資料了解和掌握滑坡的形態(tài)、規(guī)模和發(fā)展趨勢(shì)，采取相應(yīng)的處理措施實(shí)現(xiàn)對(duì)管道沿線重點(diǎn)地段崩滑災(zāi)害的監(jiān)測(cè)，從而確保管道的安全運(yùn)行[2]。

目前常用的滑坡監(jiān)測(cè)方法主要是地表位移監(jiān)測(cè)、地下深部位移監(jiān)測(cè)[3]。結(jié)合相關(guān)因素，如降雨、地下水等監(jiān)測(cè)方法，根據(jù)鉆孔深部位移監(jiān)測(cè)資料，可準(zhǔn)確地掌握滑坡滑面（帶）的位置、滑帶數(shù)目等；并根據(jù)滑坡不同部位位移速率、位移方式等的空間變化，結(jié)合地表變形破裂特征及鉆探等綜合勘察資料，分析滑坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

本文以四川盆地西南部某天然氣管線滑坡為例，采用精密全站儀極坐標(biāo)法進(jìn)行地表監(jiān)測(cè)，并采用測(cè)斜儀完成深部位移監(jiān)測(cè)[4-5]。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，提出有針對(duì)性的治理措施及建議。

1 滑坡位移監(jiān)測(cè)

滑坡位移監(jiān)測(cè)根據(jù)監(jiān)測(cè)的對(duì)象和范圍分為巖體位移監(jiān)測(cè)（包括地表位移監(jiān)測(cè)和地下位移監(jiān)測(cè)）、地下水監(jiān)測(cè)、地震和爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)等內(nèi)容。監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)所需資料如表1所示。

1.1 監(jiān)測(cè)儀器的布置

為了保證滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及有效性，堅(jiān)持監(jiān)測(cè)目的明確、重點(diǎn)突出，監(jiān)測(cè)滑坡形狀變化的全過(guò)程，儀器布置少而精，避免或減少施工干擾，監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)應(yīng)留有余地的原則，監(jiān)測(cè)儀器的合理布置就顯得尤為重要[6]，主要內(nèi)容包括：

1）大地測(cè)量變形監(jiān)測(cè)的布置；

2）表面傾斜監(jiān)測(cè)的布置；

3）地表裂縫監(jiān)測(cè)的布置；

4）深部水平位移監(jiān)測(cè)的布置；

5）沿鉆孔軸向位移監(jiān)測(cè)的布置；

6）松動(dòng)范圍監(jiān)測(cè)的布置；

7）滲流監(jiān)測(cè)布置。

1.2 地表位移監(jiān)測(cè)

在滑坡的孕育、發(fā)展和臨滑過(guò)程中，最直觀、最確切、最易捕捉的信息是地表位移和變形。國(guó)內(nèi)外對(duì)滑坡的監(jiān)測(cè)，也都是把地表位移和變形的監(jiān)測(cè)放在首位，采用的監(jiān)測(cè)手段大致可分為兩類(lèi)：

1）接觸式測(cè)量。如位移計(jì)、伸縮計(jì)等，其測(cè)量原理是用鋼絲連接在滑體上的目標(biāo)點(diǎn)和滑體外的基準(zhǔn)點(diǎn)之間。容易受氣候和環(huán)境因素的影響和擾動(dòng)，故障率較高，目前只能做一維測(cè)量。

2）非接觸測(cè)量。多沿用大地測(cè)繪儀器：如水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、紅外測(cè)距儀等。這些設(shè)備需手動(dòng)操作，無(wú)法自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)數(shù)據(jù)存貯和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，無(wú)法做到實(shí)時(shí)追蹤。最新一代的全自動(dòng)全站儀和GPS精度較高，可以自動(dòng)工作[7]。

1.3 深部位移監(jiān)測(cè)

地下深部位移監(jiān)測(cè)可準(zhǔn)確掌握正在活動(dòng)的滑坡面的位置、位移速率、滑坡帶的數(shù)目以及滑坡體隨深度的位移變化情況，為滑坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)以及防治工程設(shè)計(jì)提供第一手資料。此外，山體滑坡在多數(shù)情況下為非整體性移動(dòng)，位移首先出現(xiàn)在內(nèi)部，逐漸向上傳遞至地表。因此通過(guò)深部位移監(jiān)測(cè)對(duì)滑坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和早期預(yù)報(bào)具有實(shí)際意義。

地下深部位移監(jiān)測(cè)包括水平位移的鉆孔測(cè)斜儀法和測(cè)鉆孔軸向位移的多點(diǎn)位移計(jì)法，對(duì)邊坡和滑坡及其不同階段都可適用。對(duì)于有條件的大型邊坡和重大滑坡，大地測(cè)量和鉆孔深部位移測(cè)量可以同時(shí)采用，對(duì)于一般的邊坡和滑坡也可擇一進(jìn)行監(jiān)測(cè)。深部位移監(jiān)測(cè)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)面的出現(xiàn)，確定其位置并監(jiān)視其變化、發(fā)展。

1.4 監(jiān)測(cè)周期的確定

滑坡的形成是一個(gè)由微小變形到宏觀變形，最后形成土體整體滑動(dòng)的累積性變形過(guò)程[8]。這一過(guò)程可能是連續(xù)性的，也可能是間接性或突發(fā)性的，一般可將其分為緩慢變形、變形發(fā)展、變形加劇和急劇變形4個(gè)階段。監(jiān)測(cè)周期的確定取決于檢測(cè)準(zhǔn)確度、變形速度以及實(shí)際情況與需要。最小觀測(cè)周期的原則是2次檢測(cè)結(jié)果的差值應(yīng)體現(xiàn)邊坡的移動(dòng)，即邊坡的位移量大于2倍位移觀測(cè)中誤差。設(shè)檢測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位觀測(cè)中誤差為M，則位移中誤差為■M，設(shè)邊坡位移速度為V，檢測(cè)周期為T(mén)，則有：T·V≥2■M。

在實(shí)際工作中一般旱季可每2個(gè)月1次，雨季可每月1次，如遇滑動(dòng)加快等需要縮短周期時(shí)，要及時(shí)增加觀測(cè)次數(shù)。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某天然氣管線位于四川盆地西南部丘陵地帶，在滑坡體上的直線距離約220 m，埋深約1.2～1.5 m。該區(qū)域多年平均降雨量986～1 048 mm，最大一日降雨量206.5 mm。測(cè)區(qū)內(nèi)褶皺舒緩，壓性、壓扭性斷裂較為發(fā)育，地貌單元為構(gòu)造剝蝕中切寬谷-箱型谷丘陵地貌區(qū)，出露巖層為侏羅系沙溪廟組泥巖與厚層砂巖不等厚互層，產(chǎn)狀相對(duì)平緩，約為330°∠2°。在斜坡中下部和谷底地段分布2.0～8.0 m不等的殘坡積粉質(zhì)粘土和碎塊石土層。地勢(shì)北高南低，地表水較發(fā)達(dá)，山頭較為平整，易于蓄水，滑坡邊緣有兩條主要的支水溝。

2.2 滑坡特征與成因機(jī)制分析

該滑坡最初變形于2012年5、6月份，集中表現(xiàn)為公路下挫、滑移破壞，變形區(qū)范圍上至公路中部及左后側(cè)部分地段，下部直至林地后側(cè)坡度平緩地段，兩側(cè)直抵凸出地形（左側(cè)山嘴地段前側(cè)陡坡亦有部分滑動(dòng)并導(dǎo)致電桿歪斜），滑動(dòng)方向與坡向近于一致而主要集中于凹槽地形?；驴v向長(zhǎng)度約為15 m，橫向?qū)挾?0 m左右，平均厚度1.0 m，總體方量不足1 000 m3，屬小型推移式土質(zhì)滑坡。其變形特征以土體擠密壓實(shí)為主。圖1為滑坡剖面示意圖。

崩塌堆積成因碎塊石土體結(jié)構(gòu)屬于較為穩(wěn)定土體結(jié)構(gòu)，尤其這類(lèi)巖層產(chǎn)狀平緩、地形切割不大的丘陵區(qū)形成滑坡地質(zhì)災(zāi)害的可能性相對(duì)較小，因而區(qū)內(nèi)人類(lèi)工程成為滑坡形成重要因素，主要表現(xiàn)成以下兩個(gè)方面：

1）人工棄土的堆放，包括管線施工棄土和道路建設(shè)棄土，相對(duì)于崩塌堆積自然成因的碎塊石土結(jié)構(gòu)極為不均，且松散易遇水軟化。

2）道路加載亦為該滑坡的重要影響因素之一。

降雨是滑坡啟動(dòng)的重要誘因[9]。從地質(zhì)測(cè)繪和鉆探揭示情況來(lái)看，滑坡區(qū)處于地形和地層分布的雙重“凹槽”區(qū)（覆蓋層中間厚，兩端?。欣诘乇韰R流下滲，每逢雨季，公路內(nèi)側(cè)湍急水流向滑坡中部匯流入滲既是例證。

綜合來(lái)看，以人工堆積的物質(zhì)條件為主要內(nèi)因，以降雨的影響因素為主要外因，最終導(dǎo)致滑坡的發(fā)生。

2.3 滑坡位移監(jiān)測(cè)

根據(jù)測(cè)區(qū)的實(shí)際情況，踏勘發(fā)現(xiàn)圖2中A，B兩處離滑坡區(qū)較遠(yuǎn)，坡體穩(wěn)定，故在滑坡區(qū)共選擇6個(gè)地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中控制點(diǎn)2個(gè)，滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)4個(gè)。各觀測(cè)點(diǎn)位示意見(jiàn)圖2，滑坡位移監(jiān)測(cè)綜合布置平面如圖3所示。圖中綠色為地面監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)，紅色為地面滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)，橙色為深部位移鉆孔。

變形觀測(cè)墩地面出露1.2 m，地下埋深1.5 m，地面上1.3 m×1.3 m。均用鋼筋混凝土制作，觀測(cè)墩表面是不銹鋼強(qiáng)制對(duì)中設(shè)備，側(cè)面有嚴(yán)禁破壞的警示標(biāo)語(yǔ)和聯(lián)系電話(huà)?？梢酝瑫r(shí)滿(mǎn)足GPS和全站儀變形觀測(cè)。深部位移在地表設(shè)有專(zhuān)用保護(hù)套管，并用混凝土進(jìn)行固定保護(hù)，非專(zhuān)業(yè)工具很難破壞。以上兩種監(jiān)測(cè)設(shè)備嚴(yán)格施工，不進(jìn)行人為破壞，完全可以保證至少運(yùn)行10年以上。

1）地表位移監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析

采用全站儀極坐標(biāo)法對(duì)圖3中所選擇的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)兩個(gè)已知控制點(diǎn)的獨(dú)立坐標(biāo)，考慮儀器加、乘常數(shù)及溫度、氣壓進(jìn)行修正，進(jìn)行精確測(cè)角測(cè)距，求出各控制點(diǎn)的坐標(biāo)。

地表測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，表中A、B點(diǎn)是位于滑坡區(qū)外的穩(wěn)定的控制點(diǎn)，1～4號(hào)點(diǎn)是滑坡區(qū)內(nèi)的變形觀測(cè)點(diǎn)。將每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)間的監(jiān)測(cè)坐標(biāo)輸入CAD中，對(duì)5組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行矢量疊加，得到每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地表位移矢量圖，最后以每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第1次與第5次坐標(biāo)之間的模作為這個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總體位移變化量。1、2、3、4號(hào)點(diǎn)的變化趨勢(shì)及變化量分別見(jiàn)圖4～圖7。

在不到2個(gè)月的時(shí)間里，各點(diǎn)均有明顯下移趨勢(shì)，其中最明顯的3號(hào)點(diǎn)下移了13 mm，下降趨勢(shì)最小的4號(hào)點(diǎn)下移了8.5 mm。

2）深部位移監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析

深部位移用測(cè)斜儀檢測(cè)，在測(cè)量之前，本文通過(guò)鉆4處孔對(duì)巖芯進(jìn)行分析，幫助了解滑坡的運(yùn)行機(jī)理和穩(wěn)定性。然后在鉆孔中放置專(zhuān)門(mén)的測(cè)斜管。每個(gè)鉆孔的鉆孔深度在13 m左右。

對(duì)4個(gè)孔進(jìn)行了4個(gè)周期共計(jì)30 d的觀測(cè)，獲得的數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表3～表6。根據(jù)測(cè)斜儀測(cè)量的數(shù)據(jù)，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向位移偏移量與監(jiān)測(cè)深度如圖8所示，不難看出各個(gè)點(diǎn)在地表2 m以上均有位移，地面6 m以下基本穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生明顯的位移。地面發(fā)生位移最大的點(diǎn)是3號(hào)，位移達(dá)到6.4 mm，位移最小的是1號(hào)點(diǎn)，只有0.55 mm的位移。

3 結(jié)果與討論

地表位移和深部位移測(cè)量的機(jī)理完全不同，但是地表監(jiān)測(cè)和地下深部位移監(jiān)測(cè)均反映該區(qū)域確實(shí)存在滑坡行為，滑坡處于蠕動(dòng)期，其中：

1）地表位移監(jiān)測(cè)各點(diǎn)均有明顯下移趨勢(shì)，其中最大的3號(hào)點(diǎn)下移了13 mm，最小的4號(hào)點(diǎn)下移了8.5 mm。

2）深部位移監(jiān)測(cè)各個(gè)點(diǎn)在地表2 m以上均有位移，地面6 m以下基本穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生明顯的位移。地面發(fā)生位移最大的點(diǎn)是3號(hào)，位移達(dá)到6.4 mm，位移最小的是1號(hào)點(diǎn)，只有0.55 mm的位移。

值得注意的是，本文中所得到的地表、深部位移結(jié)果均發(fā)生在短短一個(gè)月的時(shí)間段內(nèi)，且該時(shí)間短內(nèi)該地區(qū)未出現(xiàn)大型降雨。如果是在夏季多雨季節(jié)，活動(dòng)還會(huì)更加活躍。為了管線的安全運(yùn)營(yíng)，應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行治理。

綜合該滑坡的成因機(jī)制分析和初步的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，一者要強(qiáng)調(diào)治理的緊迫性，二者要強(qiáng)調(diào)治理方案的針對(duì)性：

1）緊迫性主要基于其潛在危險(xiǎn)巨大，以及受后期雨季影響變形速率的加快。

2）治理方案的針對(duì)性主要在于兩方面：

①有效阻止外因影響，減少降雨不利作用，合理規(guī)劃修筑截、排水溝和排水涵洞；

②以保護(hù)管線為治理目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)以加強(qiáng)管線沿線支撐抗滑為治理方案的核心，分為道路內(nèi)側(cè)的抗滑擋墻和外側(cè)抗滑支撐墩[10]。

4 結(jié)束語(yǔ)

分別采用精密全站儀極坐標(biāo)法與測(cè)斜儀對(duì)四川盆地西南某天然氣管線滑坡區(qū)域特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域最理想監(jiān)測(cè)為獲得一年為周期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)該滑坡進(jìn)行更科學(xué)合理的分析。并建議對(duì)滑坡及時(shí)進(jìn)行治理，如對(duì)滑坡區(qū)域進(jìn)行水工保護(hù)，并對(duì)各觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，檢驗(yàn)治理的效果。由于測(cè)區(qū)內(nèi)管線較長(zhǎng)，要考慮相關(guān)測(cè)繪觀測(cè)點(diǎn)設(shè)施的保護(hù)問(wèn)題，例如聘請(qǐng)巡視檢查員或者定期到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查。

參考文獻(xiàn)

[1] SAVIGNY K W， PORTER M， ENG M， et al. Geohazard risk management for the onshore pipeline industry[M].Proceedings，2005.

[2] 周平根. 滑坡監(jiān)測(cè)的指標(biāo)體系與技術(shù)方法[J]. 地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)，2004，10（1）：19-25.

[3] 范永波，侯岳峰，李世海，等. 基于地表及深部位移監(jiān)測(cè)的滑坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2013，21（6）：885-891.

[4] 唐亞明，張茂省. 滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及評(píng)述[J]. 地質(zhì)評(píng)論，2012，28（3）：533-540.

[5] 邵佩，劉白雁. 垂直鉆井工具測(cè)斜儀精確校正理論與實(shí)驗(yàn)[J]. 石油學(xué)報(bào)，2012，33（4）：692-696.

[6] 胡江，蘇懷智. 健康監(jiān)測(cè)儀器布置優(yōu)化研究綜述[J]. 水電能源科學(xué)，2011，29（7）：100-104.

[7] 胡顯明，晏鄂川. 滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的分形特性及其應(yīng)用研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（3）：570-576.

[8] 胡友健，梁新美. 關(guān)于滑坡監(jiān)測(cè)精度及復(fù)測(cè)周期的合理確定[J]. 地質(zhì)科技情報(bào)，2002，21（2）：91-93.

[9] 繆海波，殷坤龍，王功輝. 庫(kù)岸深層老滑坡間歇性復(fù)活的動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究[J]. 巖土力學(xué)，2016，37（9）：2645-2654.

[10] 龐偉軍，鄧清綠. 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)，2014，25（3）：114-121.

（編輯：莫婕）