油氣管道穿越邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)

許 晨，李 明，林其明

1中國(guó)石油管道局工程有限公司國(guó)際事業(yè)部，河北 廊坊

2中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

3國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)廣東省管網(wǎng)有限公司，廣東 廣州

1. 引言

我國(guó)西南各省山區(qū)、西北黃土高原、中南和東南各省山區(qū)和丘陵眾多，地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜多樣，滑坡廣泛分布，是世界上滑坡災(zāi)害最發(fā)育、危害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。長(zhǎng)輸油氣管道站場(chǎng)多、線長(zhǎng)、面廣，受場(chǎng)地限制等因素，油氣管道建設(shè)有時(shí)必須要穿越這些滑坡體，不可避免地受到滑坡災(zāi)害的威脅。當(dāng)滑坡體穩(wěn)定性發(fā)生破壞時(shí)，坡體滑動(dòng)便會(huì)管道安全造成威脅，輕則會(huì)造成管道的變形和斷裂，重則會(huì)造成火災(zāi)和爆炸。

據(jù)統(tǒng)計(jì)西氣東輸建設(shè)中沿線存在滑坡155 處，西氣東輸二線龍崗西峽支干線存在滑坡136 處，忠武輸氣管道沿線有滑坡34 處，澀寧蘭輸氣管道沿線存在滑坡13 處，基本上所有長(zhǎng)距離輸送油氣管道建設(shè)都會(huì)遇到滑坡災(zāi)害的威脅[1] [2]。2011 年陜京一線郝家寨閥室附近由于土體移動(dòng)導(dǎo)致管道屈曲失效。忠武輸氣管道忠縣到宜昌409 km 山區(qū)段和蘭成渝管道隴西黃土高原段、秦巴山區(qū)段均是滑坡災(zāi)害密集發(fā)育區(qū)，經(jīng)過(guò)多年治理滑坡防治工作仍然繁重。2007 年地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查顯示，這兩條管道在新編錄的滑坡災(zāi)害仍有140 余處，這些滑坡對(duì)管道有不同程度的危害。2020 年8 月，川氣東送管道所經(jīng)過(guò)的恩施地區(qū)屯堡鎮(zhèn)馬者村沙子壩發(fā)生大面積山體滑坡，威脅川氣東送管道安全。

當(dāng)管道穿越邊坡坡體時(shí)，首先需要對(duì)體坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，穩(wěn)定性評(píng)估結(jié)果作為管道受地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的初始條件，若坡體強(qiáng)度儲(chǔ)備不足、不夠穩(wěn)定時(shí)需要采取相應(yīng)的措施，油氣管道穿越邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)可為管道安全建設(shè)和運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)的依據(jù)[3] [4]。

2. 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)邊坡穩(wěn)定性的研究起步較早，1915 年，瑞典Petterson K. E.提出以劃分若干豎向土條為基礎(chǔ)，不考慮土坡粘聚力，只考慮摩擦力的圓弧滑動(dòng)分析法，即瑞典條分法；1926 年Fellenius 在原有的瑞典圓弧法上進(jìn)行了改進(jìn)，考慮了粘聚力以及摩擦力，但忽略了條塊間的作用力，因此計(jì)算出的穩(wěn)定性系數(shù)偏于保守[5]。1955 年，Bishop 提出的畢肖普法，在坡體穩(wěn)定性分析中，加入了土條側(cè)面力[6]。1964年，英國(guó)巖土專家A. W. Skempton 在分析評(píng)價(jià)超固結(jié)裂隙粘土滑坡時(shí)候提出“殘余強(qiáng)度”理論。1965年，Morgenstern 和Price 提出了M-P 法，該方法考慮了土條間作用力，使用于非圓弧形狀的滑動(dòng)面，滿足力的平衡和力矩平衡[7]。1979 年，Sarma 對(duì)堤壩和邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)上提出了Sarma 法，該方法曾應(yīng)用于三峽工程[8]，隨著大量的研究開(kāi)展，極限平衡法在二維邊坡分析中形成了一套較為完善的體系。

國(guó)內(nèi)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的研究也較多，在成熟的理論計(jì)算模型進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)軟件MATLAB 等進(jìn)行編程，通過(guò)新型計(jì)算技術(shù)對(duì)坡體穩(wěn)定性、滑動(dòng)面和滑動(dòng)位移進(jìn)行求解。例如，胡世偉[9]采用MATLAB 開(kāi)發(fā)的軟件實(shí)現(xiàn)了滑坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算，并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)滑坡體滑動(dòng)的可視化。劉紅楓[10]采用MATLAB 編程對(duì)滑坡穩(wěn)定性就行了求解，該程序具有參數(shù)化、自動(dòng)化和可視化的特點(diǎn)，不但可以求解滑坡穩(wěn)定系數(shù)，還可生成可視化的滑坡幾何外觀和滑動(dòng)面。呂小永[11]采用強(qiáng)度折減法對(duì)滑坡體穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析，綜合分析了位移突變判定依據(jù)和塑形貫通判定依據(jù)的特點(diǎn)，并對(duì)某大型古滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得出了兩種判定依據(jù)與實(shí)際情況相符的結(jié)論。

3. 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

常見(jiàn)的邊坡穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法有定性分析法、極限平衡法和有限元法。定性分析方法是通過(guò)野外現(xiàn)場(chǎng)勘察，對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的各種因素進(jìn)行分析，分析邊坡可能失穩(wěn)破壞的方式，這是一種較為簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)方法，但它主要靠工程人員的經(jīng)驗(yàn)，這種不確定性和隨意性比較明顯，可以對(duì)小型的坡體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)也不能求解坡體穩(wěn)定性系數(shù)，若求解坡體穩(wěn)定系數(shù)還需要結(jié)合定量分析方法。

極限平衡法一般是先假定土體發(fā)生失穩(wěn)，根據(jù)摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則和力學(xué)平衡條件，計(jì)算滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)及滑動(dòng)面。極限平衡法是以摩爾-庫(kù)倫理論為基礎(chǔ)，是一種經(jīng)典的邊坡穩(wěn)定性分析方法，目前應(yīng)用到邊坡工程最為廣泛，該方法是以假設(shè)滑坡體和滑動(dòng)面以下的部分為剛體，先假設(shè)許多滑動(dòng)面，并且滑動(dòng)面上部被劃分為多個(gè)豎條，根據(jù)力學(xué)平衡方程組，求解坡體穩(wěn)定安全系數(shù)，將安全系數(shù)的最小值作為最終的求解結(jié)果。采用假設(shè)的方法可以簡(jiǎn)化計(jì)算，并且具有易操作性的特定，因此得到了廣泛的運(yùn)用。常用的極限平衡法主要有畢肖普法、瑞典條分法，以及非圓弧普遍條分法。

有限元強(qiáng)度折減法是用來(lái)分析滑坡的安全系數(shù)的方法。Duncan 在Zienkiewice 的基礎(chǔ)上給出了新的定義：安全系數(shù)被定義為當(dāng)土體在破壞臨界狀態(tài)時(shí)，滑坡巖體此時(shí)的剪切強(qiáng)度除以初始的剪切強(qiáng)度也就是被折減的幅度。該發(fā)已然成為研究滑坡穩(wěn)定的強(qiáng)有力的新方法。強(qiáng)度折減法外載荷作用下，坡體依靠自身巖土力學(xué)特征所能抵抗的最大剪切力與外載引起的實(shí)際剪切應(yīng)力的比值。假設(shè)滑坡土體內(nèi)部抵抗剪切破壞是均勻的情況下，強(qiáng)度折減系數(shù)也被稱為強(qiáng)度安全儲(chǔ)備系數(shù)。目前為止，有限元強(qiáng)度折減法在對(duì)滑坡的穩(wěn)定性分析中判斷破壞標(biāo)準(zhǔn)的原則有如下三種：以有限元計(jì)算不收斂或者仿真計(jì)算中斷作為失穩(wěn)判定標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算不收斂對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)即為求解結(jié)果；以滑坡的塑性區(qū)開(kāi)始形成、發(fā)展、直至貫通視為失穩(wěn)判據(jù)，塑性區(qū)的貫通時(shí)所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)即為求解結(jié)果；以滑坡的特征點(diǎn)的橫向位移發(fā)生突變作為失穩(wěn)判斷依據(jù)，特征點(diǎn)水平位移突變對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)作為求解結(jié)果。強(qiáng)度折減系數(shù)，就是保持外荷載不變的條件下，坡體所具有的最大抗剪強(qiáng)度與由于外荷載所產(chǎn)生的坡體實(shí)際剪應(yīng)力之比。當(dāng)兩種土體抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮程度相同時(shí)，這種抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)相當(dāng)于坡體穩(wěn)定安全系數(shù)sF，又稱為強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)。折減后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)可分別表達(dá)為：

式中，c和φ是土體所能夠提供的抗剪強(qiáng)度；cm和mφ是維持平衡所需要的或土體實(shí)際發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度；rF是強(qiáng)度折減系數(shù)。坡體有限元模型如圖1 所示。

Figure 1. Finite model of slope圖1. 邊坡有限元模型

采用有限元強(qiáng)度折減法，就是根據(jù)土體的強(qiáng)度指標(biāo)，即粘聚力和內(nèi)摩擦角，一起進(jìn)行數(shù)值折減，并帶入有限元進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中假定不同的強(qiáng)度折減系數(shù)Fr，分別進(jìn)行有限元分析，將計(jì)算是否收斂作為依據(jù)，在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中不斷增加Fr，達(dá)到臨界破壞時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)Fr就是邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs。

4. 采用有限元方法評(píng)價(jià)案例

這里選擇一個(gè)均質(zhì)土坡作為算例進(jìn)行分析。有一高H= 10.0 m，坡角β= 45°的均質(zhì)土坡，土體容重為γ= 20 kN/m3，黏聚力c= 12.38 kPa，摩擦角φ= 20°。若按極限平衡法分析，本算例中的土坡穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)為1.0，如圖2 所示。

Figure 2. Geometry model of homogeneous slope圖2. 均質(zhì)土坡幾何模型

在有限元計(jì)算結(jié)果中，選取模型中坡頂左側(cè)頂點(diǎn)，建立場(chǎng)變量(即安全系數(shù)Fs)與X 方向位移變化曲線，即FV1 與U1 變化曲線，利用ABAQUS 提供Combine 函數(shù)，將FV1 隨U1 的變化關(guān)系繪制于圖中，若以數(shù)值計(jì)算不收斂作為土坡穩(wěn)定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)的FV1 為1.06，即安全系數(shù)Fs = 1.06，如圖3 所示。

Figure 3. Stability factor Fs varying curve with horizontal displacement of slope top圖3. 安全系數(shù)Fs 隨坡頂水平位移的變化

若以位移的拐點(diǎn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即注意到頂部節(jié)點(diǎn)水平位移有一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，則安全系數(shù)為Fs =0.99；若以土坡塑性區(qū)的貫通現(xiàn)象為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，直到t = 0.3213 時(shí)出現(xiàn)土坡體塑性區(qū)域貫通現(xiàn)象，出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為Fs = 0.982。如圖4 和圖5 所示。

Figure 4. Plastic region distribution under different time step圖4. 不同時(shí)間步情況下的坡體塑形區(qū)域變化情況

Figure 5. Stability factor Fs distribution at the time T = 0.3213圖5. T = 0.3213 時(shí)安全系數(shù)Fs

塑性區(qū)域貫通判定標(biāo)準(zhǔn)與前面兩種判斷標(biāo)準(zhǔn)得到的安全系數(shù)差不多，尤其是和位移拐點(diǎn)方法很接近，而這兩個(gè)數(shù)值與極限平衡分析方法給出的Fs = 1.0 相比都比較接近，說(shuō)明三種判定標(biāo)準(zhǔn)都是可行的。其中塑性區(qū)域是否貫通判定標(biāo)準(zhǔn)最為保守，與FV1～U1 曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)判定標(biāo)準(zhǔn)較為接近，以計(jì)算是否收斂作為判定標(biāo)準(zhǔn)最為不保守。

在有限元分析過(guò)程中，可以計(jì)算得出坡體的X 向位移和Y 向位移，進(jìn)而判定不同位置土體滑動(dòng)的方向。通過(guò)有限元計(jì)算法發(fā)現(xiàn)，坡體的水平位移和豎向位移分布并非定值，自坡腳至坡頂水平位移逐漸減小，而豎向位移逐漸增大，該位移計(jì)算可以為埋地管道橫向通過(guò)滑坡體時(shí)管體承受的初始位移提供輸入條件，也可以為合理布置抗滑樁減少滑坡體對(duì)管道的影響提供依據(jù)，雖然坡體水平和豎向位移分布不均勻，但是坡體整體位移大小基本一致，坡體水平、豎向和總位移分布如圖6 所示。

5. 結(jié)論

對(duì)滑坡體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，常用的方法有極限平衡法和有限元法強(qiáng)度折減法。與極限平衡法比較，有限元采用強(qiáng)度折減法模型能自動(dòng)地或“自然地”確定臨界失穩(wěn)面，通過(guò)滑坡體不同區(qū)域應(yīng)變和位移發(fā)展的不連續(xù)性能夠清晰界定失穩(wěn)區(qū)的深度；在計(jì)算安全系數(shù)時(shí)，有限元法不需要假設(shè)滑坡條塊間或圓柱間的力。雖然不同類型的滑坡分析方法對(duì)數(shù)據(jù)的要求不盡相同，但均對(duì)數(shù)據(jù)有一些基本的要求，最少應(yīng)包括滑坡或潛在滑坡體的幾何形態(tài)(地表地形、地層、結(jié)構(gòu)和突變、基本滑動(dòng)面的幾何形態(tài))、土體強(qiáng)度特性等。

Figure 6. Displacement distribution nephogram of soil slope圖6. 土坡坡體的位移分布情況

土壤本身的性質(zhì)是坡體是否穩(wěn)定的重要因素之一，在油氣輸送管道順坡敷設(shè)區(qū)域，通過(guò)回填土改良，提高回填土的內(nèi)摩擦角可以提高坡體的穩(wěn)定性，從而可以為油氣輸送管道提供安全保障。