降雨作用下某滑坡的穩(wěn)定性研究

劉強(qiáng),阿發(fā)友,沈顯澤

(1.國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司華南分公司,廣州 510600;2.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院,昆明 650093;3.自然資源部高原山地地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與生態(tài)保護(hù)修復(fù)重點實驗室,昆明 650093)

1 引言

西南地區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜多變,地質(zhì)災(zāi)害極為頻發(fā)。輸油管道作為長距離線狀工程,在西南地區(qū)穿越各種各類地質(zhì)環(huán)境,面臨的地質(zhì)災(zāi)害具有多樣性、復(fù)雜性和普遍性的特點,給輸油管道安全防控帶來了很大挑戰(zhàn)。由于管道建設(shè)里程的不斷增加和山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性,地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)成為管道安全運營的頭號威脅。據(jù)不完全統(tǒng)計,截至2014年蘭成渝輸油管道、中貴輸氣管道、西氣東輸管道沿線地質(zhì)災(zāi)害多達(dá)282處,涉及崩塌、滑坡、泥石流等,其中滑坡災(zāi)害107處,占比達(dá)38%[1]。由此可見,滑坡是威脅管道安全運營的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。在滑坡的作用下,輸油管道受到土體的推擠、拉壓或者復(fù)合作用而產(chǎn)生變形變位甚至管道的破裂對管道的運營管理工作帶來了極大的挑戰(zhàn)[2-4]。2017年發(fā)生的百昆成品油管道建水站MJ053滑坡,就是典型的輸油管道滑坡災(zāi)害,該滑坡長約90 m,寬80 m,滑體平均厚度約3 m,最大滑動距離約為1.00 m。輸油管道正好由東向西穿過滑坡體,滑坡直接威脅到輸油管道的安全運營。因此,為保證管道安全運營,分析研究輸油管道滑坡的穩(wěn)定性,為滑坡防治提供可靠的依據(jù)是必須進(jìn)行的工作。

誘發(fā)滑坡的因素具有多樣性,但降雨是誘發(fā)滑坡的最主要因素之一[5-6]。目前,降雨誘發(fā)滑坡機(jī)理受到國內(nèi)外學(xué)者的重視,并進(jìn)行了大量的研究工作。研究主要從降雨誘發(fā)滑坡的機(jī)理出發(fā),分析降雨入滲以后斜坡體內(nèi)的水-巖 (土) 相互作用對斜坡穩(wěn)定性的影響[7-8]。研究方法主要有物理模型試驗和數(shù)值模擬分析等[9]。在參考前人研究的基礎(chǔ)上,本文以百昆成品油管道蒙自管理處MJ053滑坡為例,利用Geo-Studio數(shù)值模擬軟件,分析滑坡在連續(xù)3 d強(qiáng)降雨作用下的位移場和穩(wěn)定性變化情況,為滑坡防治提供依據(jù),具有一定的理論意義和實際意義。

2 滑坡區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

滑坡位于百昆成品油管道建水站MJ053處,管道穿越滑坡區(qū)(圖1)。場地地貌單元屬丘陵,微地貌特征呈南東高北西低?；路植几叱? 347～1 363 m,縱向上呈“緩-陡”臺階狀地貌,前緣中下部較緩,為2°～8°,滑坡上部斜坡坡度相對較大,坡度15°～45°?；轮骰较驗?12°,滑坡平面形態(tài)上呈弧形,滑坡平均長約90 m,平均寬度約80 m,總面積約7 200 m2,滑坡體平均厚度約3 m,總體積約為2.16×104m3,屬淺層小型土層滑坡。滑坡區(qū)地表變形跡象主要表現(xiàn)為裂縫發(fā)育(圖2),滑坡區(qū)共發(fā)育裂縫8條 (L1至L8),裂縫最寬達(dá)0.1～10 cm,并局部發(fā)生錯動,形成0.1～1.5 m的滑坡后壁(圖3)。

圖1 滑坡整體照片

圖2 原治理水溝嚴(yán)重變形破壞

圖3 滑坡后緣裂縫

圖4 滑坡典型工程地質(zhì)剖面圖

3 降雨作用下滑坡的數(shù)值模擬研究

3.1 模擬軟件的選取

Geo-Studio數(shù)值模擬軟件是由世界著名的巖土軟件開發(fā)公司GEO-SLOPE在20世紀(jì)70年代研發(fā)的針對巖土、采礦、地質(zhì)和環(huán)境工程等領(lǐng)域的一套模擬分析軟件,是世界知名的巖土工程分析軟件之一[10-11]。不同于傳統(tǒng)計算滑坡穩(wěn)定性時采用的極限平衡法,Geo-Studio采用的是有限元法,有限元法不僅不需要假設(shè)滑動面,還能計算涉及到水-土的相互作用和強(qiáng)度與變形相關(guān)的穩(wěn)定性計算問題,同時還能求解在不同時刻的邊坡應(yīng)力狀態(tài),具有較強(qiáng)的實際應(yīng)用價值和科研價值。

3.2 模型的建立

滑坡位于一處山間丘陵地帶,為了讓計算剖面能最大程度反映出滑坡的地形地貌以及地層和結(jié)構(gòu)特征,結(jié)合前期的勘查成果,選取圖4為此次數(shù)值模擬的計算剖面。模型左側(cè)高17 m,右側(cè)高32 m,水平長138 m,尺寸與實際剖面保持一致。結(jié)合滑坡規(guī)模,此次模型共選取滑坡區(qū)已揭露的4種地層,由上至下分別為:第四系殘坡積層(Q4el+dl)粉質(zhì)粘土、上第三系(N)全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、上第三系(N)強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和上第三系(N)中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。模型采用四邊形和三角形進(jìn)行網(wǎng)格劃分,共劃分網(wǎng)格392個、節(jié)點439個,并在滑坡前緣和人工便道堆積體設(shè)置監(jiān)測點A(34,37)和監(jiān)測點B(118,48),以便觀測滑坡前緣和后緣隨降雨時程的變形情況。具體計算模型如圖5。

圖5 滑坡計算模型

3.3 計算參數(shù)與邊界條件的選取

(1) SEEP/W模塊參數(shù)選取

模型自上而下由4種不同地層組成。第一層為滑體土第四系殘坡積層(Q4el+dl)粉質(zhì)粘土,材料模型為飽和/不飽和,土體飽和含水量為0.432 m3/ m3,最大基質(zhì)吸力為100 kPa,估計方法為樣本函數(shù),材料選擇為粉質(zhì)粘土;飽和滲透系數(shù)為0.240 m/d,估計方法為Van Genuchten法。根據(jù)地層設(shè)置材料的不同,可以得到不同地層巖土體的水土特征曲線,水土特征曲線見圖6和圖7。第二到第四層參數(shù)設(shè)置方法與第一層相同,為方便描述,地層由上而下命名為地層1～4,不同地層具體參數(shù)取值見表1。

表1 SEEP/W模塊地層參數(shù)表

圖6 粉質(zhì)粘土水土特征曲線

圖7 泥質(zhì)粉砂巖水土特征曲線

(2) SLOPE/W模塊參數(shù)選取

穩(wěn)定性計算選取摩爾-庫倫計算模型,采用內(nèi)置的條分法進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性計算,其中涉及的主要計算參數(shù)包括材料重度r、粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ。具體參數(shù)選取見表2。

表2 SLOPE/W模塊地層參數(shù)表

(3) SIGMA/W模塊參數(shù)選取

此模塊主要用于分析滑坡在降雨過程中的變形和應(yīng)力分布情況,材料分類選擇有效參數(shù)(w/孔隙水壓力),材料模型選擇彈塑性(w/孔隙水壓力),需要輸入的主要參數(shù)為有效彈性模量和泊松比。該類參數(shù)此次勘查工作并未測定,因此主要以鄰近地區(qū)已探明的同類土體數(shù)值和經(jīng)驗值綜合參考取值,水壓屬性和材料參數(shù)與前面兩種模塊中的數(shù)值相同(表3)。

表3 SIGMA/W模塊地層參數(shù)表

滲流分析中,結(jié)合建水縣歷史降雨特點,該地區(qū)歷史上有記錄的單日最大降雨量為144 mm/d,為分析滑坡在極端降雨條件下滲流場、變形和穩(wěn)定性的變化過程,因此此次降雨邊界條件結(jié)合建水縣歷史最大單日降雨量,設(shè)定為150 mm/d,且日降雨量小于滑體土的飽和滲透系數(shù)。降雨持續(xù)時間設(shè)置為3 d,并設(shè)定每12 h為一個檢測節(jié)點,模型左右兩側(cè)參考地下水出露情況按位置水頭分別取33 m和48 m,模型底部設(shè)為不透水邊界;在SIGMA/W模塊分析中,邊界條件結(jié)合滑坡區(qū)實際情況,模型底部固定水平和垂直方向,模型右側(cè)固定水平方向。完成上述操作后,開始計算。

3.4 模擬結(jié)果分析

(1) 降雨過程中,滑坡最大位移分布變化如圖8所示。

在圖8中,滑坡發(fā)生的位移部分同樣集中在表層粉質(zhì)粘土中,并與前文產(chǎn)生剪應(yīng)變區(qū)域完全吻合。其中人工便道堆積體處產(chǎn)生的位移量最大,在降雨后12 h時,此處最大位移為1.149 m,24 h后增加到1.169 m,48 h后為1.191 m,而72 h后則達(dá)到了1.202 m。根據(jù)前文對孔隙水壓力的分析,人工便道堆積體在降雨過程中基質(zhì)吸力大幅下降,且由于堆積體坡度較大,臨空條件相較表層其他區(qū)域更好,因此在此處產(chǎn)生了最大的滑動位移,除人工便道堆積體產(chǎn)生了最大位移外,滑坡表層在降雨72 h后整體位移也超過了0.4 m,此時滑坡已產(chǎn)生了較大滑動,處于不穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)圖9和圖10可知,監(jiān)測點處位移同樣在12 h后迅速增大,分別達(dá)到0.72 m和1.12 m,之后位移增速迅速減小,并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖8 降雨過程中滑坡位移分布變化云圖

圖9 監(jiān)測點A處最大位移變化情況

圖10 監(jiān)測點B處最大位移變化情況

圖11 降雨過程中滑坡穩(wěn)定性系數(shù)變化云圖

圖12 降雨過程中滑坡穩(wěn)定性系數(shù)變化趨勢圖

(2) 降雨過程中,滑坡穩(wěn)定性變化如圖11。

通過對圖11與圖12分析可知,滑坡穩(wěn)定性在強(qiáng)降雨發(fā)生后的12 h迅速由降雨前的1.054下降至0.959,此時滑坡已處于不穩(wěn)定狀態(tài)。隨后穩(wěn)定性系數(shù)隨著降雨時間的增加變化很小,在24 h后下降至0.943,而在72 h后下降至0.937,逐漸趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文以百昆成品油管道建水站MJ053滑坡為分析對象,在進(jìn)行滑坡野外調(diào)查和室內(nèi)外試驗工作的基礎(chǔ)上下,結(jié)合非飽和土的滲流理論,應(yīng)用數(shù)值模擬方法對降雨作用下的淺表土質(zhì)滑坡形成機(jī)理和穩(wěn)定性進(jìn)行研究。主要結(jié)論如下:

(1) 強(qiáng)降雨對滑坡的穩(wěn)定性影響非常明顯。在強(qiáng)降雨條件下,滑坡各項參數(shù)在12 h后便已迅速產(chǎn)生較大變化,滑坡由降雨前的基本穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)模擬結(jié)果可以推斷,雨水通過入滲作用,降低了滑坡表層土體的基質(zhì)吸力,破壞了滑坡內(nèi)部的土體結(jié)構(gòu)并降低了土體的抗剪強(qiáng)度,導(dǎo)致滑體位移開始增加,內(nèi)部變形逐漸變大,進(jìn)而導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)。

(2) 滑坡在日降雨量為150 mm的強(qiáng)降雨作用下,表層土體基質(zhì)吸力基本喪失、孔隙水壓力增大并趨于飽和?；略诓煌瑫r刻的最大位移量均發(fā)生在人工便道堆積體和滑坡前緣處,分別為0.344和1.202 m,同時滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)也由降雨前的1.054下降至0.937,滑坡必須進(jìn)行治理。