古 玥 孟宗權(quán) 溫秀萍 馮德佳 禹 楊 張 拓 黃嘉欣 方世躍

(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054； 2.西氣東輸廣東管理處,廣東 廣州 510700； 3.西氣東輸甘陜管理處,陜西 西安 710054)

邊坡發(fā)生破壞失穩(wěn)是一種復(fù)雜的地質(zhì)災(zāi)害[1]。在實(shí)際工程治理過程中，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測法分析是重點(diǎn)關(guān)注問題之一。邊坡上土體和巖體在重力的作用下沿著斜坡滑動(dòng)面形成規(guī)模向下滑動(dòng)的情況，通常會(huì)引起較嚴(yán)重的安全事故和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，特別是有地下管道敷設(shè)的邊坡[2,3]，極容易形成滑坡。管道邊坡通常是在管道敷設(shè)以后，由于受到某種擾動(dòng)使原有的應(yīng)力平衡打破,進(jìn)而發(fā)生坡體滑動(dòng)等破壞，就山地管道而言,這種外在應(yīng)力一般與重力的迅速增加、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度迅速減弱有關(guān)。邊坡形成后,受外在擾動(dòng)的機(jī)會(huì)和應(yīng)力一般較小,通常是由于自身重力增加來打破受力平衡,而降雨是造成坡體重量增加的主要形式。管道在施工過程中會(huì)對施工地的原始地貌和地表植被造成一定程度的破壞，管溝回填土難以達(dá)到原土密實(shí)度，加之地表回填土的抗外力侵蝕能力較弱。在強(qiáng)降水之后，斜坡地段敷設(shè)的管道在強(qiáng)降水后地表水大面積匯流情況下，可能使地表水沿著管溝匯流，進(jìn)而引起滑坡?；麦w可能推動(dòng)管道位移、變形，造成邊坡的破壞和管道斷裂等后果。大部分滑坡事故都是由于滑動(dòng)體沿滑動(dòng)面滑動(dòng)而造成坡體失穩(wěn)?？梢愿鶕?jù)實(shí)際工況選擇不同的安全等級來處理實(shí)際邊坡工程，針對安全性較差、地質(zhì)情況較為復(fù)雜的特殊邊坡工程，其安全等級要隨著實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)整。在邊坡穩(wěn)定性評價(jià)中，極限平衡法[4]由于其原理簡單，能算出邊坡穩(wěn)定分析定量評值，因而獲得了廣泛應(yīng)用。

極限平衡法是納入設(shè)計(jì)規(guī)程的針對邊坡穩(wěn)定性分析的代表性方法，通過在已知滑面之上對邊坡進(jìn)行靜力平衡計(jì)算，進(jìn)而求出邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。極限平衡法假設(shè)邊坡出現(xiàn)滑動(dòng)面且處于極限平衡狀態(tài)[5,6]。但受不同地理環(huán)境和條件的影響,每種方法的適應(yīng)性和要求也不同。主要有畢肖普(Bishop)法、簡布(Janbu)法、推力法、瑞典法、薩爾瑪(Sarma)法和Lowe-Karafiath法等[7,8]。針對某油氣長輸管道邊坡特點(diǎn)，在受地質(zhì)構(gòu)造和地下管道敷設(shè)的雙重影響下，為提高計(jì)算結(jié)果，充分利用滿足邊坡條塊間的作用力和力矩平衡且適合于折線滑動(dòng)面邊坡的方法作為計(jì)算辦法，采用Janbu修正法作為本次評價(jià)的計(jì)算方法。

1 環(huán)境概況

某油氣長輸管道閥室位于深圳市境內(nèi)，整個(gè)場區(qū)整平后形成閥室場區(qū)西北側(cè)挖方邊坡及閥室場區(qū)東南側(cè)碎石土填方邊坡。閥室場區(qū)東南側(cè)挖方形成高5 m～12 m不等的邊坡，坡面采用混凝土噴護(hù)措施治理，坡體內(nèi)部采用排水溝措施?？紤]到邊坡坡體有可能發(fā)生深部位移，對埋設(shè)于坡體內(nèi)的輸氣管道形成一定程度的應(yīng)力集中，因此采取監(jiān)測管體本身的應(yīng)力變化的監(jiān)測手段。閥室場地附近未見有河流經(jīng)過；據(jù)走訪調(diào)查，場區(qū)歷史上未被洪水淹沒。深圳市地處北回歸線以南，屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，夏較長冬較短，全年氣候溫和，降水量豐沛，光照充足。但深圳市每年會(huì)不同程度受到暴雨、熱帶氣旋、寒冷、高溫、雷暴、冰雹、干旱等災(zāi)害性天氣的影響。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)圖來看，閥室所屬區(qū)域地層主要為第四系殘積坡、人工填土、白堊系、侏羅系及泥盆系地層。閥室所在區(qū)域?qū)偾鹆甑孛?，地形起伏大，原始地貌為梯田，地面高?3.50 m～74.30 m，相對高差約20.0 m。根據(jù)閥室布置圖，場區(qū)設(shè)計(jì)整平標(biāo)高55 m，閥室挖方邊坡平面圖見圖1，現(xiàn)場圖見圖2。通過對閥室場區(qū)邊坡地質(zhì)條件、周圍環(huán)境、后期治理措施的整合，系統(tǒng)分析閥室場區(qū)東南側(cè)挖方邊坡的整體穩(wěn)定性，綜合評價(jià)閥室場區(qū)東南側(cè)挖方邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)程度，為該油氣長輸管道閥室邊坡的安全運(yùn)行提供依據(jù)和支持。

2 Janbu修正法原理

基本假定：直條塊側(cè)面上的作用力位于滑面1/3條塊高處；作用于條塊上的重力、反力通過條塊底面的重心點(diǎn)。

典型條塊受力分析如圖3所示。

根據(jù)垂直及水平兩方向的靜力平衡及推力邊界條件，求得簡化Janbu法[9]安全系數(shù)表達(dá):

(1)

其中，F(xiàn)S為安全系數(shù);ci為滑面粘聚力;Ei為上條塊推力(水平);ui為平均水壓力;bi為條塊寬度;αi為底面傾角;Wi為條塊自重;φi為摩擦角;KC為地震影響系數(shù);Ei+1為下條塊推力。

式(1)安全系數(shù)FS為隱式，需迭代求解，通常用牛頓—拉芙遜法加速收斂。由于簡化Janbu法忽略了垂直法向條塊間作用力，減少了未知數(shù)，也沒有考慮力矩的平衡，使問題靜定可解。另外此法低估了邊坡抗滑能力，計(jì)算出的安全系數(shù)偏小。為此Janbu提出了修正公式:

(2)

3 邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析

3.1 計(jì)算參數(shù)與工況

東南側(cè)邊坡剖面計(jì)算選取各類評價(jià)參數(shù)如表1所示。

表1 邊坡剖面評價(jià)參數(shù)值

由于閥室區(qū)及坡面均采取坡面及路面硬化等防水處理措施，因此在暴雨情況下邊坡內(nèi)巖土體不可能達(dá)到整體飽和的狀態(tài)，故分析計(jì)算采用自重工況，不考慮地下水及地表巖土飽和情況是符合實(shí)際情況的。

3.2 地質(zhì)概化模型

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況和地質(zhì)調(diào)查分析基礎(chǔ)上，選取東南側(cè)剖面進(jìn)行分析。閥室所在區(qū)域?qū)偾鹆甑孛?，地形起伏大，原始地貌為梯田，地面高?3.50 m～74.30 m，相對高差約20.0 m。根據(jù)閥室的布置圖，場區(qū)設(shè)計(jì)整平標(biāo)高55 m。

3.3 邊坡計(jì)算結(jié)果與分析

整體分析表明，潛在滑動(dòng)面通常在邊坡軟弱巖層和強(qiáng)度較高巖層交接形成，加之有管道分布，存在安全不足的問題,需要對其進(jìn)行加固處理。

通過軟件Slide5.0的Janbu法計(jì)算結(jié)果見圖4。土條重切向分力與滑動(dòng)方向不同時(shí)為當(dāng)下滑力對待，穩(wěn)定計(jì)算目標(biāo)為自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑裂面。最不利滑動(dòng)面下滑動(dòng)安全系數(shù)為0.649，低于安全系數(shù)，頂部可能會(huì)產(chǎn)生局部順層滑在加固邊坡后Janbu計(jì)算的安全系數(shù)結(jié)果見圖5，由圖可以看出，在有利工況整合情況下，采用Janbu修正法進(jìn)行計(jì)算，現(xiàn)狀邊坡整體安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果為2.507，安全系數(shù)較大，可以判定該邊坡是穩(wěn)定的。

4 結(jié)論與討論

1)通過Janbu修正法有效地計(jì)算出該油氣管道閥室邊坡的安全穩(wěn)定性，為邊坡的穩(wěn)定性管理和安全評價(jià)提供有效的計(jì)算依據(jù)。使用Slide模擬剖面在圓弧滑面情況下，計(jì)算剖面一般工況下穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.35，地震工況下穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.15，根據(jù)GB 50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范第5.3.1條和表5.3.1判定，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。2)坡度、降雨等因素都對含管道邊坡的穩(wěn)定性具有影響。當(dāng)巖體中存在滑動(dòng)面，經(jīng)過雨水的侵蝕，滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度會(huì)大幅度降低而導(dǎo)致邊坡滑坡。降雨的影響主要是“雨水匯聚浸泡破壞”和“雨水匯流沖刷破壞”。對橫向敷設(shè)的管道，“雨水匯聚浸泡破壞”是其主要破壞方式；對于縱向敷設(shè)的管道，“雨水匯流沖刷破壞”是其主要破壞方式。地下管道的敷設(shè)的回填土密度較差，降雨后坡體荷載變大，土壤的粘聚力減小，使得部分山體失去原有的平衡而導(dǎo)致滑坡、邊坡垮塌等災(zāi)害。3)建議在實(shí)際工程建設(shè)中要因地制宜，采用合理加固保護(hù)措施。如用錨筋加固將管道穩(wěn)固地鑲嵌在基巖中；用土釘加固使土釘在土體形變過程中承受部分拉力作用，利用土釘和土地間的粘結(jié)力和摩擦力來提高斜坡的整體穩(wěn)定性；設(shè)置不同類型的護(hù)坡防止一定程度的沙土流失；設(shè)置截水墻防止管溝回填土被雨水沖走；采用排堵結(jié)合的方法控制附近水流方向，加強(qiáng)對管道的保護(hù)。另外要加強(qiáng)人工監(jiān)察防護(hù)，加強(qiáng)管道的日常維護(hù)，做好管道區(qū)域的水土保持利用植物措施保持水土。定期對管道沿線進(jìn)行監(jiān)察和清理維護(hù)，積極做好管道安全工作。