陕京输气管道工程黄土高原边坡稳定性分析

郭存杰，郭 磊，孟祥岩，尹文柱

(1．中石油北京天然气管道有限公司，北京100101;2．中石油昆仑燃气有限公司，北京100101)

在陕晋黄土高原地区，陕京输气管道工程多沿黄土梁峁、崾岘、沟岸边缘敷设，其边坡稳定性直接影响到工程安全。为了防止黄土边坡滑塌，陕京输气管道工程在主体施工期和运行期对管线经过的部分黄土边坡用素土或灰土进行加固，但是如何选择加固边坡形式以及如何对加固后边坡的稳定性进行评价等都没有准确的研究成果［1－5］。为了解决这一问题，采用模拟计算的方法对不同坡高、不同坡比、不同含水率、不同填土的天然黄土边坡和人工填土边坡进行稳定性分析，希望能为陕京管道工程黄土边坡、人工填土加固边坡的稳定性评价和边坡加固设计提供参考。

1 计算方法

边坡稳定性分析采用简化毕肖普法。该方法考虑了土条侧面的作用力，并假定各土条底部滑动面上的抗滑安全系数均相同，是目前各种规范推荐计算土质边坡稳定的主要方法之一。采用北京水利科学研究院边坡稳定计算程序(STAB－95)进行计算。

2 计算断面

据调查，陕京输气管道工程所经过的黄土边坡高度一般为5～50 m 不等，个别地方高度超过50 m，平均坡比一般为1 ∶0．5～1 ∶1．5;部分边坡已采用素土或3 ∶7 灰土进行加固，加固高度一般为5～30 m，加固边坡坡比一般为1 ∶0．75～1 ∶1．50。为了使分析结果具有代表性和普遍性，选取了不同坡高、不同坡比在不同含水率情况下的天然黄土边坡和不同坡高、不同坡比、不同填土在最优含水率情况下的人工填土边坡进行计算。

天然边坡为一级边坡，土层分布自上而下分别为Q4、Q3、Q2和Q1黄土，其中Q4黄土层厚度为5 m，Q3为10 m，Q2为20 m，以下均为Q1黄土，计算断面见图1。人工填土边坡为多级边坡，填土类型分别为素土、1 ∶9 水泥土(质量比)和3 ∶7 灰土(体积比)，计算断面见图2。

3 计算参数

边坡稳定性与土壤物理性质密切相关，因此在计算中原状黄土的物理力学指标参考《土的工程性质》、《黄土的工程性质》，根据陕北榆林地区大量黄土物理力学指标试验结果的平均值进行设定;各类人工填土(素填土、1 ∶9 水泥土、3 ∶7 灰土)的物理力学指标根据其在最优含水状态下压实系数为0．95时的试验结果确定。

4 计算结果分析

4．1 边坡稳定性计算结果

根据天然黄土边坡、人工填土边坡各种工况危险滑弧及安全系数计算结果(表1、表2)，绘制饱和黄土边坡30 m 坡高和素填土边坡30 m 坡高的危险滑弧(图3、图4)。

表1 天然黄土边坡在各种工况下危险滑弧及安全系数

表2 人工填土边坡各种工况危险滑弧及安全系数

4．2 结果分析

4．2．1 天然黄土边坡

(1)在相同坡高、含水率情况下，天然黄土边坡稳定安全系数与坡比成正比，即随坡比减小(坡度减缓)而增大;在相同坡高、坡比情况下，稳定安全系数随含水率增大而急剧减小。

(2)在相同坡比、含水率情况下，天然黄土边坡稳定安全系数随坡高增大而减小，且含水率越低减小速率越大。

(3)坡高10～30 m 的天然黄土边坡，当坡度小于1 ∶0．5时，无论干燥和湿润情况下稳定安全系数都大于等于1．0，即在此高度和坡比范围内的边坡是稳定的，说明黄土高原地区许多天然黄土边坡是稳定的;在饱和状态下，不同坡高、坡比边坡的稳定安全系数介于0．55～1．56 之间，取稳定安全系数接近1.10 时对应的坡比作为临界坡比，天然黄土边坡不同坡高的临界坡比见表3。

表3 天然黄土边坡饱和状态下的临界坡比

4．2．2 人工填土边坡

(1)在相同坡高、填土情况下，人工填土边坡稳定安全系数与坡比成正比，即随坡比减小(坡度减缓)而增大;在相同坡高、坡比情况下，3 ∶7 灰土边坡的稳定安全系数最大，素填土边坡最小，1 ∶9 水泥土边坡介于二者之间。

(2)在相同坡比、填土情况下，人工填土边坡稳定安全系数随坡高增大而急剧减小。

(3)坡高10～30 m 的各类人工填土(素填土、1 ∶9 水泥土、3 ∶7 灰土)边坡，当坡度小于1 ∶0．5 时，在最优含水率情况下稳定安全系数均≥1．0，即在此高度和坡比范围内的人工填土边坡是稳定的。由表2 知，30 m 高素填土边坡在坡比1 ∶1．0情况下的稳定安全系数为1．73，可以满足边坡稳定要求，因此建议在边坡加固处理中适当采用素填土边坡代替1 ∶9 水泥土和3 ∶7 灰土边坡，不仅可以满足工程要求，而且可以大大节省工程投资和减少对环境的污染。需要说明的是，计算中采用的素填土物理力学指标是根据填土在最优含水情况下、压实度95%时的试验结果选定的，若采用素填土加固边坡，施工时填土压实度必须达到95%才能保证工程安全。

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［2］吴克信，刘阳．黄土地区油气管道工程线路水工保护措施探讨［J］．天然气与石油，2003，21(4):59－64．

［3］王卫民，张文伟．黄土地区长输管道地质灾害分析及治理［J］．油气储运，2001，20(4):28－31．

［4］张歆，余剑平．陕京输气管道工程水土流失分析及防治措施［J］．人民长江，2006，37(2):34－36．

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