甘肃长输管道某滑坡灾害综合分析及治理研究

黄鹏

(中石油西南管道公司兰州输油气分公司，兰州　730060)



甘肃长输管道某滑坡灾害综合分析及治理研究

黄鹏

(中石油西南管道公司兰州输油气分公司，兰州730060)

摘要：长输管道是国家重大生命线工程，滑坡灾害可能导致长输管道变形、拉裂、断裂等破坏，对滑坡成灾机理综合分析和稳定性评价是滑坡灾害治理的前提。本文以甘肃地区长输管道的某滑坡体为研究对象，调查分析地质构造、地质地层和地震气候情况，采用因果分析的鱼刺分析法从物、环境、人三个要素对滑坡成灾机理进行分析，并采用传递系数法对滑坡进行稳定性评价。基于滑坡灾害的综合分析成果，从防护、施工、环保和投资四个方面比较选定抗滑桩板墙灾害治理方案，治理实施效果良好。研究成果为类似线性工程的滑坡灾害分析和治理提供参考。

关键词：长输管道；滑坡灾害；成灾机理；稳定性；灾害治理

长输管道作为国家重大生命线工程，担负着油、气等资源的主要输送任务，因其穿越地质区域、地形构造、气候环境复杂多变，沿线的地质灾害对长输管道安全运营产生巨大威胁。地质灾害根据成因划分为地壳内部构造作用、地壳外部构造作用和特殊土体导致的三大类地质灾害[1,2]。属于地壳外部构造作用的崩塌、滑坡、泥石流等重力式斜坡灾害，发生时管道因承受运动物质的巨大拖曳力，可能发生管道弯曲变形、拉裂甚至整体断裂等破坏[3]。其中滑坡灾害作为常见的危害较大的地质灾害，成灾因素包括地质、地层、地形、降水、地震和人为等因素，对滑坡灾害成灾机理、稳定性和治理措施等方面的研究，是国内外研究的重要的地质工程问题[4,5]。

本文针对某长输管道在甘肃地区穿越的某滑坡体实例，在地质灾害调查、勘查测量、岩土试验等工作基础上，对该滑坡体的成灾机理、稳定性和防治措施进行综合分析和探讨，为类似线性工程滑坡地质灾害调查研究、分析评价和综合治理提供参考。

1滑坡灾害调查

1.1滑坡概况

受2013年“7.22”岷县地震及连续降雨影响，甘肃地区某长输输油管道局部段发生了滑坡。在盘山公路外侧形成了垂直管道方向的滑坡体，根据滑坡发育的特征，该滑坡可分为两个滑坡体1#滑坡体和2#滑坡体，滑坡全貌见现场照片图(图1)。长输管道穿越1#滑坡体中上部，该滑坡严重威胁长输管道安全运营，本文对1#滑坡体进行重点分析研究。

1#滑坡面积为1 550 m2，为浅层堆积层推移式滑坡，主滑方向为N9°E，纵轴长49 m，前缘宽29 m，中部最宽处45 m，后部宽25 m，滑体厚度2～7 m，滑坡体积约0.9×104m3，该滑坡具有明显的整体变形、滑动特征和较明显的剪出口。

图1　滑坡现场照片

1.2地质构造调查

据调查滑坡区域位于大地构造分区的秦岭褶皱系的礼县-柞水冒地槽褶皱带(Ⅲ-2)，详见区域地质构造图(图2)。秦岭褶皱系是一个古生代以来中国地台上裂陷下沉后再生的地槽带，历经加里东、海西和印支运动，于印支运动最终回返，为一个多旋回褶皱系。褶皱构造是斜坡形成的先决条件之一。

Ⅱ.祁连褶皱系；Ⅱ-1.走廊过渡带；Ⅱ-2.北祁连优地槽褶皱带；Ⅱ-3.祁连中间隆起带；Ⅱ-4.南祁连褶皱带；Ⅲ.秦岭褶皱系；Ⅲ-1.南秦岭冒地槽褶皱带；Ⅲ-2.礼县-柞水冒地槽褶皱带；Ⅲ-3.北秦岭褶皱带图2　 区域地质构造图

Q.第四系;N.第三系(中新统+上新统);R.第三系(古新统-始新统+渐新统);K.白垩系;J.侏罗系;T.三叠系;P.二叠系;Pz.前志留系;Pt.元古宇图3　区域地质图

1.3地质地层分析

滑坡体位于甘肃省东南部武山县，该区域地处秦岭山地北坡西段与陇中黄土高原西南边缘复合地带，黄河一级支流渭河的上游，区域地质图见图3。区域出露的岩性地层为白垩系上统(K2m)，主要为紫红色含砾砂岩、砂砾岩夹细砂岩、粉砂质泥岩，倾向220°，倾角20°。滑坡体为覆盖的第四系更新统(Q2-3)，岩性为浅色粉土质亚粘土，含钙质结核，底部有砂砾层，结构疏松，具大孔隙，垂直节理裂隙发育，透水性强。

滑坡体斜坡受基岩倾角影响较小，其形成主因为第四系堆积、冲积作用。第四系更新统(Q2-3)的疏松结构且透水性强，其斜坡抗剪强度低，有利于滑坡的发育。

经现场勘查，滑坡地层主要为粉质粘土和砾类土，滑床位于砂砾岩强风化壳中，图4为滑坡地质断面图。粉质粘土和砾类土土体结构较松散，内聚力较低，渗透性较强，雨水易于下渗；砂砾岩强风化层岩性较软弱，抗剪强度低，易形成软弱结构面。上部土层和下部强风化砂砾岩之间的接触带成为相对软弱的层面，这种地层性质上的差异和软弱接触面的形成，是滑坡形成的一个内在因素。

1.4地震和气候

根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2001)确定，该地区地震烈度为8度，地震动峰值加速度系数为0.20；地震动反应谱特征周期0.45 s。滑坡区域处于天水-兰州东西向地震带，地震背景复杂，活动频繁，多次遭受中强地震的破坏，中强破坏性地震多发生在甘谷、武山、天水等地。影响较大的有2008年“5.12”汶川地震，2013年“7.22”岷县地震。地震频发导致软弱结构面发育，粘结力减弱，促使斜坡体发生滑坡。

该地区属于温带大陆性季风气候，年降水量500 mm左右，降水集中在7月和8月。

图4　滑坡地质断面图

2滑坡成灾机理分析

本文采用因果分析的鱼刺图分析法[6-8]，从物、环境、人三个要素对滑坡成灾机理进行分析，绘制的鱼刺图(图5)能表达滑坡灾害的因果脉络。成灾机理分为三级因素，一级因素包括A物、B环境和C人三个方面因素，二级因素包括地形、地层、构造等12个因素，三级因素是对二级因素的细分，表1为成灾机理因素对照表。从鱼刺图因果分析结果可推知，A物的因素主要为滑坡的内在因素，部分因素是可以通过措施改善的；B环境的因素主要为外部环境因素，部分因素是可以通过措施改善；C人的因素主要为人为外部因素，通过措施可以完全改善。

图5　滑坡灾害鱼刺分析图

3滑坡稳定性评价

3.1滑坡稳定性计算

滑坡稳定性计算采用传递系数法(折线滑动法)进行计算[9-12]。本次计算共选取了3条纵剖面(1条主滑剖面和2条辅助纵剖面)分别建立计算模型，图6为主滑剖面计算模型。

根据折线滑动传递系数法计算公式，稳定性系数表示如下：

表1　成灾机理因素对照表

图6　主滑剖面计算模型

(1)

式中,Ti为第i条块的下滑力(kN)：Ti=(Wi1+Wi2)sinθi+Dicos(αi-θi)；Ri为第i块的抗滑力(kN):Ri=((Wi1+Wi2)cosθi+Disin(αi-θi))tanφi+ciLi；Di为渗透压力(kN):Di=γWhWLisinαicosθi；ψi为推力传递系数：ψi-1=cos(θi-1-θi)-sin(θi-1-θi)tanφi；γW为水的容重(kN/m3)；γ为岩土体的天然容重(kN/m3)；γ′为岩土体的浮容重(kN/m3)；Viu为第i计算条块单位宽度岩土体的水位线以上的体积(m3/m)；Vid为第i计算条块单位宽度岩土体的水位线以下的体积(m3/m)；Wi1为第i条块水位线以上天然重量(kN/m):Wi1=γViu；Wi2为第i条块水位线以下的浮重度(kN/m): Wi2= γ'Vid；θi为第i计算条块地面倾角(°)，反倾时取负值；αi为第i计算条块地下水流线平均倾角，一般情况下取侵润线倾角与滑面倾角平均值(°)，反倾时取负值；li为第i计算条块滑动面长度 (m)；ci为第i计算条块滑动面上岩土体的粘结强度标准值(kPa)；φi为第i计算条块滑带土的内摩擦角标准值(°)。

滑带土天然容重按室内试验取值18.5 kN/m3，饱和容重通过干容重和孔隙率换算取值19.6 kN/m3。从土体天然状态和饱和状态两个工况对滑带土抗剪强度参数c、φ值进行反演分析。

(1) 滑带土天然状态

滑带土在天然状态为暂时稳定状态，稳定系数取Fs=1.05，天然容重为18.5的粉质粘土其经验值计算范围c值取8～19 kPa，φ值取14°～19°，选取此时滑带土对应的c、φ值分别为c=11 kPa，φ=14°，作为天然状态抗剪强度反演值，反演分析成果见表2。

表2　滑带土天然状态c、φ值反演分析成果表

注：反演稳定系数取1.05，当c取14及>14时，反演值计算的稳定系数均>1.1，故其后不再进行反演。

(2) 滑带土饱和状态

滑带土在连续暴雨时为临界状态，稳定系数取Fs=1.0，经验值计算范围c值取4～16 kPa，φ值取12°～18°，选取此时滑带土对应的c、φ值分别为c=10 kPa，φ=14°作为饱和状态抗剪强度反演值，反演分析成果见表3。

表3　滑带土饱和状态c、φ值反演分析成果表

注：反演稳定系数取1.0。

(3)c、φ值的确定

滑带土抗剪强度参数c、φ参考快剪试验标准值、工程类比值和反演值并适当降低，取值结果见表4。

3.2滑坡稳定性评价

根据《滑坡防治工程勘查规范》(DZ/T0 218-2006)，结合滑坡稳定性计算结果对滑坡稳定进行评价，滑坡稳定性评价见表5。结果表明3个计算模型的稳定性评价的结果一致：在自然工况下，滑坡处于欠稳定状态，在暴雨工况下，滑坡处于不稳定状态。

表4　滑带土抗剪强度参数取值表

4滑坡灾害治理

4.1常用治理措施

目前常用的滑坡灾害治理措施包括植物护坡、挡墙、抗滑桩、削坡、截排水工程等[13-15]，其说明及作用见表6。

表5　滑坡稳定性评价表

表6　常用滑坡灾害治理措施一览表

4.2治理方案比选

基于对滑坡灾害调查、成灾机理分析和稳定性评价，初步提出两套治理方案，并从防护、施工、环保、投资四个方面对方案比选分析，详见表7。

方案1——抗滑桩板墙治理方案：治理工程位于滑坡的中上部，抗滑桩布设于管道下方5～8 m，共计9根抗滑桩，其中1#～4#桩和8#～9#桩间距为6 m，4#～8#桩间距为5 m。

方案2——抗滑挡土墙方案：治理工程位于滑坡的下部靠近剪出口位置8 m处，共一道抗滑挡墙，长48 m，顶宽3 m，墙身高6 m，基础3 m，基础底宽5.35 m。

表7　滑坡灾害治理方案比选表

由上表可知，方案1较方案2在施工、环保、投资方面具有较大优势，优先选用方案1。

4.3其他措施

方案1确定了主要治理措施，其主要功能是对滑床进行稳固。根据鱼刺图因果分析成果，其他措施还包括加强植物护坡、增加防排水工程、增设排渗管、限制重车通行、定期人工巡查或监测、斜坡降坡措施等。

本滑坡治理工程于2014年7月完工，通过长期观察和监测，滑坡体处于稳定状态，治理效果良好。

5结论

长输管道沿线的地质灾害对管道安全运营威胁巨大，本文选取了甘肃地区的长输管道穿越的某滑坡地质灾害为研究对象，探讨类似地质灾害的综合分析和治理措施方法，取得如下研究成果：

(1) 对地质灾害现场情况、地质构造、地质地层、地震气候等全面调查分析，是滑坡灾害治理的前提。

(2) 采用因果分析鱼刺图从物、环境、人三个因素对滑坡成灾机理进行分析，区分内因和外因，明确可改善的因素。

(3) 采用传递系数法对滑坡灾害进行稳定性计算，借助反演分析结果确定滑带土抗剪强度参数，评价滑坡在自然和暴雨工况下稳定性。

(4) 基于滑坡灾害的综合分析成果，从防护、施工、环保和投资四个方面比较选定抗滑桩板墙灾害治理方案，结合其他治理措施进行灾害治理，实际效果良好。

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ANALYSIS AND GOVERNANCE OF A LANDSLIDE IN GANSU PIPELINE COMPREHENSIVE DISASTER

HUANG Peng

(PetroChina Southwest Pipeline Company Lanzhou Branch of Oil and Gas Transmission,Lanzhou730060,China)

Abstract:Pipeline is a major national lifeline engineering, landslide hazard may cause long-distance pipeline deformation, crack, fracture and other damage, comprehensive analysis and evaluation of the stability mechanism is a prerequisite for landslide disaster of landslide hazard. Taking a landslide in Gansu province long-distance pipeline for the study, Taking a landslide in Gansu province long-distance pipeline for the study, investigation and analysis of geological structure, geological and seismic stratigraphy climatic conditions, the use of causal analysis of fishbone analysis from material, environment, human three elements of the mechanism of landslide disaster analysis, and the use of transfer coefficient method on landslide stability evaluation. Based on the results of a comprehensive analysis of landslide disasters from protection, construction, environmental protection and investment in four anti-slide Piles Compare Selected disaster management program, the implementation of governance to good effect. Similar research is landslide hazard analysis and control of linear engineering reference.

Key words：pipeline; landslide disaster; disaster mechanism; stability; disaster treatment

文章编号：1006-4362(2016)02-0019-07

收稿日期：2016-03-01改回日期：2016-04-25

基金项目：甘肃省科学院青年科技创新基金(2013QN-12)

中图分类号：P642;P642.22

文献标识码：A

作者简介：黄鹏(1975-)，男，甘肃白银人，中级工程师，研究方向为工程管理。E-mail:fengdediaolin@163.com