某油气长输管道HB251边坡稳定性分析★

黄嘉欣 孟宗权 温秀萍 冯德佳 张 拓 禹 杨 古 玥

(1.西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054；2.西气东输广东管理处，广东 广州 510700；3.西气东输甘陕管理处，陕西 西安 710054)

0 引言

滑坡以剪切破坏为主，它的破坏机制是某一滑裂面上的滑动力矩超过了全部抗滑力矩所致[1]，HB251滑坡位于广东省韶关市某天然气管道北侧。2014年发现HB251桩北侧山体出现滑移，且有继续发展的趋势。根据业主提供的监测数据，显示管道应力应变较小，未达到预警级别。2016年11月该处滑坡发生了一次较大规模变形，山脚设置的挡墙及排水沟均已出现了开裂、倾斜等不同程度的损毁情况，形成高约1 m～3 m的后壁错台，山体滑坡进一步发展，严重威胁山体南侧天然气管道的安全运行。

到目前为止，边坡稳定性分析方法，大致可归类为：极限平衡法、类比法、基于临界破坏性理论的以有限元法(FEM)为代表的数值分析法，概率方法以及一些其他新方法，例如模糊理论，反分析法，人工神经网络算法及灰色理论分析等[2-4]。其中，简化Bishop法是极限平衡法的一种，该法计算概念明确，能分析复杂条件下土坡稳定性，能对不同的潜在滑动面进行模拟试算。当然，其也有明显的缺点：对于要明确考虑土壤性质的空间变异性的情况下，例如边坡中存在明显的软弱夹层、或裂隙比较发育的岩土体，则要考虑用剩余推力法或有限元法对滑坡推力及稳定性进行计算[5]。

勘测数据显示，HB251滑坡体由均质的粉质黏土组成，其最危险滑动面为近“圆弧”状，最危险滑动面附近，滑弧安全系数变化小，因此，本文使用理正6.0软件，采用简化Bishop法分计算稳定性。 以期为提出保障该段油气长输管道安全运营的有效治理措施提供技术支持和决策依据。

1 工程概况

1.1 工程地质概况

1.2 滑坡影响因素分析

根据地面调查及勘探揭露情况分析，滑坡变形与场地所处的地质环境密切相关。

1)地层岩性。

HB251滑坡所在斜坡体主要由残坡积均质粉质黏土组成，坡面物质结构松散，容、透水性能好，遇水易软化，抗剪强度及力学性质降低，形成软弱层，在外力作用下极易产生滑动，是滑坡形成的物质基础。

2)地形地貌。

HB251滑坡处于斜坡地形之中，坡高29 m左右，地形坡度一般有30°，前缘由于管道施工切坡，陡坎近于直立，形成高1 m左右的临空面，滑坡稳定性较差，为滑坡的变形破坏提供了一定的条件。

3)水的作用。

水是导致斜坡变形破坏的重要因素，主要表现在以下2个方面：

a.大气降水是滑坡形成的诱发因素。雨水入渗土体，增大了土体容重，降低了土体的抗剪强度，同时浸润软化了潜在滑移控制面，对地质灾害的形成起促进作用。

b.坡体含水，勘察期间测得稳定地下水位标高为201.52 m～204.62 m，由地下水产生的浮托力、渗透力均不利于斜坡的稳定。

4)人类工程活动。

场区内人类工程活动主要为西气东输天然气管道切坡施工，施工时切坡形成了临空面，破坏了斜坡原始的应力平衡，使斜坡开始出现变形，坡体出现裂缝，促成了滑坡的发生。

综上，不良的地质环境条件是形成滑坡的物质基础，人类工程活动是滑坡发生的诱发因素，降水对滑坡变形起到促进作用。

1.3 滑坡形成机制分析

场区高差较大，坡面坡度较陡，前缘坡脚开挖，形成临空面，破坏了斜坡原始应力平衡，不利于自身稳定性；加之在暴雨的作用下，水体直接渗入松散堆积体中，导致土体软化，抗剪强度迅速降低；斜坡在地下水及地表水的作用下发生滑动。根据各种变形迹象分析，该滑坡是因前缘坡脚失稳，致使滑坡中后部土体向下滑移，并出现逐级向后扩展的趋势，反映滑坡具牵引式特性。

2 简化Bishop法原理

将圆弧滑动体分为若干等宽垂直条块，分别求其自重并将重力分解成与滑动面相切和正交的两个分力，并以圆弧的圆心为力矩中心，求该破裂面的安全系数(需要注意的是，滑面为圆弧不是简化Bishop法的必要条件)[6]。

基本假定：垂直条块间无竖向条间力，只存在水平条间力；垂直条块满足总体力矩平衡与竖向力平衡条件。

土条受力分析简图如图4所示。

根据土条竖直方向的静力平衡及总体力矩平衡条件，管道附近滑坡段滑面为圆弧滑面，则取矩中心为圆弧的圆心所在位置，x=Rsinα,且土条底边法向力的力臂f=0。求得简化 Bishop 法安全系数表达式：

(1)

其中，F为安全系数；φ为土条底边的摩擦角；N′为土条底边有效法向力；c为土条底边的有效粘聚力；W为土条重力；α为土条底边倾角。

3 边坡稳定性极限平衡分析

根据勘查的结果，得到各土层的岩性情况如下：

褐黄、褐红色，软～可塑状，潮湿，干强度、韧性中等，夹约10%的粉细砂。该层土结构松散，含水量较高，岩土物理工程性质较差，易发生层内滑动。厚度5.10 m～12.00 m，平均厚度9.70 m。该层为滑坡体的主要物质组成。

2)全风化花岗岩。

暗红夹灰白色，全风化，原岩结构依稀可见，主要物质组成为石英、长石，可见少量云母，岩芯呈土柱状、砂状，密实状，局部地段内夹花岗岩球状风化物残留的漂石。该层物理力学性质良好，厚度大且连续，钻孔揭露厚度为1.70 m～28.30 m。

3)强风化花岗岩。

暗红夹灰白色，强风化，粗晶花岗结构，包含矿物主要为石英、长石及黑云母，节理发育，节理面有石英脉充填，岩芯呈块状，块径约为2 cm～15 cm，该层厚度约为1.20 m～1.50 m。

4)中风化花岗岩。

粗晶花岗结构，暗红夹灰，中度风化，含石英、长石及黑云母，岩性致密，锤击声脆。据勘测报告，该层揭露厚度4.2 m。

将滑动土体分为15个土条并对土条自下而上编号，分两种工况进行计算(工况Ⅰ：自重+地下水工况。该工况下，滑体自重是作用在条块上最重要的作用力，采用天然重度以及天然抗剪强度，计算时考虑稳定地下水的影响；工况Ⅱ：自重+地下水+暴雨工况。该工况下，物理力学参数采用饱和重度γ以及饱和抗剪强度所代表的φ和C，计算时考虑稳定地下水的影响)。其岩土层物理力学指标取值如表1所示。

表1 滑坡治理参数取值表

图5～图7为采用简化Bishop法得到的计算模型示意图，可以看到明显的潜在滑动面，潜在滑动区域覆盖半坡的大部分区域。表2为模拟计算得到的两种工况下代表剖面的安全系数，可以看到在有暴雨的工况下，边坡安全系数均小于1，达不到边坡安全标准。

整体分析表明，边坡粉质黏土层和强度较高岩层交接处易构成潜在滑动面，加之受管道施工的影响，存在安全不足的问题，该段边坡需要采取进一步的加固措施来保障天然气管道的安全运行。

表2 采用简化Bishop法的计算结果

4 结论与讨论

1)采用简化Bishop法，能分析复杂条件下土坡稳定性，能对不同的潜在滑动面进行模拟试算。假定破坏面为圆弧，3个代表计算剖面在一般工况下稳定安全系数大于1.05但小于1.15；暴雨工况下稳定安全系数均小于1.0。根据规范判定标准，该滑坡在自然工况下处于基本稳定状态，在暴雨饱和工况下将处于不稳定状态，对滑坡前缘的天然气管道造成极大威胁，因此，应对该滑坡采取措施进行治理。

2)比较图5～图7可知，如果边坡失稳，破坏模式为圆弧形破坏，前缘坡脚失稳，致使滑坡中后部土体向下滑移，并出现逐级向后扩展的趋势。可根据场区内工程地质条件和规模，采取合理的治理方案措施，如抗滑桩+抗滑挡墙+截排水沟的方案。