洪荆线86#桩附近管道边坡裂缝成因及稳定性分析

岳艳艳，史继彪

徐州中矿岩土技术股份有限公司，徐州 221100)

随着人类工程活动的开展，边坡开裂、失稳等地质灾害越来越多，对公路、铁路、机场、管道等设施的安全运行造成了一定影响。高盛翔等[3]研究分析了云南成品油管道安宁高填方边坡坡顶非失稳性坡顶开裂规律;王磊等[4]对云南丽江某高边坡进行了稳定性评价并提出边坡治理措施;贺志杰等[5]采用数字散斑相关方法(DSCM)进行边坡变形监测。国内学者在边坡灾害机理及治理研究取得了一些成果[6-9]。

研究区边坡位于湖北省潜江洪荆线86#桩附近，2019年8月发现坡顶开裂现象，可能危及输油管道安全。结合实地勘察、测绘资料及土工测试数据，分析边坡工程地质性质及坡体开裂变形特征，在此基础上，通过模拟计算与简易监测，计算边坡稳定性并分析开裂原因，提出针对性防治建议，现状下边坡处于安全稳定状态。

1 边坡变形特征

1.1 坡顶开裂概况

洪荆线86#桩附近输油管道中心埋深1.3～1.5 m，两侧开挖土方制砖形成高边坡，自20世纪90年代以来从南向北依次修建3段边坡防护挡墙：20世纪90年代修建南段砖砌挡墙，2015年修建中段浆砌块石挡墙与护坡，2016年修建北段浆砌块石挡墙与护坡。

2019年8月管理单位巡检发现南段及中段坡顶纵向开裂，疑似边坡失稳前兆，开展了简易测量：裂缝与管道及坡顶线近平行，交错发育1～2条，总长度约170 m，宽3～5 cm，可测深度最高达1.3 m(图1)。

图1 研究区坡顶裂缝现场照片

1.2 南侧边坡变形特征

南段边坡为砖砌挡墙支挡，坡顶裂缝分为两类，一类位于东侧坡肩，呈断续分布，单条裂缝长度0.5～1.5 m；另一类位于坡顶中部、管道侧边，连续性较好，长度约5～9 m。

现状下挡墙整体性完好，局部表面砂浆层脱落，无明显墙体开裂、挤鼓、断陷特征，无树木根系破坏特征，坡面平整无“马刀树”等滑坡痕迹，坡脚沟槽处有明显回填土沉降固结而形成的坳陷。

1.3 中段边坡变形特征

中段边坡为浆砌块石支挡，挡墙外侧勾缝完好，顶部抹面砂浆中部存在走向方向的裂缝。坡面植草砖多开裂，局部底衬砂浆侧挤破裂，砖孔内有灌木、乔木生长，存在较明显的“马刀形”，其余坡面总体较完整，无挤鼓、开裂等不良特征。

坡顶开裂为两条近平行分布的裂缝，连续性较好，最大可测深度1.0～1.3 m，宽度约3～5 cm，裂缝上大下小，两侧无错台。裂缝至坡顶边缘处存在走向坳陷，高差10～20 cm。踏勘期间对裂缝进行了观测，断面处有植物根系伸出，较平整，未发现水蚀痕迹。

1.4 北段边坡变形特征

北段边坡西侧为历史开挖的鱼塘，东南侧为砖厂正在开挖的取土坑，最大实测深度约15.8 m。坡顶较中段南段宽，坡度基本一致，暂未发现裂缝。

踏勘期间坡脚截水沟存细长流水，水面以上1 m范围内潮湿，土质为灰色粉质粘土，轻微腥臭味，可塑，干强度高。距首次踏勘20 d后，取土坑底部形成突涌水塘，最大水深约4.9 m，坡脚处存在稳定的渗出水流。

2 地质环境条件

研究区地处长江与汉江冲积形成的江汉平原，管道附近制砖厂经过20余年挖方取土，于管道两侧形成挖方边坡，坡度30°～45°，坡高7.4～15.8 m，多数挖方区积水开发成为养殖鱼塘，坡顶开裂期间研究区东北侧仍在开挖取土。

经现场踏勘及周边地形测绘，结合场地地形条件、取土场出露地层和鱼塘、涌水点分布情况，本次共布设8个勘察孔，同时均下设井管构成水文观测孔。根据勘察成果，研究区岩土体自上而下划分为：①杂填土：主要为路基碎石、砖块和植物根系，力学性质差；②粉土：棕黄色，稍湿，中密；③粉质黏土：灰褐色，可塑，干强度中等，韧性中等；④黏土夹粉砂：灰黑色，软塑-可塑，有机质含量较高，力学性质一般～中等；⑤含砂浆黏土：灰黑色，硬塑，含砂浆、铁锰团块，干强度高，韧性高；⑥黏土：黄褐色，硬塑，干强度高，韧性高，力学性质好；⑦黏土：棕色～灰褐色，软塑～可塑，分布不均，力学性质一般；⑧粉砂：灰黑色，中密，级配不良，为承压含水层。典型工程地质剖面图见图2所示。

图2 工程地质剖面图

研究区周边河网纵横，区内分布有东西两排鱼塘，水位埋深1.5～4.5 m，水位四季变化幅度小于0.5 m。地下水类型主要为松散层孔隙潜水和承压水。潜水含水层以杂填土和下层粉土为主，透水性中等，水位与鱼塘基本保持一致。承压含水层以粉砂层为主，平均水位埋深6.46 m。潜水和承压水层之间均匀分布有超过10 m的黏性土隔水层，相互间水力联系微弱。

地下水补给以降雨入渗和河流补给为主。潜水排泄通道主要为灌溉、养殖，少部分蒸发，区内承压水击穿取土坑底形成突涌“泉眼”排泄形成承压水池塘，勘查期间由制砖厂潜水泵向南侧鱼塘和北侧沟渠抽排，流量30～60 m3/h。

3 边坡变形监测与分析

自坡顶开裂后，管理单位采取彩条布覆盖隔水应急措施，加强巡检，巡检期间未发现裂缝加剧、挡墙护坡措施进一步损毁情况。同时，开展10处裂缝宽度定点简易监测工作(图3)，监测期间仅10月13日和14日凌晨有小雨，其余时间均无降雨，监测数据见图4所示。

1.输油管线；2.地裂缝及编号；3.护坡及挡墙；4.地面要素；5.剖面号；6.边坡图3 研究地形条件示意图

图4 裂缝宽度观测记录

从监测数据上看，整体无统一规律性变化，裂缝宽度无明显变化，趋于稳定。

4 边坡稳定性分析

4.1 计算参数选取

综合勘察成果和土工测试数据，选取各岩土层模型参数见表1所示。

表1 模型参数选取表

4.2 边坡稳定性模拟计算

边坡稳定性采用按天然工况，采用简化Bishop条分法进行计算评价。

边坡坡高7.4～15.8 m，破坏后果很严重，安全等级一级，按规范[1]要求，边坡稳定性状态按表2确定。

表2 滑坡稳定性状态划分

由北向南共选取9条剖面(图2)进行边坡稳定安全系数计算，全国计算结果见表3，典型计算图见图5。结果显示，整体边坡处于基本稳定～稳定状态。

图5 剖面4-4′ 稳定安全系数计算图

表3 边坡整体稳定性计算结果统计表

4.3 填土固结沉降分析

研究区管道沟槽开挖回填为2016年左右进行，各部位裂缝均有可能是填土固结沉降导致的不均匀变形而形成拉裂缝，现场变形较大，排除其对边坡整体稳定性的影响。北段挡墙和护坡砌筑时间为2016年，根据结构图和现场外观调查，坡面有30 cm厚的人工砌筑层，挡墙整体结构性好，挡墙后背填土的固结变形对坡面影响很小。南段砖砌挡墙年代较久，挡墙因基槽开挖造成的坡面变形早已稳定。

中段浆砌石挡墙砌筑于2015年，坡面采用六角空心植草砖，是本次裂缝最为连续区域，针对该段坡脚管沟回填土和挡墙墙背回填土进行应力应变分析，选取4-4′ 剖面计算得XY位移和X应变分别见图6和图7。

图6 剖面4-4′ XY位移等值线图

图7 剖面4-4′ X应变等值线图

结果显示，在中段坡脚回填土和挡墙墙背回填土共同固结沉降影响下，坡肩处出现拉应变区，与现场裂缝发生的位置一致；在挡墙墙背出现位移较大和应变集中区，与现场出现的“马刀树”、植草砖破损以及墙背部分开裂的情况相符。

4.4 渗流稳定性评价分析

研究区含水层分布与区域地下水情况保持一致，结合地下水位观测结果以及调查期间新形成的开挖突涌点高程综合展开渗流稳定性分析。

潜水水位与鱼塘水位基本保持一致，总体呈西高东低的趋势，水力坡度约0.5°～2°，呈由北向南减小趋势，北段挡墙坡脚有渗水出露，清澈不含泥沙，表明坡体不存在东西两侧贯穿的潜蚀渗流破坏情况，排除潜水对边坡整体稳定性的不利影响。

承压水突涌稳定性采用以下公式[7]计算：

式中,Kh为突涌稳定安全系数；D为承压含水层顶面至坑底的土层厚度(m)；γ为承压含水层顶面至坑底土层的天然重度(kN/m3)；hw为承压水含水层顶面的压力水头高度(m)；γw为水的重度(取9.8 kN/m3)。

对突涌点根据按1-1′ 和2-2′ 剖面地层进行渗流稳定性验算，结果见表4。

表4 承压水突涌稳定性验算表

结果显示，突涌安全系数均已小于1.1的极限值，与承压水分布和现场突涌等情况相符，并非边坡坡脚滑移失稳导致的渗水，排除承压水对边坡整体稳定性的不利影响。

5 坡顶开裂成因分析

结合现场地形、工程地质特征、地下水情况，以及坡脚管沟开挖、挡墙修筑、砖厂取土、突涌点分布等工况调查与分析，从强度、变形、渗流稳定性方面归纳坡顶开裂可能诱因有以下几种可能：①坡体整体稳定安全系数不足，土层滑动导致坡顶开裂；②挡墙后背回填土固结沉降变形，引起坡顶开裂；③地下水渗流引起的坡体土颗粒潜蚀；④地下水水位下降不均引起的坡顶不均匀沉降；⑤管道沟槽开挖回填引起的不均匀沉降裂缝。

经稳定性安全系数计算，除一处剖面“基本稳定”外，其余段均为“稳定”状态。

经计算分析，北段通过突涌计算和渗流分析，排除地下水对坡体稳定性的影响。中段坡体裂缝形成原因为挡墙后背回填土固结沉降，现状下已趋于稳定，对边坡整体稳定性无影响。南段裂缝形成原因为输油管道沟槽开挖回填，不均匀沉降引起表层土体拉裂，现状下已趋于稳定，对整体稳定性无影响。

6 结论

本文在查明研究区工程地质水文地质条件前提下，根据边坡形成时间和护坡条件分为北段、中段和南段3种情况，采用数值模拟和解析解分析方法，分别计算验证了边坡整体稳定性、地下水渗流稳定性和挡墙回填土固结沉降变形。排除了边坡整体失稳和渗流破坏失稳两种不利状态，得出坡体开裂原因主要为挡土墙墙背回填土固结沉降引起的坡表不均匀拉裂，次要原因为管道沟槽回填土不均匀沉降引起的坡表不均匀拉裂。