人工堆载诱发油气管道滑坡的风险评价方法

2023-03-20黄谱，周峰，孟凡，田波，魏楠，吴磊

科技创新与应用 2023年7期

黄谱，周峰，孟凡，田波，魏楠，吴磊

（1.中国石油西南油气田分公司，成都 610000；2.中铁西南科学研究院有限公司，成都 610000）

管道运输是我国油气运输的主要手段之一，是国民经济和社会发展的生命线工程。随着西气东输、川气东输等长距离油气管道工程的蓬勃发展，油气管线所穿越的地形地貌也越来越复杂，同时，由于内、外地质条件的共同作用，中国西南地区地质灾害频发，在四川省西南山区尤以岩质滑坡灾害最为常见，遭遇的地质灾害种类也越来越多。尤其是不稳定边坡，在工程建设中，边坡问题是一项重要的也是无法避免的工程地质问题，其中滑坡问题在地质工程领域研究中尤为突出，其变形易造成直接经济损失，威胁着坡顶及周边群众的生命财产安全。

我国西南地区油气储量丰富，随着国家加快油气产量开发，其生产设施规模不断扩大，管线呈现出点多、面广及线长的特点。近年来随着我国工程建设量激增，由于堆渣弃土、工程加载等导致管道滑坡地质灾害频发，对油气管线的安全生产和平稳输供气带来的危害和影响日益凸显。因此，对于地质灾害的重要隐患点进行实地调查、评价，尤其是重点防治区和防治重点的地质灾害隐患点，对其危险性进行评估，以及在此基础上提出防治对策建议等具有重要意义。

1 人工堆载诱发管道滑坡风险构成及评价因素

1.1 风险构成

本研究项目主要针对人工堆载诱发的管道滑坡，为单一特定地质灾害灾种。在此将人工堆载诱发管道滑坡风险定义为受人工堆载影响诱发堆积体滑坡并致使管道破坏产生不良后果的可能性，即人工堆载诱发管道滑坡风险包括滑坡发生的可能性（稳定性）及管道破坏后产生的损失（危害性）2 个方面。

1.2 滑坡风险评价因素

1.2.1 滑坡风险评价因素分析

根据人工堆载诱发管道滑坡风险构成要素，即滑坡发生的可能性（稳定性）和滑坡发生后管道破坏产生的损失（危害性），要进行风险分析评价，首先需要分析影响滑坡发生可能性的控制因素。根据本研究项目的特定对象——人工堆载诱发管道滑坡，研究主要选取对斜坡堆积体稳定性具有影响作用的因素进行分析，其中主要包括：堆积体规模、地形地貌、地层岩性、地质构造、气象水文、植被、堆积体近期活动强度及人为影响（人工堆载）。具体分析研究如下。

1）堆积体规模。堆积体规模越大、滑体厚度越大，产生的破坏力越大；滑坡的发生，也符合一般随机事件的分布规律，即小规模事件的发生频率相对较高，如一些小型滑坍经常发生，而大规模事件的发生频率相对较低。

2）地层岩性。不同堆积体的物理力学性质差异较大，松散软弱土体区往往成为堆积体滑坡的易发区。一般第四系人工堆积体固结程度和抗剪强度较低，易产生滑动变形。坚硬岩体形成的堆积体往往风化速度较慢，堆积体中大颗粒棱角状母岩粒径较大形成骨架，利于堆积体的稳定。另外，在堆积体与原地表接触位置因粘结程度较弱，逐渐形成软弱滑面。

3）地形地貌。地形坡度是滑坡形成的重要条件之一，只有处于一定的地貌部位，具备一定坡度的斜坡，才可能发生滑坡。例如山坡、沟谷的斜坡，公（铁）路和工程建筑物的边坡等都属于滑坡易发区。关于滑坡地质灾害发生的坡度条件已有很多的研究，发生滑坡的坡度主要集中在20～40°。此外，堆积体斜坡坡型及坡高对斜坡稳定性也具有控制性影响，斜坡的坡型直接反映了在内外营力作用下坡体演变的历史进程及汇水条件的不同。不同坡型所反映的内外营力也同样控制着坡体上的堆积体稳定性，表现为凸型坡的稳定性最差，滑坡发育较多；凹形坡的稳定性较好，滑坡发育较少。

4）地质构造。一个区域的地质灾害，其起因与演化通常由活动构造、尤其是强烈的新构造运动控制。断裂带越发育的山坡，岩体稳定性越差，为滑坡地质灾害的发生提供必要的物质基础。因此，断裂带发育的量化值是滑坡地质灾害风险评价的重要指标，同时地震也是诱发滑坡的主要因素之一。

5）气象水文。气象水文对滑坡稳定性影响的因素包含较多，其主要有降雨量、暴雨强度、暴雨日数、径流量、地下水和地表水等，但归根结底主要因素是由降雨所引起的，因此，降雨是触发滑坡的重要因素。

6）植被。植被覆盖情况对表层土体滑坡地质灾害的影响较大，根系发达的树木有利于水土保持，可以提高坡体的稳定性。

7）堆积体近期活动强度。堆积体向滑坡演化都具有一定的过程，会出现不同程度的地质现象，如泉水地表出露、周边岩土体出现松弛和垮塌、地表出现裂缝等。根据以往滑坡体长期位移观测资料，滑坡发生大规模滑动之前，均会出现加速变化的趋势，这是临滑的明显迹象。堆积体近期活动强度越强烈，斜坡发生滑动的可能性越大。

8）人为影响强度。破坏斜坡稳定条件的人类活动都会诱发滑坡。通常对边坡稳定性影响较大的人类工程活动主要有：人工堆载、坡脚开挖、蓄排水和爆破震动等，本次主要针对人工堆载诱发滑坡进行研究。随着经济的发展，人类越来越多的工程活动破坏了自然坡体，因而滑坡的发生越来越频繁，并有愈演愈烈的趋势。

1.2.2 滑坡风险评价指标及分级

根据上述滑坡稳定性控制因素，结合本次具体研究对象，选取了12 个控制因素作为人工堆载诱发管道滑坡风险评价因子。在风险评价体系中，指标值的大小直接影响到所给指标对滑坡稳定性的贡献大小。本次评价指标的分级见表1。

表1 滑坡风险评价因子及分级标准

1.3 承灾体损失评价因素

根据滑坡风险的构成，第二个是堆积体滑动后造成管道破坏产生的损失（危害性），即管道失效破坏后对承灾区居民生命财产和各项经济活动所造成的损失。

本研究项目主要针对单一灾种的人工堆载诱发管道滑坡进行风险研究，分别从“管道易损性”和“管道失效后果”2 个方面指标进行统计，评价分级指标见表2。

表2 管道滑坡危害性评价分级指标

2 人工堆载诱发管道滑坡风险评价体系

本研究风险评价体系是基于层次分析法的多因子综合评判方法建立的多因子动态综合评价体系。综合指数法模型基本表达式为

式中：Dl为第i 单元的风险度指数；i 为评价因子；ωi为第i 个评价因子的权重；Ii为第i 单元评价因子在第i单元的赋值；n 为评价因子数。

据上述风险分析因素，建立人工堆载诱发管道滑坡风险评价体系，如图1 所示。在该评价体系中，人工堆载诱发管道滑坡风险度作为最终目标层，人工堆载诱发滑坡可能性及承灾体损失（危害性）作为中间层。滑坡风险影响因素决定着滑坡发生破坏的可能性，因此对各影响因子进行评价；承灾体损失（危害性）评价分别由管道易损性和管道失效后果2 个方面的影响因子来评价。

图1 风险评价体系层次结构图

本研究中各因子按4 级划分等级，并赋予各等级如下定值：极严重为4，严重为3，中等为2，轻微为1。首先把中间层的各因素标记为：A1为人工堆载诱发滑坡因素，A2为承灾体损失因素；评价层的各因素标记为滑坡风险评价因子A1F1～A1F12（12 个评价因子），管道易损性评价因子A2F1～A2F4（4 个评价因子），管道失效后果评价因子A2F5～A2F6（2 个评价因子）。利用AHP 方法对层次中的每一个指标进行赋值，赋值原则根据表3，从而构造出成对比较矩阵。

表3 成对比较的定性定量对照表

根据层次结构模型采用1～9 尺度法，逐项就任意2 个评价指标进行比较，确定其相对重要性并赋予相应的分值。诱发滑坡可能性（稳定性）评价因子矩阵见表4，管道易损性评价因子矩阵见表5，管道失效后果评价因子矩阵见表6。将“诱发滑坡可能性”和“承灾体损失”的影响视为相同；将“管道失效后果”与“管道易损性”的影响视为相同。

表4 诱发滑坡可能性评价因子矩阵

表5 管道易损性评价因子矩阵

表6 管道失效后果评价因子矩阵

计算结果及整体一致性检验结果见表7—表10。

表7 诱发滑坡可能性与承灾体权重值表

表10 管道失效后果评价因子权重值表

管道抗弯截面模量计算公式

式中：D 为管道外径，cm；α 为管道内外径比。

将所求得的各指标权重，代入滑坡风险度评价的多因素综合动态评价模型，得到本研究风险度评价模型

式中：A1为滑坡自身稳定性；A21为管道易损性；A22为管道失效后果。

根据计算结果划分为5 个风险等级标准，见表11。

表8 诱发滑坡可能性因子权重排序值表

表11 管道失效后果评价风险等级

3 实例分析

以新峡渝线管道滑坡为例进行分析说明。新峡渝线全长32.2 km，管线规格D457 mm×5.6 mm，设计压力1.6 MPa，输气量250 万m3/d。滑坡位于重庆市九龙坡区白市驿镇高田坎村洗马沟运营段、白欣路旁。滑体为人工堆积块石土及粉质粘土含建筑垃圾，堆积于管道之上，坡向与管道近似垂直。

表9 管道易损性因子权重值表

滑坡前缘高程347 m，后缘高程378 m，纵长约90 m，宽约100 m，滑体厚5.8～10.0 m，面积6 860 m2，体积约4.1×104m3，属小型滑坡，主滑方向175°。滑坡位于一冲沟上游地段，该处坡体地形相对较陡，坡体内侧为当地交通部门2015 年施工的新建公路，公路开挖后的堆填土置于坡体上，改变了坡体原有应力环境，使原坡体底部软弱面发生变化。2018 年8 月18 日连续强降雨后，由于地面排水不畅导致降雨不断入渗坡体使其软化，从而导致坡体产生位移。滑坡导致位于坡体前缘的天然气管道受到挤压变形并悬空。目前滑坡区右后侧地表仍有裂缝，但管道已经改线至滑坡后缘公路内侧耕地中通过。新峡渝线管道滑坡风险评价因子赋值情况见表12。