显石寨村管道滑坡形成机制及管道易损性评价

冯文凯，张涛，张誉瀚

（1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），成都 610059；2.河南省地质矿产勘查开发局第二地质矿产调查院，焦作 450001）

1 引言

在滑坡作用下，油气管道容易发生位移及塑性屈曲变形，甚至破坏，影响管道运行安全［1]。随着西气东输工程的建设，管道完整性管理日趋完善，滑坡灾害对油气管道的影响越来越受到关注，特别是近10年来，国内外学者对管道与滑坡之间的相互作用做了大量研究工作，且发展迅速，如滑坡对管道的作用物理模拟试验［2－3]、管道与岩土体的相互作用力学关系［3]及管道易损性研究［2]、管道滑坡灾害监测方法［4]、管道滑坡风险量化评价［5]、纵向横向地运动对深埋管道的影响［6]、等，但就目前情况来看，国内管道滑坡的研究尚处于起步阶段，缺少系统的理论支撑，还需进行深入的、系统的探索研究。

花巴输气管线全长140 k m，是巴中市地区的主要天然气供应管道。该管线在巴中市巴州区西南部的石城乡显石寨村3社，横向贯穿于滑坡体前缘中部。2012年7月7日，巴中市普降暴雨，使得管道前缘土体已发生垮塌，输气管道外露，同时管道产生明显的弯曲变形，受灾管道长约77 m。为了科学合理评价管道所处坡体稳定性状况及后期可能遭受的风险程度，本文通过对该滑坡的形成机制研究，结合坡面上强烈的工程活动影响分析，对滑坡的稳定性及滑坡作用下管道的易损性进行了定量评价。

2 滑坡区工程地质条件

2.1 地形地貌

该滑坡位于红层构造剥蚀地貌区，地形上为阶梯状斜坡，滑坡发育在地形相对平坦坡体中部，平均坡度约16°，两端为高陡斜坡，坡度一般＞60°。目前，滑坡区为弃土填方平台，其原始地形呈台坪、台坎相间分布，台坪多发育水田，滑坡前缘为砂岩出露的陡崖。

2.2 地层岩性及构造

区内地层由白垩系苍溪组（K1c）基岩和表层松散第四系覆盖层组成，其中苍溪组岩性为灰白色砂岩、紫红色的粉砂质泥岩组成，产状为30°∠2°；表层覆盖层为残坡积（Qel＋dl4）的粉质粘土和人工填筑（Qml4）的块碎石土组成。

研究区位于巴中－仪陇－平昌莲花状构造体的中心，构造应力相对较弱，无断裂发育，地壳稳定性好，滑坡区地震基本烈度为Ⅵ度，地震动峰值加速度为0.05 g。

2.3 水文地质条件

调查区位于地下水的疏干区域，地下水位埋深较深，但受残坡积的粉质粘土阻水作用和水田积水补给，滑坡区地下水类型主要为松散层孔隙潜水，受大气降水和人工补给。区内地表水不发育，仅在滑坡左侧发育一条季节性冲沟，在雨季，对滑体左缘有冲刷、软化、促滑作用。

2.4 人类工程活动影响

调查发现，滑坡区人类工程活动强烈。目前，坡体正在进行道路及民房建设，开挖削坡、填方堆载现象明显。在后期该处坡体上修建房屋、堆放建材等势必进一步影响滑坡的稳定性。

3 滑坡基本特征

根据野外地面调绘，滑坡边界主要依据变形范围、地形地貌、岩性组成等特征圈定。坡体后缘发育填土沉降变形迹象，填土区域以外暂未发现明显拉张裂缝，因此初步划分后缘边界以填土区边缘为界，坡体前缘临空，基岩出露，前缘边界特征明显；左侧边界基本沿原始坡体冲沟为界，右侧纵贯斜坡的人工排水管道未出现明显错动破坏迹象，可作为滑坡右侧边界。平面上，滑坡体总体呈圆弧形（图1），纵向长约45 m，横向宽约100 m，平均厚度约5 m，主滑方向75°，坡体后缘高程515 m，前缘高程约503 m，相对高差约12 m，平均坡度约16°，滑体总量约为1.8×104m3，剖面形态呈折线状；管道横向于滑坡前缘通过，埋深0.6 m，向坡外已发生明显的弯曲变形。

图1 滑坡工程地质平面图Fig.1 Engineering geological plan of the landslide

滑坡体物质成分由上部的新近人工填土和下部残坡积土组成（图2）。其中人工填土以碎石土为主，灰黄色，松散状，均匀性差，碎石一般呈次棱角状，岩性以全、强风化的砂泥岩，其中粒径0.2～2 cm的角砾含量约35%，粒径2～20 cm的碎石含量约45%，局部可见＞20 cm的块石。填土区目前处于固结沉降阶段，在自身压密作用下局部发育有裂缝和沉降变形；填土下部的残坡积粉质粘土呈灰褐色，很湿，多呈可塑－软塑状，韧性中等，局部夹砂泥岩砾石，砾石呈次棱角状，强风化，粒径0.2～2 cm，含量约为1%～5%，该土层厚度一般1～2 m，由于填方前该区域主要为水田作用的冷浸田，土体具有透水性差、含水量高、物理力学性质差、易压缩变形等特点，所以该土层为斜坡稳定性的软弱层。

滑床由白垩系下统苍溪组（K1c）的灰白色砂岩、粉砂岩互层状产出，岩层走向东南－西北向，产状为30°∠2°。

图2 主滑方向工程地质剖面图Fig.2 Profile in the main sliding direction

4 变形破坏特征及形成机制分析

4.1 变形破坏特征

现场测绘发现，坡体左右两侧受暂时性地表流水改造，变形迹象不明显；后缘新近填土在自身固结沉降作用下产生塌陷破坏，发育有弧形裂缝（图3），裂缝长度约1～2.5 m，宽度约1～3 cm，可见深度约3～5 cm，但裂缝并未贯通；坡体前缘变形破坏迹象明显，2012年7月7日，坡体前缘土体在暴雨作用下，发生的大规模垮塌、树木倾倒，垮塌长度约77 m，宽度约5 m，平均下错深度约30 cm，垮塌土方量约为100 m3，导致花巴输气管线出露，在地滑力作用下管道发生明显弯曲变形（图4）。从管道的弯曲变形可知，坡体有明显向前滑移的趋势。

4.2 控制因素分析

（1）地形条件

坡体前缘为高陡悬崖，为斜坡失稳提供了良好的临空条件。

（2）岩土物质组成

图3 后缘沉降裂缝Fig.3 Settlement cracks at the trailing edge

滑体上部的人工填土具有均匀性差、密实度低、孔隙度大、厚度大、浸水软化强烈等特征，目前主要以沉降固结为主，兼有一定的侧向变形。下伏的粉质粘土在长期水田浸泡下，具有高含水量、弱透水性、物理力学性质较差、抗剪强度低等特点。调查发现，在原始坡体进行填方时并未对该层粉质粘土层进行任何工程处理，因此，原始斜坡坡表的耕植土与残坡积粉质粘土是控制斜坡稳定性的关键，在暴雨和加载的进一步作用下，填方边坡可沿该层土体发生滑动。

图4 前缘输气管道弯曲变形Fig.4 Pipeline bending at the leading edge

（3）填方加载作用

由于场区原始地形为多级平台，填方区土体在其自稳能力较差的情况下，自身即可发生沿内部软弱面剪切滑动变形，加之该处最大填方高度达7～8 m左右，增大了坡体后方荷载，坡体滑动势能相对较高，而下伏性质较差的原始残坡积土，更为填方整体滑动提供了良好的附着面（滑动带），因此填方土体加载作用则是导致此次垮塌破坏产生的重要因素。

（4）降雨

降雨对坡体稳定性主要表现在以下两方面：一是暂时性地表水流沿坡体两侧冲沟，对坡体进行下蚀冲刷，降低坡体两侧的抗剪性能；二是降雨下渗至粉质粘土层时，受该层土体阻水作用，地下水由垂直下渗变为沿土层侧向径流，径流过程中对土体有软化、促滑作用。因此，应高度重视降雨对滑坡的影响。

4.3 形成机制分析

坡体前缘良好的临空条件和可塑－软塑状粉质粘土形成的软弱层，是坡体失稳的必要条件。后期，在原始坡面上直接进行的弃土填方工程，增加了斜坡坡体的下滑力，是诱发坡体失稳的主要因素。此外，受坡体后缘公路修筑工程活动影响，特别是公路两侧的排水不畅（调查期间公路排水沟水体直接下渗至坡体内），导致原状土进一步饱和，抗剪强度进一步降低，使得整个坡体稳定性不断降低。

目前，坡体在填土加载作用下，前缘临空面土体已出现垮塌破坏，属于局部失稳破坏；管道的明显弯曲变形迹象证明管道后侧坡体对其有一定的挤压作用，但其后方填土未见明显贯通拉张裂缝，管道后侧的原始稻田也未见明显鼓胀，说明堆积体滑坡目前整体处于蠕滑变形阶段。

5 变形趋势分析及易损性评价

5.1 斜坡现状稳定性分析评价

目前斜坡处于蠕动变形阶段，由于填方平台目前为规划中的新农村建设用地，后期必然会引起坡面荷载增加，加快斜坡的蠕动变形速度，甚至坡体失稳破坏，影响输气管道和坡体上居民安全。为准确评价该斜坡对居民生活和输气管道安全的影响，分析现今坡体稳定性和加载后坡体稳定性显得十分必要。

（1）计算模型及参数选取

结合滑坡变形破坏现状及人类工程活动影响，选取纵剖面1－1′为计算剖面，分别建立滑坡在无荷载条件下和工程加载后的计算模型。依据极限平衡理论，结合Geo－slope模拟软件，分别计算两种模型在天然、暴雨、地震等工况下的稳定性。

在填方平台上规划建设2层楼房，砖混结构，单层高3.5 m，依据工程经验，假设工程建成后，地基所受均布荷载P0＝25 k Pa。

通过工程类比和参数反演，综合确定岩土体的物理力学参数详见表1。

表1 滑坡岩土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters for the soil and rock of the landslide

（2）稳定性计算及分析

Sl ope模块对两种模型的计算结果见表2，结果表明在无荷载情况下，坡体在天然、地震工况下稳定性系数k＞1.15，处于稳定状态，发生滑动的可能性小，在暴雨工况下稳定性系数k＝1.078，坡体处于基本稳定状态。结合现场调查，目前坡体前缘未见鼓胀裂缝和剪裂缝等标志性变形迹象，从管道明显弯曲变形现象来看，坡体处于蠕滑变形阶段，整体发生滑动的可能性不大，总体上较吻合。但模拟后期新农村建设后，坡面受建筑荷载作用，在暴雨工况下，其稳定性系数降低1.048，坡体处于欠稳定状态。

5.2 管道易损性评价

（1）基本原理

根据相关规范［6]要求“管道及管件的永久荷载、可变荷载所产生的纵向应力之和，不应超过钢管的最低屈服强度的80%，但不得将地震作用和风荷载同时计入”。因此引入易损性系数K：

其中，σa为管道在内外荷载作用下的纵向应力之和，包括管道内压引起的环向应力、温度变化引起的轴向应力，以及外荷载作用的轴向附加应力。考虑到管体温度变化产生的轴向应力较小，本文计算中忽略其对易损性系数K的影响，有：

式中，σa为管道纵向应力之和（MPa）；σs为管道最低屈服强度（MPa）；σh为由内压引起的管道环向应力（MPa），σh＝0.72σs；μ为波松比，对受土体约束的管道，取0.3；σe附为管道所受最大附加轴向应力。

其中管道的最小屈服强度（σs）根据管线的材质为L245型，取值245 MPa；管道的最大附加轴向应力（σe附）利用稳定性折减法［1]确定：

式中，k0为不同稳定状态下管道应力变化系数，k0＝1.030k－11.846；KP为原型修正系数，取3.95×10－6；C几何、λ为几何相似系数和应力相似系数，分别取值0.045 7和1.704；L、B、Hh、Hm为实际滑坡的长、宽、滑体厚度及管道埋深。

表3 管道易损性计算结果统计表Table 3 Calculations of the pipeline＇s vulnerability

（2）易损性评价

把滑坡特征相关参数代入式中进行计算，计算结果如表3所示。计算结果表明，在目前无荷载天然、地震工况下，管道的易损性系数远小于1，管道可安全运营，但在暴雨条件下，易损性系数K＞1，且管道总的轴向应力σa＝290.471 MPa＞245 MPa＝σs，说明管道在暴雨工况下具高易损性。结合现场管道反生的明显弯曲变形来看，虽然管道保持着完整无破裂状态，但已达到管道的屈服极限，在暴雨的不利条件下可能发生灾难性事故，特别是在工程建设后，坡体上覆荷载增加，更是提高了管道的易损性。因此，该处管道滑坡应尽早进行工程处理措施。

6 结论及建议

（1）该管道滑坡是由于工程加载、暴雨诱发的推移式滑坡，目前处于蠕滑变形阶段。

（2）对滑坡的形成机制分析及稳定性计算得出，滑坡在新农村建设再次堆载后的暴雨、地震工况下处于欠稳定状态。目前，在暴雨工况下处于基本稳定状态。

（3）对管道在滑坡条件下的易损性定量评价结果表明，目前输气管道处于屈服极限状态，具高易损性，极易在后期发生破裂。

（4）考虑到管道目前的变形破坏状态及滑坡体后期的工程建设影响，建议对该段管线进行改线，同时建议在管道内侧开挖应力消减沟的应急措施。

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