黃鵬

(中石油西南管道公司蘭州輸油氣分公司，蘭州　730060)

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甘肅長輸管道某滑坡災害綜合分析及治理研究

黃鵬

(中石油西南管道公司蘭州輸油氣分公司，蘭州730060)

摘要：長輸管道是國家重大生命線工程，滑坡災害可能導致長輸管道變形、拉裂、斷裂等破壞，對滑坡成災機理綜合分析和穩(wěn)定性評價是滑坡災害治理的前提。本文以甘肅地區(qū)長輸管道的某滑坡體為研究對象，調查分析地質構造、地質地層和地震氣候情況，采用因果分析的魚刺分析法從物、環(huán)境、人三個要素對滑坡成災機理進行分析，并采用傳遞系數(shù)法對滑坡進行穩(wěn)定性評價。基于滑坡災害的綜合分析成果，從防護、施工、環(huán)保和投資四個方面比較選定抗滑樁板墻災害治理方案，治理實施效果良好。研究成果為類似線性工程的滑坡災害分析和治理提供參考。

關鍵詞：長輸管道；滑坡災害；成災機理；穩(wěn)定性；災害治理

長輸管道作為國家重大生命線工程，擔負著油、氣等資源的主要輸送任務，因其穿越地質區(qū)域、地形構造、氣候環(huán)境復雜多變，沿線的地質災害對長輸管道安全運營產(chǎn)生巨大威脅。地質災害根據(jù)成因劃分為地殼內(nèi)部構造作用、地殼外部構造作用和特殊土體導致的三大類地質災害[1,2]。屬于地殼外部構造作用的崩塌、滑坡、泥石流等重力式斜坡災害，發(fā)生時管道因承受運動物質的巨大拖曳力，可能發(fā)生管道彎曲變形、拉裂甚至整體斷裂等破壞[3]。其中滑坡災害作為常見的危害較大的地質災害，成災因素包括地質、地層、地形、降水、地震和人為等因素，對滑坡災害成災機理、穩(wěn)定性和治理措施等方面的研究，是國內(nèi)外研究的重要的地質工程問題[4,5]。

本文針對某長輸管道在甘肅地區(qū)穿越的某滑坡體實例，在地質災害調查、勘查測量、巖土試驗等工作基礎上，對該滑坡體的成災機理、穩(wěn)定性和防治措施進行綜合分析和探討，為類似線性工程滑坡地質災害調查研究、分析評價和綜合治理提供參考。

1滑坡災害調查

1.1滑坡概況

受2013年“7.22”岷縣地震及連續(xù)降雨影響，甘肅地區(qū)某長輸輸油管道局部段發(fā)生了滑坡。在盤山公路外側形成了垂直管道方向的滑坡體，根據(jù)滑坡發(fā)育的特征，該滑坡可分為兩個滑坡體1#滑坡體和2#滑坡體，滑坡全貌見現(xiàn)場照片圖(圖1)。長輸管道穿越1#滑坡體中上部，該滑坡嚴重威脅長輸管道安全運營，本文對1#滑坡體進行重點分析研究。

1#滑坡面積為1 550 m2，為淺層堆積層推移式滑坡，主滑方向為N9°E，縱軸長49 m，前緣寬29 m，中部最寬處45 m，后部寬25 m，滑體厚度2～7 m，滑坡體積約0.9×104m3，該滑坡具有明顯的整體變形、滑動特征和較明顯的剪出口。

圖1　滑坡現(xiàn)場照片

1.2地質構造調查

據(jù)調查滑坡區(qū)域位于大地構造分區(qū)的秦嶺褶皺系的禮縣-柞水冒地槽褶皺帶(Ⅲ-2)，詳見區(qū)域地質構造圖(圖2)。秦嶺褶皺系是一個古生代以來中國地臺上裂陷下沉后再生的地槽帶，歷經(jīng)加里東、海西和印支運動，于印支運動最終回返，為一個多旋回褶皺系。褶皺構造是斜坡形成的先決條件之一。

Ⅱ.祁連褶皺系；Ⅱ-1.走廊過渡帶；Ⅱ-2.北祁連優(yōu)地槽褶皺帶；Ⅱ-3.祁連中間隆起帶；Ⅱ-4.南祁連褶皺帶；Ⅲ.秦嶺褶皺系；Ⅲ-1.南秦嶺冒地槽褶皺帶；Ⅲ-2.禮縣-柞水冒地槽褶皺帶；Ⅲ-3.北秦嶺褶皺帶圖2　 區(qū)域地質構造圖

Q.第四系;N.第三系(中新統(tǒng)+上新統(tǒng));R.第三系(古新統(tǒng)-始新統(tǒng)+漸新統(tǒng));K.白堊系;J.侏羅系;T.三疊系;P.二疊系;Pz.前志留系;Pt.元古宇圖3　區(qū)域地質圖

1.3地質地層分析

滑坡體位于甘肅省東南部武山縣，該區(qū)域地處秦嶺山地北坡西段與隴中黃土高原西南邊緣復合地帶，黃河一級支流渭河的上游，區(qū)域地質圖見圖3。區(qū)域出露的巖性地層為白堊系上統(tǒng)(K2m)，主要為紫紅色含礫砂巖、砂礫巖夾細砂巖、粉砂質泥巖，傾向220°，傾角20°。滑坡體為覆蓋的第四系更新統(tǒng)(Q2-3)，巖性為淺色粉土質亞粘土，含鈣質結核，底部有砂礫層，結構疏松，具大孔隙，垂直節(jié)理裂隙發(fā)育，透水性強。

滑坡體斜坡受基巖傾角影響較小，其形成主因為第四系堆積、沖積作用。第四系更新統(tǒng)(Q2-3)的疏松結構且透水性強，其斜坡抗剪強度低，有利于滑坡的發(fā)育。

經(jīng)現(xiàn)場勘查，滑坡地層主要為粉質粘土和礫類土，滑床位于砂礫巖強風化殼中，圖4為滑坡地質斷面圖。粉質粘土和礫類土土體結構較松散，內(nèi)聚力較低，滲透性較強，雨水易于下滲；砂礫巖強風化層巖性較軟弱，抗剪強度低，易形成軟弱結構面。上部土層和下部強風化砂礫巖之間的接觸帶成為相對軟弱的層面，這種地層性質上的差異和軟弱接觸面的形成，是滑坡形成的一個內(nèi)在因素。

1.4地震和氣候

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2001)確定，該地區(qū)地震烈度為8度，地震動峰值加速度系數(shù)為0.20；地震動反應譜特征周期0.45 s?；聟^(qū)域處于天水-蘭州東西向地震帶，地震背景復雜，活動頻繁，多次遭受中強地震的破壞，中強破壞性地震多發(fā)生在甘谷、武山、天水等地。影響較大的有2008年“5.12”汶川地震，2013年“7.22”岷縣地震。地震頻發(fā)導致軟弱結構面發(fā)育，粘結力減弱，促使斜坡體發(fā)生滑坡。

該地區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，年降水量500 mm左右，降水集中在7月和8月。

圖4　滑坡地質斷面圖

2滑坡成災機理分析

本文采用因果分析的魚刺圖分析法[6-8]，從物、環(huán)境、人三個要素對滑坡成災機理進行分析，繪制的魚刺圖(圖5)能表達滑坡災害的因果脈絡。成災機理分為三級因素，一級因素包括A物、B環(huán)境和C人三個方面因素，二級因素包括地形、地層、構造等12個因素，三級因素是對二級因素的細分，表1為成災機理因素對照表。從魚刺圖因果分析結果可推知，A物的因素主要為滑坡的內(nèi)在因素，部分因素是可以通過措施改善的；B環(huán)境的因素主要為外部環(huán)境因素，部分因素是可以通過措施改善；C人的因素主要為人為外部因素，通過措施可以完全改善。

圖5　滑坡災害魚刺分析圖

3滑坡穩(wěn)定性評價

3.1滑坡穩(wěn)定性計算

滑坡穩(wěn)定性計算采用傳遞系數(shù)法(折線滑動法)進行計算[9-12]。本次計算共選取了3條縱剖面(1條主滑剖面和2條輔助縱剖面)分別建立計算模型，圖6為主滑剖面計算模型。

根據(jù)折線滑動傳遞系數(shù)法計算公式，穩(wěn)定性系數(shù)表示如下：

表1　成災機理因素對照表

圖6　主滑剖面計算模型

(1)

式中,Ti為第i條塊的下滑力(kN)：Ti=(Wi1+Wi2)sinθi+Dicos(αi-θi)；Ri為第i塊的抗滑力(kN):Ri=((Wi1+Wi2)cosθi+Disin(αi-θi))tanφi+ciLi；Di為滲透壓力(kN):Di=γWhWLisinαicosθi；ψi為推力傳遞系數(shù)：ψi-1=cos(θi-1-θi)-sin(θi-1-θi)tanφi；γW為水的容重(kN/m3)；γ為巖土體的天然容重(kN/m3)；γ′為巖土體的浮容重(kN/m3)；Viu為第i計算條塊單位寬度巖土體的水位線以上的體積(m3/m)；Vid為第i計算條塊單位寬度巖土體的水位線以下的體積(m3/m)；Wi1為第i條塊水位線以上天然重量(kN/m):Wi1=γViu；Wi2為第i條塊水位線以下的浮重度(kN/m): Wi2= γ'Vid；θi為第i計算條塊地面傾角(°)，反傾時取負值；αi為第i計算條塊地下水流線平均傾角，一般情況下取侵潤線傾角與滑面傾角平均值(°)，反傾時取負值；li為第i計算條塊滑動面長度 (m)；ci為第i計算條塊滑動面上巖土體的粘結強度標準值(kPa)；φi為第i計算條塊滑帶土的內(nèi)摩擦角標準值(°)。

滑帶土天然容重按室內(nèi)試驗取值18.5 kN/m3，飽和容重通過干容重和孔隙率換算取值19.6 kN/m3。從土體天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)兩個工況對滑帶土抗剪強度參數(shù)c、φ值進行反演分析。

(1) 滑帶土天然狀態(tài)

滑帶土在天然狀態(tài)為暫時穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)取Fs=1.05，天然容重為18.5的粉質粘土其經(jīng)驗值計算范圍c值取8～19 kPa，φ值取14°～19°，選取此時滑帶土對應的c、φ值分別為c=11 kPa，φ=14°，作為天然狀態(tài)抗剪強度反演值，反演分析成果見表2。

表2　滑帶土天然狀態(tài)c、φ值反演分析成果表

注：反演穩(wěn)定系數(shù)取1.05，當c取14及>14時，反演值計算的穩(wěn)定系數(shù)均>1.1，故其后不再進行反演。

(2) 滑帶土飽和狀態(tài)

滑帶土在連續(xù)暴雨時為臨界狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)取Fs=1.0，經(jīng)驗值計算范圍c值取4～16 kPa，φ值取12°～18°，選取此時滑帶土對應的c、φ值分別為c=10 kPa，φ=14°作為飽和狀態(tài)抗剪強度反演值，反演分析成果見表3。

表3　滑帶土飽和狀態(tài)c、φ值反演分析成果表

注：反演穩(wěn)定系數(shù)取1.0。

(3)c、φ值的確定

滑帶土抗剪強度參數(shù)c、φ參考快剪試驗標準值、工程類比值和反演值并適當降低，取值結果見表4。

3.2滑坡穩(wěn)定性評價

根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0 218-2006)，結合滑坡穩(wěn)定性計算結果對滑坡穩(wěn)定進行評價，滑坡穩(wěn)定性評價見表5。結果表明3個計算模型的穩(wěn)定性評價的結果一致：在自然工況下，滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

表4　滑帶土抗剪強度參數(shù)取值表

4滑坡災害治理

4.1常用治理措施

目前常用的滑坡災害治理措施包括植物護坡、擋墻、抗滑樁、削坡、截排水工程等[13-15]，其說明及作用見表6。

表5　滑坡穩(wěn)定性評價表

表6　常用滑坡災害治理措施一覽表

4.2治理方案比選

基于對滑坡災害調查、成災機理分析和穩(wěn)定性評價，初步提出兩套治理方案，并從防護、施工、環(huán)保、投資四個方面對方案比選分析，詳見表7。

方案1——抗滑樁板墻治理方案：治理工程位于滑坡的中上部，抗滑樁布設于管道下方5～8 m，共計9根抗滑樁，其中1#～4#樁和8#～9#樁間距為6 m，4#～8#樁間距為5 m。

方案2——抗滑擋土墻方案：治理工程位于滑坡的下部靠近剪出口位置8 m處，共一道抗滑擋墻，長48 m，頂寬3 m，墻身高6 m，基礎3 m，基礎底寬5.35 m。

表7　滑坡災害治理方案比選表

由上表可知，方案1較方案2在施工、環(huán)保、投資方面具有較大優(yōu)勢，優(yōu)先選用方案1。

4.3其他措施

方案1確定了主要治理措施，其主要功能是對滑床進行穩(wěn)固。根據(jù)魚刺圖因果分析成果，其他措施還包括加強植物護坡、增加防排水工程、增設排滲管、限制重車通行、定期人工巡查或監(jiān)測、斜坡降坡措施等。

本滑坡治理工程于2014年7月完工，通過長期觀察和監(jiān)測，滑坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)，治理效果良好。

5結論

長輸管道沿線的地質災害對管道安全運營威脅巨大，本文選取了甘肅地區(qū)的長輸管道穿越的某滑坡地質災害為研究對象，探討類似地質災害的綜合分析和治理措施方法，取得如下研究成果：

(1) 對地質災害現(xiàn)場情況、地質構造、地質地層、地震氣候等全面調查分析，是滑坡災害治理的前提。

(2) 采用因果分析魚刺圖從物、環(huán)境、人三個因素對滑坡成災機理進行分析，區(qū)分內(nèi)因和外因，明確可改善的因素。

(3) 采用傳遞系數(shù)法對滑坡災害進行穩(wěn)定性計算，借助反演分析結果確定滑帶土抗剪強度參數(shù)，評價滑坡在自然和暴雨工況下穩(wěn)定性。

(4) 基于滑坡災害的綜合分析成果，從防護、施工、環(huán)保和投資四個方面比較選定抗滑樁板墻災害治理方案，結合其他治理措施進行災害治理，實際效果良好。

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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

文章編號：1006-4362(2016)02-0019-07

收稿日期：2016-03-01改回日期：2016-04-25

基金項目：甘肅省科學院青年科技創(chuàng)新基金(2013QN-12)

中圖分類號：P642;P642.22

文獻標識碼：A

作者簡介：黃鵬(1975-)，男，甘肅白銀人，中級工程師，研究方向為工程管理。E-mail:fengdediaolin@163.com