許 晨，李 明，林其明

1中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

2中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

3國家管網(wǎng)集團(tuán)廣東省管網(wǎng)有限公司，廣東 廣州

1. 引言

我國西南各省山區(qū)、西北黃土高原、中南和東南各省山區(qū)和丘陵眾多，地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜多樣，滑坡廣泛分布，是世界上滑坡災(zāi)害最發(fā)育、危害最嚴(yán)重的國家之一。長輸油氣管道站場多、線長、面廣，受場地限制等因素，油氣管道建設(shè)有時必須要穿越這些滑坡體，不可避免地受到滑坡災(zāi)害的威脅。當(dāng)滑坡體穩(wěn)定性發(fā)生破壞時，坡體滑動便會管道安全造成威脅，輕則會造成管道的變形和斷裂，重則會造成火災(zāi)和爆炸。

據(jù)統(tǒng)計西氣東輸建設(shè)中沿線存在滑坡155 處，西氣東輸二線龍崗西峽支干線存在滑坡136 處，忠武輸氣管道沿線有滑坡34 處，澀寧蘭輸氣管道沿線存在滑坡13 處，基本上所有長距離輸送油氣管道建設(shè)都會遇到滑坡災(zāi)害的威脅[1] [2]。2011 年陜京一線郝家寨閥室附近由于土體移動導(dǎo)致管道屈曲失效。忠武輸氣管道忠縣到宜昌409 km 山區(qū)段和蘭成渝管道隴西黃土高原段、秦巴山區(qū)段均是滑坡災(zāi)害密集發(fā)育區(qū)，經(jīng)過多年治理滑坡防治工作仍然繁重。2007 年地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查顯示，這兩條管道在新編錄的滑坡災(zāi)害仍有140 余處，這些滑坡對管道有不同程度的危害。2020 年8 月，川氣東送管道所經(jīng)過的恩施地區(qū)屯堡鎮(zhèn)馬者村沙子壩發(fā)生大面積山體滑坡，威脅川氣東送管道安全。

當(dāng)管道穿越邊坡坡體時，首先需要對體坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評估，穩(wěn)定性評估結(jié)果作為管道受地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價的初始條件，若坡體強(qiáng)度儲備不足、不夠穩(wěn)定時需要采取相應(yīng)的措施，油氣管道穿越邊坡風(fēng)險評價技術(shù)可為管道安全建設(shè)和運(yùn)營提供科學(xué)的依據(jù)[3] [4]。

2. 風(fēng)險評價方法研究現(xiàn)狀

國外對邊坡穩(wěn)定性的研究起步較早，1915 年，瑞典Petterson K. E.提出以劃分若干豎向土條為基礎(chǔ)，不考慮土坡粘聚力，只考慮摩擦力的圓弧滑動分析法，即瑞典條分法；1926 年Fellenius 在原有的瑞典圓弧法上進(jìn)行了改進(jìn)，考慮了粘聚力以及摩擦力，但忽略了條塊間的作用力，因此計算出的穩(wěn)定性系數(shù)偏于保守[5]。1955 年，Bishop 提出的畢肖普法，在坡體穩(wěn)定性分析中，加入了土條側(cè)面力[6]。1964年，英國巖土專家A. W. Skempton 在分析評價超固結(jié)裂隙粘土滑坡時候提出“殘余強(qiáng)度”理論。1965年，Morgenstern 和Price 提出了M-P 法，該方法考慮了土條間作用力，使用于非圓弧形狀的滑動面，滿足力的平衡和力矩平衡[7]。1979 年，Sarma 對堤壩和邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)上提出了Sarma 法，該方法曾應(yīng)用于三峽工程[8]，隨著大量的研究開展，極限平衡法在二維邊坡分析中形成了一套較為完善的體系。

國內(nèi)對邊坡穩(wěn)定性的研究也較多，在成熟的理論計算模型進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，利用計算機(jī)軟件MATLAB 等進(jìn)行編程，通過新型計算技術(shù)對坡體穩(wěn)定性、滑動面和滑動位移進(jìn)行求解。例如，胡世偉[9]采用MATLAB 開發(fā)的軟件實(shí)現(xiàn)了滑坡穩(wěn)定系數(shù)計算，并通過軟件實(shí)現(xiàn)了對滑坡體滑動的可視化。劉紅楓[10]采用MATLAB 編程對滑坡穩(wěn)定性就行了求解，該程序具有參數(shù)化、自動化和可視化的特點(diǎn)，不但可以求解滑坡穩(wěn)定系數(shù)，還可生成可視化的滑坡幾何外觀和滑動面。呂小永[11]采用強(qiáng)度折減法對滑坡體穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析，綜合分析了位移突變判定依據(jù)和塑形貫通判定依據(jù)的特點(diǎn)，并對某大型古滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得出了兩種判定依據(jù)與實(shí)際情況相符的結(jié)論。

3. 風(fēng)險評價方法

常見的邊坡穩(wěn)定性風(fēng)險評價方法有定性分析法、極限平衡法和有限元法。定性分析方法是通過野外現(xiàn)場勘察，對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的各種因素進(jìn)行分析，分析邊坡可能失穩(wěn)破壞的方式，這是一種較為簡單的評價方法，但它主要靠工程人員的經(jīng)驗，這種不確定性和隨意性比較明顯，可以對小型的坡體穩(wěn)定性進(jìn)行評價，同時也不能求解坡體穩(wěn)定性系數(shù)，若求解坡體穩(wěn)定系數(shù)還需要結(jié)合定量分析方法。

極限平衡法一般是先假定土體發(fā)生失穩(wěn)，根據(jù)摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則和力學(xué)平衡條件，計算滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)及滑動面。極限平衡法是以摩爾-庫倫理論為基礎(chǔ)，是一種經(jīng)典的邊坡穩(wěn)定性分析方法，目前應(yīng)用到邊坡工程最為廣泛，該方法是以假設(shè)滑坡體和滑動面以下的部分為剛體，先假設(shè)許多滑動面，并且滑動面上部被劃分為多個豎條，根據(jù)力學(xué)平衡方程組，求解坡體穩(wěn)定安全系數(shù)，將安全系數(shù)的最小值作為最終的求解結(jié)果。采用假設(shè)的方法可以簡化計算，并且具有易操作性的特定，因此得到了廣泛的運(yùn)用。常用的極限平衡法主要有畢肖普法、瑞典條分法，以及非圓弧普遍條分法。

有限元強(qiáng)度折減法是用來分析滑坡的安全系數(shù)的方法。Duncan 在Zienkiewice 的基礎(chǔ)上給出了新的定義：安全系數(shù)被定義為當(dāng)土體在破壞臨界狀態(tài)時，滑坡巖體此時的剪切強(qiáng)度除以初始的剪切強(qiáng)度也就是被折減的幅度。該發(fā)已然成為研究滑坡穩(wěn)定的強(qiáng)有力的新方法。強(qiáng)度折減法外載荷作用下，坡體依靠自身巖土力學(xué)特征所能抵抗的最大剪切力與外載引起的實(shí)際剪切應(yīng)力的比值。假設(shè)滑坡土體內(nèi)部抵抗剪切破壞是均勻的情況下，強(qiáng)度折減系數(shù)也被稱為強(qiáng)度安全儲備系數(shù)。目前為止，有限元強(qiáng)度折減法在對滑坡的穩(wěn)定性分析中判斷破壞標(biāo)準(zhǔn)的原則有如下三種：以有限元計算不收斂或者仿真計算中斷作為失穩(wěn)判定標(biāo)準(zhǔn)，計算不收斂對應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)即為求解結(jié)果；以滑坡的塑性區(qū)開始形成、發(fā)展、直至貫通視為失穩(wěn)判據(jù)，塑性區(qū)的貫通時所對應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)即為求解結(jié)果；以滑坡的特征點(diǎn)的橫向位移發(fā)生突變作為失穩(wěn)判斷依據(jù)，特征點(diǎn)水平位移突變對應(yīng)的折減系數(shù)作為求解結(jié)果。強(qiáng)度折減系數(shù)，就是保持外荷載不變的條件下，坡體所具有的最大抗剪強(qiáng)度與由于外荷載所產(chǎn)生的坡體實(shí)際剪應(yīng)力之比。當(dāng)兩種土體抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮程度相同時，這種抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)相當(dāng)于坡體穩(wěn)定安全系數(shù)sF，又稱為強(qiáng)度儲備安全系數(shù)。折減后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)可分別表達(dá)為：

式中，c和φ是土體所能夠提供的抗剪強(qiáng)度；cm和mφ是維持平衡所需要的或土體實(shí)際發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度；rF是強(qiáng)度折減系數(shù)。坡體有限元模型如圖1 所示。

Figure 1. Finite model of slope圖1. 邊坡有限元模型

采用有限元強(qiáng)度折減法，就是根據(jù)土體的強(qiáng)度指標(biāo)，即粘聚力和內(nèi)摩擦角，一起進(jìn)行數(shù)值折減，并帶入有限元進(jìn)行計算，計算中假定不同的強(qiáng)度折減系數(shù)Fr，分別進(jìn)行有限元分析，將計算是否收斂作為依據(jù)，在整個計算過程中不斷增加Fr，達(dá)到臨界破壞時的強(qiáng)度折減系數(shù)Fr就是邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs。

4. 采用有限元方法評價案例

這里選擇一個均質(zhì)土坡作為算例進(jìn)行分析。有一高H= 10.0 m，坡角β= 45°的均質(zhì)土坡，土體容重為γ= 20 kN/m3，黏聚力c= 12.38 kPa，摩擦角φ= 20°。若按極限平衡法分析，本算例中的土坡穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)為1.0，如圖2 所示。

Figure 2. Geometry model of homogeneous slope圖2. 均質(zhì)土坡幾何模型

在有限元計算結(jié)果中，選取模型中坡頂左側(cè)頂點(diǎn)，建立場變量(即安全系數(shù)Fs)與X 方向位移變化曲線，即FV1 與U1 變化曲線，利用ABAQUS 提供Combine 函數(shù)，將FV1 隨U1 的變化關(guān)系繪制于圖中，若以數(shù)值計算不收斂作為土坡穩(wěn)定的評價標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)的FV1 為1.06，即安全系數(shù)Fs = 1.06，如圖3 所示。

Figure 3. Stability factor Fs varying curve with horizontal displacement of slope top圖3. 安全系數(shù)Fs 隨坡頂水平位移的變化

若以位移的拐點(diǎn)作為評價標(biāo)準(zhǔn)，即注意到頂部節(jié)點(diǎn)水平位移有一個明顯的拐點(diǎn)，則安全系數(shù)為Fs =0.99；若以土坡塑性區(qū)的貫通現(xiàn)象為評價標(biāo)準(zhǔn)，直到t = 0.3213 時出現(xiàn)土坡體塑性區(qū)域貫通現(xiàn)象，出現(xiàn)了對應(yīng)的安全系數(shù)為Fs = 0.982。如圖4 和圖5 所示。

Figure 4. Plastic region distribution under different time step圖4. 不同時間步情況下的坡體塑形區(qū)域變化情況

Figure 5. Stability factor Fs distribution at the time T = 0.3213圖5. T = 0.3213 時安全系數(shù)Fs

塑性區(qū)域貫通判定標(biāo)準(zhǔn)與前面兩種判斷標(biāo)準(zhǔn)得到的安全系數(shù)差不多，尤其是和位移拐點(diǎn)方法很接近，而這兩個數(shù)值與極限平衡分析方法給出的Fs = 1.0 相比都比較接近，說明三種判定標(biāo)準(zhǔn)都是可行的。其中塑性區(qū)域是否貫通判定標(biāo)準(zhǔn)最為保守，與FV1～U1 曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)判定標(biāo)準(zhǔn)較為接近，以計算是否收斂作為判定標(biāo)準(zhǔn)最為不保守。

在有限元分析過程中，可以計算得出坡體的X 向位移和Y 向位移，進(jìn)而判定不同位置土體滑動的方向。通過有限元計算法發(fā)現(xiàn)，坡體的水平位移和豎向位移分布并非定值，自坡腳至坡頂水平位移逐漸減小，而豎向位移逐漸增大，該位移計算可以為埋地管道橫向通過滑坡體時管體承受的初始位移提供輸入條件，也可以為合理布置抗滑樁減少滑坡體對管道的影響提供依據(jù)，雖然坡體水平和豎向位移分布不均勻，但是坡體整體位移大小基本一致，坡體水平、豎向和總位移分布如圖6 所示。

5. 結(jié)論

對滑坡體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，常用的方法有極限平衡法和有限元法強(qiáng)度折減法。與極限平衡法比較，有限元采用強(qiáng)度折減法模型能自動地或“自然地”確定臨界失穩(wěn)面，通過滑坡體不同區(qū)域應(yīng)變和位移發(fā)展的不連續(xù)性能夠清晰界定失穩(wěn)區(qū)的深度；在計算安全系數(shù)時，有限元法不需要假設(shè)滑坡條塊間或圓柱間的力。雖然不同類型的滑坡分析方法對數(shù)據(jù)的要求不盡相同，但均對數(shù)據(jù)有一些基本的要求，最少應(yīng)包括滑坡或潛在滑坡體的幾何形態(tài)(地表地形、地層、結(jié)構(gòu)和突變、基本滑動面的幾何形態(tài))、土體強(qiáng)度特性等。

Figure 6. Displacement distribution nephogram of soil slope圖6. 土坡坡體的位移分布情況

土壤本身的性質(zhì)是坡體是否穩(wěn)定的重要因素之一，在油氣輸送管道順坡敷設(shè)區(qū)域，通過回填土改良，提高回填土的內(nèi)摩擦角可以提高坡體的穩(wěn)定性，從而可以為油氣輸送管道提供安全保障。