馬顯春 黃譜 喬坤 田波 魏楠 聶軍 梁永龍

1中鐵西南科學研究院有限公司

2中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦

3青海油田監(jiān)督監(jiān)理公司

隨著人類工程活動日益強烈，堆載體誘發(fā)滑坡對油氣管道的危害日漸突出。擬建油氣管道受滑坡威脅而繞避改線導致成本增加的案例增多，在建油氣管道因滑坡災害影響導致成本和工期大幅提升的事件時有發(fā)生[1-2]，滑坡危害將導致運營油氣管道發(fā)生安全事故[3-4]，堆載體誘發(fā)滑坡嚴重威脅油氣管道的建設、生產及運營安全。

目前針對滑坡與油氣管道的單方面研究成果較多。在國外，一些學者相繼研究了土壓力對不同管徑油氣管道的影響或管道的力學機制[5-9]。在國內，林冬等[10-11]研究了油氣管道滑坡的分類，并通過模型試驗研究了橫向滑坡作用下管道的破壞方式。張東臣等[12]、郝建斌等[13]、鄧道明等[14]、謝強等[15]研究了滑坡作用下管道的受力狀態(tài)與變形特征。但對滑坡與管道相互作用方面的研究較少，且對管道滑坡的研究仍側重于自然滑坡，針對堆載體誘發(fā)的滑坡研究偏少。

堆載體誘發(fā)滑坡對油氣管道造成的危害不可估量，其中油氣管道橫穿滑坡體最為嚴重。以川東地區(qū)10 余例油氣管道區(qū)堆載體誘發(fā)滑坡的工程實例為基礎，通過現(xiàn)場調研，分析總結堆載體特點及其誘發(fā)滑坡的發(fā)育階段，進而通過理論分析及模型試驗研究油氣管道與滑坡橫交模式下的相互作用機制，在此基礎上提出油氣管道區(qū)堆載體誘發(fā)滑坡的風險評價及綜合防控方法，為滑坡區(qū)油氣管道的防災減災提供理論依據(jù)。

1 堆載體分析

1.1 油氣管道區(qū)堆載體特點

紅層油氣管道區(qū)堆載體多為新近人工堆積體，其物質組成復雜、強度較低，容易誘發(fā)滑坡，從而對油氣管道造成危害。通過多處油氣管道區(qū)堆載體誘發(fā)滑坡實例的現(xiàn)場調查分析，油氣管道區(qū)堆載體一般具有以下特點：

（1）堆載體以挖方砂泥巖棄渣為主，局部含建筑垃圾，顆粒分選較差，粒徑不一。

（2）堆載體結構松散，孔隙較大，利于地表水下滲，難以形成統(tǒng)一的地下水位，且缺乏地表水排導工程。

（3）堆載體大多直接堆積在原有斜坡地形之上，且堆積體高度較大、坡度較陡（坡度＞土體綜合內摩擦角），前緣臨空面大。

（4）堆載體方量通常＜10×104m4，且無支擋防護措施。

按原始斜坡坡度可將堆載體劃分為緩傾斜坡堆載體（原始地形坡度≤15°）和陡傾斜坡堆載體（原始地形坡度＞15°）兩大類，進而又可根據(jù)堆載方式分為單一坡率堆載體及臺階收坡堆載體。油氣管道區(qū)堆載體特點及其分類見表1。

表1 油氣管道區(qū)堆載體特點及其分類Tab.1 Characteristics and classification of surcharge load in pipeline areas

1.2 油氣管道區(qū)堆載體物理力學性質

通過現(xiàn)場調查，在原始地面以上1 m 范圍內選取10 組代表性土樣進行堆載體（堆載時間1 年以上）的室內物理力學性質試驗。根據(jù)試驗結果，堆載體主要由粒徑0.05～0.005 mm 粉粒和0.25～0.075 m 砂粒組成，其次為粒徑＜0.005mm 黏粒；堆載體滲透系數(shù)值介于0.000 9～0.001 m/d 之間，屬于極微透水～微透水；堆載體蒙脫石含量在12.19%～22.95%（質量分數(shù)），伊利石含量在9.38%～11.85%；堆載體含水率約為 13%～28.3%，密 度1.88～2.08 g/cm3，天然快剪的黏聚力為20～35 kPa，內摩擦角為11.8～19°；固結不排水剪（有效應力）的黏聚力為17～35 kPa、內摩擦角為13～18.5°。

2 堆載體誘發(fā)滑坡的發(fā)育階段

油氣管道區(qū)堆載體多為新近人工堆積體。堆載誘發(fā)的典型滑坡孕育過程一般包括：沉降壓密、蠕變擠壓、滑動破壞、逐漸穩(wěn)定四個階段。

（1）沉降壓密。在自重以及降雨沖刷、入滲等作用下，堆載體不斷壓密固結，使原本較為松散的堆載體更為密實。

此階段坡體以豎向沉降變形為主，堆載體表面發(fā)育有裂縫，但裂縫無明顯規(guī)律性，貫通性和延展性差，堆載體整體上仍能保持穩(wěn)定。

（2）蠕變擠壓。隨著時間的推移，堆載體表層的碎塊石等粗粒物質在風化作用下逐漸解體成細粒物質，并隨地表水的下滲逐漸向下運移、堆積，使大顆粒之間孔隙通道填充物粒徑從下至上由細變粗，并在原始地面附近形成軟弱界面。由于泥質黏粒含量較大且透水性差，軟弱界面附近稱為地下水匯集與徑流通道，隨著地表水的不斷下滲，堆載體內動靜水壓力增大，界面附近的土體抗剪強度參數(shù)逐漸降低，堆載體在自重作用下的抗滑力逐漸減小，下滑力逐漸增大，坡體表現(xiàn)出緩慢的蠕滑變形。

蠕變擠壓階段的變形特征為：在堆載體中后部由于某種原因首先出現(xiàn)不可逆的塑性變形，導致后緣逐漸拉裂；由于后部坡體的擠壓作用，導致堆載體的主滑段和抗滑段逐漸貫通，滑坡周界逐漸貫通，前緣剪出口逐漸出現(xiàn)，并呈現(xiàn)鼓脹隆起、縱向擠壓裂縫發(fā)育的特征。

（3）滑動破壞。當堆載體軟弱界面附近土體的剪應力達到甚至超過抗剪強度時，剪應力將軟弱界面附近的各鎖固段（點）逐個剪斷，滑面完全貫通，滑坡從前緣剪出口滑出而與母體脫離，此后滑體處于快速位移狀態(tài)，滑坡發(fā)生。

此階段堆載體上各種類型的裂縫都可能出現(xiàn)，但變化很快。后緣和側緣裂縫兩邊出現(xiàn)滑坎，后壁上常有小崩塌發(fā)生，中部出現(xiàn)很多的拉張裂縫，前部出現(xiàn)扇形裂縫等。

（4）逐漸穩(wěn)定。堆載體經過大量位移后重心降低，滑面強度提高，在自重作用下的抗滑力逐漸增大、下滑力逐漸減小，且抗滑力已經大于下滑力，堆積體逐漸停止滑動，達到新的平衡狀態(tài)。

3 誘發(fā)滑坡與管道的相互作用機制

3.1 滑坡作用下油氣管道受力分析

滑坡作用下油氣管道的受力模型如圖1所示[16]。

圖1 滑坡作用下管道的受力模型Fig.1 Force model of pipeline under the effect of landslide

假設作用在管道上的滑坡推力q為均布荷載，不考慮管道內壓及管道內外環(huán)境溫差，管道彎曲的微分方程為

式中：y為管道的撓度，m；E為管道的彈性模量，Pa；I為管道的截面慣性矩，m4；y0為管道在x=0處的撓度，m；M0為管道在x=0截面的彎矩，N·m；N0為管道在x=0 截面的軸力，N；L為管道滑坡段寬度，m；d為管道的內徑，m。

彎矩的計算公式為

則滑坡體縱向中部管道的撓度、彎矩分別為

計算中先求解N0，進而可依次求出M0、Mx=0.5L、yx=0.5L。

當管道范圍一定時，即滑坡段寬度L已知，經計算可知，隨著滑坡體縱向中部管道的撓度yx=0.5L不斷增大，管道在x=0、x=0.5L、x=L截面的彎矩M0、Mx=0.5L、Mx=L也隨之增大，滑坡破壞時管道兩端的彎矩略大于中部的彎矩，但均達到最大值。

下面再用室內模型試驗驗證此結論的正確性。

3.2 滑坡與油氣管道相互作用的物理模型試驗分析

物理模型試驗的幾何相似比Cl=10、應變相似比Cε=1、密度相似比Cρ=1。原型滑坡γ=19.6 kN/m3，C=30 kPa，φ=19°；原型管道抗彎剛度EIp=4.15×1013N·mm2。

2.2.1 模型材料的選取

本次模型試驗滑坡材質為石膏∶重晶石粉∶水=5∶20∶6，其γ=20.2 kN/m3，C=3.0 kPa，φ=19°，與目標值一致；管道采用D32×2.0 的空心圓形鋼管，其抗彎剛度EIm=4.15×109N·mm2，與目標值一致。

2.2.2 模型的制作

室內試驗模型箱長200 cm、寬120 cm、高120 cm，兩側及前部用透明有機玻璃板限位，后部用加壓桿施加推力，邊界條件與理論分析模型相似。模型試驗示意圖見圖2。按照模型滑體、滑床配比試驗結果填筑物理模型，自然狀態(tài)下靜置14 d。

圖2 模型試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of model test

模型試驗量測內容包括管道壓力、管道應變和管道位移。管道壓力量測元件為電阻式雙膜土壓力盒，管道應變量測元件為柵長5 mm、柵寬3 mm 的應變片，管道位移量測元件為量程30 mm、精度0.01 mm的位移計。量測元件埋設位置見圖3。

圖3 管道量測元件埋設位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the buried position of the pipeline measuring element

模型試驗加載模式采用后緣連續(xù)加載法，利用螺桿在滑體后部施加荷載，每0.2 t為一級，待荷載達到指定值后停止加載并恒定3 min，測讀各測試元件讀數(shù)后，施加下一級荷載。如此繼續(xù)直到荷載變化不大、位移持續(xù)增加（此時滑坡已經形成）時試驗結束，試驗過程不得中間停滯。

2.2.3 試驗結果與分析

管道壓力、管道應變和管道位移分布曲線見圖4～圖6。

圖4 管道壓力分布曲線Fig.4 Pipeline pressure distribution curve

圖5 管道換算彎矩分布曲線Fig.5 Pipeline conversion bending moment distribution curve

從圖4～圖6可以看出：

圖6 管道水平位移與加載值的關系Fig.6 Relationship between horizontal displacement and loading value of pipeline

（1）隨著加載等級的增加，管道所受的滑坡推力、管道彎矩及位移逐漸增大。在第一次至第三次加載時（荷載值≤0.6 t），管道所受的滑坡推力、管道彎矩及位移緩慢增加，說明滑坡處于沉降壓密階段；在第四至第五次加載時（荷載值大于0.6 t，小于等于1.0 t），管道所受的滑坡推力、管道彎矩及位移均突然增大并快速增加，說明滑坡變形已進入蠕變擠壓階段；從第六次加載開始（荷載值＞1.0 t），管道所受的滑坡推力、管道彎矩及位移均快速增加，說明滑坡變形已進入滑動破壞階段。

（2）管道在滑坡推力作用下，變形為彎曲變形。管道彎矩呈現(xiàn)出兩端附近為負彎矩、中部為正彎矩的分布特點，符合兩端固定簡支梁承受均布荷載的彎矩形態(tài)；且管道的彎矩在中部和兩端都達到了峰值，與理論分析結果相同。

（3）管道變形與滑坡發(fā)育階段具有對應關系，在沉降壓密階段，管道為彈性變形；從蠕變擠壓階段開始管道已進入塑性變形階段。

4 堆載體誘發(fā)滑坡的風險評價

4.1 風險評價方法

管道區(qū)堆載體誘發(fā)的滑坡風險包括滑坡發(fā)生的可能性（穩(wěn)定性）以及管道破壞后產生的損失（危害性）兩方面。

根據(jù)現(xiàn)場調查結果并結合本次具體研究對象，選取12 個控制因素作為管道區(qū)堆載體誘發(fā)的滑坡風險評價因子，其分級標準見表2。

表2 滑坡風險評價因子及分級標準Tab.2 Landslide risk assessment factors and grading standards

管道破壞后產生的損失（危害性）分別從“管道易損性”和“管道失效后果”兩個方面指標進行評價（表3）。

表3 管道滑坡危害性評價分級指標Tab.3 Grading index of hazard assessment of pipeline landslide

滑坡風險度評價的多因素綜合動態(tài)評價模型如下：

式中：DL為風險度指數(shù)；A1為滑坡自身穩(wěn)定性；A21為管道易損性；A22為管道失效后果。

將各評價指標的賦值及權重代入評價模型，根據(jù)計算結果將管道失效后果劃分為5 個風險等級（表4）。

表4 管道失效后果評價風險等級Tab.4 Risk grade of pipeline failure consequence assessment

4.2 實例分析

以物理模型試驗的原型管道滑坡為例進行風險評價。管道規(guī)格D457×5.6/11.9 mm，設計壓力1.6 MPa，輸氣量250×104m3/d。滑體為人工堆積塊石土及粉質黏土（含建筑垃圾），堆積于管道之上，坡向與管道近似垂直。滑坡前緣高程347 m，后緣高程378 m，縱長約90 m，寬約100 m，滑體厚5.80～10.00 m，面積6 860 m2，體積約4.1×104m3，屬小型滑坡，主滑方向175°?；挛挥谝粵_溝上游地段，該處坡體地形相對較陡，坡體內側為當?shù)亟煌ú块T2015 年施工的新建公路，公路開挖后的堆填土置于坡體上，改變了坡體原有應力環(huán)境，使原坡體底部軟弱面發(fā)生變化。2018 年8 月18～19 日連續(xù)強降雨后，由于地面排水不暢，導致降雨不斷入滲坡體使其軟化，從而導致坡體產生位移。滑坡導致位于坡體前緣的天然氣管道受到擠壓變形并懸空。目前滑坡區(qū)右后側地表仍有裂縫，管道已經改線至滑坡后緣公路內側耕地中通過。

風險評價因子賦值見表5。將表5 賦值代入式（5），經計算DL=2.685，評價為風險中等，符合滑坡發(fā)生前的實際情況。

表5 風險評價因子賦值Tab.5 Risk assessment factor assignment

5 堆載體誘發(fā)滑坡的風險防控

5.1 堆載體及滑坡的早期識別

根據(jù)滑坡與管道相互作用的物理模型試驗結果，管道變形與滑坡發(fā)育階段具有較好的對應關系。根據(jù)滑坡的發(fā)育階段，可將堆載體滑坡的早期識別可劃分為三個階段（圖7）。

圖7 土質滑坡失穩(wěn)識別圖譜Fig.7 Instability identification map of soil landslide

（1）早期識別階段（沉降壓密）。識別指標：地形坡度15°～40°；上部為松散土體，下部為外緩傾不利結構面（基覆界面、軟弱夾層等）；坡體拉張裂縫斷續(xù)分布；坡體剪切裂縫斷續(xù)分布；坡腳偶見滲水現(xiàn)象。

（2）前兆判別階段（蠕變擠壓）。識別指標：后緣出現(xiàn)弧形拉張裂縫且有變寬、貫通趨勢，并形成錯臺；兩側出現(xiàn)剪切裂縫且有變長、貫通趨勢，并形成錯臺；前緣隆脹或有小規(guī)模滑塌；坡腳常見滲水現(xiàn)象。

（3）成災判別階段（滑動破壞）。識別指標：后緣弧形拉張裂縫貫通并形成明顯錯臺位移；兩側剪切裂縫貫通并形成明顯錯臺位移；前緣滑出堆積在緩坡地帶；坡腳滲水嚴重。

根據(jù)不同遙感方法和分辨率條件下坡體變形特征的可解釋程度，從早期變形裂縫、滑坡的形態(tài)特征和滑坡微地貌三個方面建立堆載體及滑坡的早期識別標記（表6）。

表6 坡體辨識特征標志統(tǒng)計Tab.6 Statistics of characteristic signs for slope identification

5.2 滑坡監(jiān)測技術

管道區(qū)堆載體誘發(fā)滑坡的風險等級分為5 類：風險低、風險較低、風險中等、風險較高和風險極高。根據(jù)不同的風險類別，分別對應常規(guī)巡查、簡易監(jiān)測、一般監(jiān)測、選擇性監(jiān)測和全面監(jiān)測5 個監(jiān)測等級，每個監(jiān)測等級采用不同的監(jiān)測手段（表7）。

表7 堆載體誘發(fā)滑坡不同風險類別的監(jiān)測手段Tab.7 Monitoring methods for different risk categories of landslides induced by surcharge loads

5.3 滑坡防治技術

根據(jù)早期識別及監(jiān)測結果顯示，變形較大且持續(xù)增加的滑坡應適時采取相應的防治技術。

管道周邊或沿線地質災害的防治，由于地質環(huán)境較差、地質構造復雜、人工活動的影響等，要完全治理需要大量的資金和較長的時間。因此，在選擇防治措施時，需詳細調查地形、地質和水文條件，認真研究、確定地質災害的規(guī)模及其發(fā)育程度，分析災害形成的主要、次要因素及彼此的聯(lián)系，并結合工程的重要程度、施工條件及其他各種情況綜合考慮。

5.3.1 避讓為主、穿越為輔

（1）規(guī)劃選線期間的避讓，即在管道建設初期就開展專門的地質災害勘查，查清管道經過的區(qū)域人工堆積體分布位置、規(guī)模及穩(wěn)定性，尤其是對那些規(guī)模較大、穩(wěn)定性差、治理難度大的人工堆積體應盡量采取避讓的方法，使管道一勞永逸，永保安全。

（2）管道建成后的改線避讓，一般是針對管道穿越的地區(qū)由于后期人工堆載誘發(fā)的管道滑坡。對于這一類的災害體應進行詳細的評價論證和經濟的比較核算，如果治理需要較大的投資或經過大量的治理后仍無法徹底根治，可采取改變管道的走向或建設備用管道等方法對管道地質災害進行避讓。

（3）管道穿越方式應首選縱向穿越，且優(yōu)先選用截面抗彎模量大的管道。

5.3.2 主動防治

管道地質災害最為關鍵的問題是及早發(fā)現(xiàn)和盡快治理，很多災害在發(fā)生前或在一定的區(qū)域均有前兆，如果在災害尚未發(fā)生或處于萌芽階段時就進行及時治理，很多管道地質災害是可以避免的。在管道選線階段、建設期間或建成后，采取主動防治的方法，提前對管道沿線的地質災害進行必要的治理，消除或減小災害發(fā)生的可能性；同時，在治理時要有前瞻性，采取綜合的工程治理措施，最大限度降低地質災害對管道造成的威脅。

主動防治措施主要包括：開挖換填、地表截排水工程、地下截排水工程、卸載和反壓工程、抗滑工程、格構錨固工程等。

5.3.3 被動防護

被動防護是對管道及其附屬設施采取防護，消除或減輕地質災害發(fā)生后對管道的影響。對一些難以治理或徹底根除的地質災害，可以采取適當?shù)墓こ檀胧艿兰捌涓綄僭O施進行被動防護，如設置套管、改變管道埋深、開挖管道釋放應力等；同時在進行治理方案比選時，要充分考慮工程方案的技術可行性和經濟合理性。

（1）設置套管。在管道外側設置套管，管道與套管之間用EPS（Expanded Polystyrene 聚苯乙烯泡沫）塑料填塞[17]。EPS 是一種輕型高分子聚合物，它是采用聚苯乙烯樹脂加入發(fā)泡劑，再加熱進行軟化，產生氣體，形成一種硬質閉孔結構的泡沫塑料。EPS 為柔性材料，可提高滑坡區(qū)管道抵抗滑坡位移的變形能力，緩解管道應力，從而有效保障輸油氣管道的安全性。

（2）改變管道埋深。將管道埋設于滑面以下，以此消除滑坡對管道的影響，從而有效保障輸油氣管道的安全性。

（3）開挖管道釋放應力。在滑坡處于蠕變擠壓階段時，管道開始發(fā)生塑性變形，在此前通過開挖管溝釋放管道應力，使管道恢復安全受力狀態(tài)。

6 結論

（1）堆載體按原始斜坡坡度和堆載方式可為4類：緩傾（坡角≤15°）單一坡率堆載體、緩傾臺階收坡堆載體、陡傾（坡角＞15°）單一坡率堆載體、陡傾臺階收坡堆載體；堆載體誘發(fā)的典型滑坡發(fā)育過程可為4 個階段：沉降壓密、蠕變擠壓、滑動破壞、逐漸穩(wěn)定，并相應提出了其早期識別方法。

（2）管道在滑坡推力作用下，兩端附近為負彎矩、中部為正彎矩，且在中部和兩端都達到峰值；管道變形與滑坡發(fā)育階段具有對應關系，在沉降壓密階段管道為彈性變形，從蠕變擠壓階段開始管道進入塑性變形。

（3）根據(jù)風險度指數(shù)DL大小將管道區(qū)堆載體誘發(fā)滑坡的風險等級分為5 類：DL＜1.8 風險低、1.8≤DL＜2.5 風險較低、2.5≤DL＜3.1 風險中等、3.1≤DL＜3.6 風險較高、DL≥3.6 風險極高，并分別對應常規(guī)巡查、簡易監(jiān)測、一般監(jiān)測、選擇性監(jiān)測和全面監(jiān)測5 個監(jiān)測等級，繼而提出了避讓為主、穿越為輔、主動防治及被動防治相結合的綜合風險防控方法。

（4）堆載體誘發(fā)滑坡與管道相互作用機制是一個很復雜的問題。本文的研究其結果尚未考慮管道本身的特性、管道暴露于滑坡體的長度、管道和滑坡體之間的約束程度、滑坡發(fā)生范圍、滑坡土體特性等因素，其作用機制還有待進一步深入研究。

（5）提出的堆載體誘發(fā)滑坡的風險防控措施，是對既有工程實例的經驗總結，其合理有效性尚需大量工程實例驗證，并持續(xù)改進完善。