傅 玉

中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司 山東 東營(yíng) 257000

2020年7月14日20時(shí)至18日20時(shí)，達(dá)州地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)性暴雨天氣。7月16日達(dá)到了區(qū)域性大暴雨標(biāo)準(zhǔn)，其中普光鎮(zhèn)為172.5mm。多地發(fā)布了暴雨、洪水和地災(zāi)預(yù)警，發(fā)生了滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，給國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了極大的威脅[1-3]。謝劍明[4]使用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法，建立了浙江區(qū)域性的降雨量危險(xiǎn)性等級(jí)及預(yù)警等級(jí)劃分；鐘蔭乾[5]在通過(guò)對(duì)資料對(duì)比分析，得出了由降雨滑坡時(shí)空分布規(guī)律；吳樹仁[6]等通過(guò)對(duì)三峽庫(kù)區(qū)5年的滑坡災(zāi)害資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，完成了三峽庫(kù)區(qū)滑坡預(yù)警判據(jù)的初步研究。

1 滑坡概況

1.1 滑坡土體參數(shù)

各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1、圖1。

表1 巖、土體物理力學(xué)性質(zhì)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 某氣田滑坡典型剖面

1.2 建立高精度模型

模型建立：導(dǎo)入地面數(shù)據(jù)后，導(dǎo)入鉆孔數(shù)據(jù)劃分地層，在GTS NX中生成三維實(shí)體，通過(guò)實(shí)體劃分網(wǎng)格，施加自重及邊界條件。計(jì)算方法采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。

1.3 模型的建立

該斜坡的人工填土、粉質(zhì)黏土和砂質(zhì)泥巖在CAD中繪制地層模型并導(dǎo)入到Madis GTS NX軟件中建立三維模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。由于該不穩(wěn)定斜坡規(guī)模較大，選取坡體的主剖面2-2′剖面進(jìn)行模擬分析，剖面見圖2。

坡體上有燃?xì)夤艿烙^測(cè)井以及管線，其自重較小，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)不予以考慮；坡體主要為粉質(zhì)黏土和基巖，地下水主要為基巖裂隙水和堆積層孔隙水，現(xiàn)場(chǎng)水文觀測(cè)結(jié)果知地下水位不穩(wěn)定，水量小，未形成統(tǒng)一的水位和水力梯度，故穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)動(dòng)水壓力也可不考慮[7]。因此，作用于滑體上的力僅有滑體自重。

對(duì)該模型中的地層賦予相應(yīng)的材料參數(shù)。為提高模型的精度和運(yùn)算速度，在保證有限元數(shù)值運(yùn)算收斂的前提下，適當(dāng)放寬網(wǎng)格的大小，保證運(yùn)算速度[8]。

1.4 穩(wěn)定性分析

由模擬結(jié)果可知，該斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)為0.9，由模擬結(jié)果云圖（圖3和圖4）可知，巖土體受重力因素的影響下，斜坡體內(nèi)的應(yīng)力呈現(xiàn)分層分布的特征，最大主應(yīng)力為35kN/m2，最小主應(yīng)力為15kN/m2。拉應(yīng)力分布于坡體表面，易產(chǎn)生拉裂破壞。

圖3 應(yīng)力云圖

圖4 總位移圖

由圖3、圖4可知自然狀態(tài)下滑坡剪應(yīng)力集中分布于坡腳。此時(shí)滑坡形變量最大為131mm，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。降雨降低滑坡穩(wěn)定性，降雨作用下下滑坡最大位移量達(dá)到250mm，形成滑坡。

水平方向最大位移量為193mm，豎直方向最大位移量為184 mm，總變形量216mm，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較吻合。斜坡水平位移量較大的地方主要在上部的粉質(zhì)黏土中，受上方巖土體壓力，水平位移量最大的地方為臨空部分，說(shuō)明斜坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

1.5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

場(chǎng)地內(nèi)共布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)5個(gè)，其中滑坡后緣1個(gè)，滑床2個(gè)，前緣2個(gè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體見圖2?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見圖5、圖6。

圖5 土壤含水率監(jiān)測(cè)曲線

圖6 地表位移監(jiān)測(cè)曲線

根據(jù)土壤含水率現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知：2020年7月1日至7月19日，該地區(qū)降雨，坡體在降雨持續(xù)1天后開始進(jìn)入蠕滑階段，當(dāng)緩慢變形量達(dá)到60mm時(shí)，蠕滑階段結(jié)束，進(jìn)入滑動(dòng)階段，變形速度保持穩(wěn)定，于7月16日滑動(dòng)階段結(jié)束，位移達(dá)到102mm時(shí)進(jìn)入劇滑階段，在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)迅速增大至250mm，發(fā)生滑坡。

1.6 破壞機(jī)理分析

該不穩(wěn)定斜坡的坡度約為30°，局部地段為基巖陡坎或人工支擋形成的臺(tái)坎。由于修建閥室，對(duì)坡體進(jìn)行開挖切坡，形成了高2.5～3.0m的陡坎，開挖回填過(guò)程中使斜坡前緣形成陡坡臨空面，致使坡腳處應(yīng)力集中分布，破壞了斜坡土體原有應(yīng)力平衡，斜坡后緣未設(shè)置截水溝，更有利于地表水入滲滑體，降低土體強(qiáng)度，不利于坡體穩(wěn)定[9]。

斜坡下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，上部為粉質(zhì)黏土夾碎塊石，結(jié)構(gòu)較松散，滲透性相對(duì)較強(qiáng)[10]，遇水后抗剪能力大大降低，為滑坡的形成提供了有利的物質(zhì)組成條件。

研究區(qū)內(nèi)地形地貌、地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造條件是斜坡發(fā)育的基礎(chǔ)條件，斜坡變形的主要誘因?yàn)榈乇硭霛B軟化覆蓋層并提供滑移推動(dòng)力，地表水的來(lái)源主要為大氣降雨。斜坡后緣緩坡地段的地層主要為人工填土、粉質(zhì)黏土和強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，其中粉質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)松散，力學(xué)性質(zhì)低，強(qiáng)風(fēng)化泥巖破碎裂隙發(fā)育，地表水易于強(qiáng)風(fēng)化基巖與粘性土接觸面入滲。因此上部覆蓋層與下伏基巖面之間形成潛在的軟弱結(jié)構(gòu)面，該結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)較低，在水作用下抗剪強(qiáng)度驟降，在暴雨期間易形成水運(yùn)移活躍帶。雨季時(shí)，大量的降雨入滲斜坡的土體，增加了坡體重度，降低了坡體土層與基覆面的力學(xué)性質(zhì)，造成坡體前緣部分土體已經(jīng)滑塌變形，后緣土體已出現(xiàn)拉張裂縫，斜坡形成了失穩(wěn)變形。

2 不同工況下的管道邊坡穩(wěn)定性研究

2.1 擋土墻工況

2.1.1 擋土墻數(shù)值模擬分析

運(yùn)用強(qiáng)度折減法（SRM法）計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性。

由模擬結(jié)果可知，該斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.03，由模擬結(jié)果主應(yīng)力云圖（圖7）可知，巖土體受重力因素的影響下，斜坡體內(nèi)的應(yīng)力呈現(xiàn)分層分布的特征，最大主應(yīng)力為53kN/m2，最小主應(yīng)力為16kN/m2，均集中在斜坡表層。拉應(yīng)力分布于坡體表面，易在表面產(chǎn)生拉裂破壞。

圖7 擋土墻作用下應(yīng)力云圖

由斜坡位移云圖（圖8）可知，水平方向最大位移量為42mm，豎直方向最大位移量為112mm，斜坡水平位移量較大的地方主要在上部的粉質(zhì)黏土中，受上方巖土體壓力，水平位移量最大的地方為擋土墻上部。研究坡體出露地層為崩坡積形成的粉質(zhì)黏土夾碎塊石，其滲透性一般。受降雨影響，斜坡會(huì)聚了大量地表水向下滲透，對(duì)土體浸潤(rùn)、軟化增大了土容重同時(shí)降低土體的抗剪強(qiáng)度，形成軟弱帶，使坡體下滑力增大，抗滑力減少，當(dāng)發(fā)展到一定程度，坡體極限平衡狀態(tài)破壞而發(fā)生滑坡。

圖8 擋土墻作用下位移云圖

2.1.2 擋土墻特性分析

由抗滑樁水平位移云圖可知（圖9），治理后擋土墻水平位移最大為62mm，最大位移發(fā)生在擋墻頂部，位移沿抗滑樁向下部逐漸變小，在中部位移表現(xiàn)為最小，之后位移沿反方向變大?？够瑯兜妮S力（圖10）沿抗滑樁向下在一定范圍內(nèi)逐漸增大，最大軸力為298kN。

圖9 擋土墻水平位移

圖10 擋土墻軸力云圖

圖11 抗滑樁作用下應(yīng)力云圖

2.2 抗滑樁工況

2.2.1 模型的建立

針對(duì)災(zāi)害點(diǎn)的變形特征和成因機(jī)制，根據(jù)斜坡整體和局部穩(wěn)定性計(jì)算，采用抗滑樁方式進(jìn)行治理。

對(duì)于抗滑樁材料選擇為線彈性模型，抗滑樁的參數(shù)設(shè)置如表2所示，本剖面布置抗滑樁樁長(zhǎng)10m，嵌固段長(zhǎng)5m，樁徑1.0m，樁中心距2.0m，樁頂設(shè)置冠梁，截面尺寸1.0×1.0m，抗滑樁位于擋土墻上部，距離擋土墻水平距離為4m，將抗滑樁相關(guān)參數(shù)加入到模型中進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

表2 抗滑樁參數(shù)

2.2.2 抗滑樁支護(hù)斜坡穩(wěn)定性分析

由模擬結(jié)果，經(jīng)抗滑治理后斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.3，由治理后的斜坡位移云圖（圖12和圖13）可知，在增加抗滑樁后，斜坡水平方向最大位移為4mm，豎直方向最大位移為11mm，相比治理前位移明顯減小，且擋土墻處的位移也明顯減小。抗滑樁處位移等值線的趨勢(shì)指向斜坡內(nèi)部，上部粉質(zhì)黏土與下部基巖在抗滑樁的作用下產(chǎn)生了豎向土拱，斜坡上部的土壓力經(jīng)抗滑樁向下部基巖進(jìn)行傳遞，治理效果明顯。

圖12 抗滑樁作用下位移云圖

圖13 抗滑樁水平位移

2.2.3 抗滑樁特性分析

由抗滑樁水平位移云圖可知（圖13）,治理后抗滑樁水平位移最大為3mm，最大位移發(fā)生在抗滑樁頂部，位移沿抗滑樁向下部逐漸變小，在中部位移表現(xiàn)為最小，之后位移沿反方向變大。抗滑樁的軸力（圖14）沿抗滑樁向下在一定范圍內(nèi)逐漸增大，最大軸力為204kN。

圖14 抗滑樁軸力云圖

由模擬結(jié)果（圖15和圖16）可得到抗滑樁治理斜坡后最大彎矩和最大剪力等自身內(nèi)力及分布情況，抗滑樁最大彎矩為39kN·m，位于抗滑樁下部?？够瑯墩蜃畲蠹袅?3kN，負(fù)向最大剪力約為14kN，均位于抗滑樁下部，在進(jìn)行斜坡治理設(shè)計(jì)中，可對(duì)抗滑樁局部配筋進(jìn)行優(yōu)化。

圖15 抗滑樁彎矩云圖

圖16 抗滑樁剪力云圖

4 結(jié)論

1、斜坡的主要地層為粉質(zhì)黏土夾碎塊石，其滲透性較強(qiáng)，受降雨影響，斜坡會(huì)聚了大量地表水向下滲透，使坡體的下滑力增大，抗滑力減少，同時(shí)下部擋土墻的泄水孔均失效，水流匯集在擋土墻后，導(dǎo)致?lián)跬翂κ芡翂毫退畨毫υ龃蠖_裂。

2、Madis可以對(duì)土質(zhì)斜坡進(jìn)行穩(wěn)定性模擬研究，經(jīng)數(shù)值模擬分析，治理前斜坡位移較大，斜坡產(chǎn)生較大水平位移量位于上部的粉質(zhì)黏土層，受上方巖土體壓力，水平位移量最大的地方為擋土墻上部。經(jīng)抗滑樁治理后，斜坡位移明顯減少，斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)增大，斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，方案設(shè)計(jì)合理。

3、在后期進(jìn)行該地區(qū)地災(zāi)治理設(shè)計(jì)中，可根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)支護(hù)方式選型、局部配筋等進(jìn)行優(yōu)化。