徐 攀

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心湖北總隊）

管道一般埋置在地下，以防止外部環(huán)境破壞，但長距離通過滑坡地質(zhì)災(zāi)害區(qū)是管道運輸過程中需要重點關(guān)注的實際問題［1-2］。長期以來，國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者對于滑坡作用下的管道破壞方式及其評價標準并未取得統(tǒng)一認識［3］。目前大多數(shù)研究成果是基于簡單的直線型管道穿越滑坡體的變形和評價研究，實際工程中受地形地貌、地質(zhì)條件和管道力學(xué)結(jié)構(gòu)的影響往往布置形式復(fù)雜［4-5］。因此，基于復(fù)雜管道布置形式下的變形破壞規(guī)律研究具有十分重要的意義。本研究基于西氣東輸工程，以某黃土滑坡區(qū)折線形輸氣管道的變形破壞過程為例，建立水文地質(zhì)模型并考慮降雨和開挖工況下管道的位移、應(yīng)力變化特征，為管道與滑坡的相互作用研究和黃土滑坡區(qū)埋地管道的布置及安全防護提供一定參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)是多個滑坡組成的大型復(fù)合變形體?；陆鼥|西向展布，寬為300～400 m，部分溝岸基巖裸露，呈左陡右緩的不對稱寬“V”字型，溝底寬為3～10 m，岸坡坡角為20°～35°。高程為470 m 以上。溝段分為數(shù)支淺切溝槽，兩側(cè)岸坡相對較為平緩。溝谷寬緩但深切，切割深度為40～60 m，溝底寬為20～30 m。

滑坡范圍內(nèi)地層上部為第四系（Q）黃土，下部為侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）砂泥巖地層。其中黃土呈黃褐色、干燥-稍濕，稍密，夾雜少量碎塊石，粒徑一般為5～10 cm，次棱角狀，母巖成分以花崗巖和砂巖為主；下部砂巖呈灰綠色，中粗粒結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，巖體完整性較好，主要發(fā)育3 組陡傾角裂隙，研究區(qū)地下水埋深一般為2～10 m，同時考慮降雨對滑坡體的影響。

2 研究區(qū)管道埋置方式與變形破壞現(xiàn)狀

2.1 管道埋置方式

管道通過該滑坡的路線為折線形。該管道從滑坡體后緣西側(cè)以SE167°方向斜向穿入滑坡體，以該角度延伸約90 m 后轉(zhuǎn)向為SE110°，與滑坡體滑動方向近垂直，然后延伸約110 m 再次轉(zhuǎn)向為NE41°后從滑坡體東側(cè)中部穿出，整體上管道在滑坡體內(nèi)埋置形狀為倒“幾”字型。

2.2 滑坡體及管道變形破壞現(xiàn)狀

由于遭受強降雨影響，現(xiàn)場查勘過程中發(fā)現(xiàn)，滑坡發(fā)生了較為明顯的拉裂變形現(xiàn)象，管道地表附近發(fā)育有寬為2～40 mm 的地裂縫。通過巡查滑坡體后緣民房發(fā)現(xiàn)，滑坡體上部邊界清晰，并且可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。為確保管道運行過程安全，通過對地表設(shè)置位移監(jiān)測儀器，并在滑坡底部設(shè)置抗滑樁以防止滑坡地質(zhì)災(zāi)害進一步惡化。由于土體位移和小規(guī)模滑塌，導(dǎo)致輸氣管道部分發(fā)生裸露，并且因防腐層受損導(dǎo)致管道銹蝕病害。地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，滑坡體最大水平累計位移達到72.1 mm，管道受附加應(yīng)力最大增量為28 MPa。

滑坡體發(fā)生變形破壞的主要原因是滑坡體坡腳的開挖形成高陡臨空面，進而使滑坡失去底部支撐作用，同時由于大規(guī)模降雨增加了滑坡的下滑力，軟化順坡向基覆界面的摩擦系數(shù)，從而加劇了滑動體的滑動過程。

3 折線形管道變形破壞數(shù)值模擬分析

針對滑坡體內(nèi)折線形管道鋪設(shè)方式，采用ANASYS建立與工程實際尺寸一致的數(shù)值模型，利用非完全耦合數(shù)值分析方法，對滑坡滑動過程中管道的力學(xué)響應(yīng)過程和敏感地區(qū)進行分析研究。

3.1 地質(zhì)模型建立及相關(guān)參數(shù)

滑坡模型尺寸參考工程地質(zhì)實測平面和剖面，同時為避免邊界效應(yīng)，設(shè)計模型的橫向?qū)挾葹?00 m，縱向?qū)挾葹?50 m，模型坡腳前緣延伸長度為邊坡高度1.5倍，后緣延伸距離為邊坡高度的2倍，上下邊界均高于邊坡高度2倍。

依據(jù)鉆孔編錄資料劃分研究區(qū)地層，將滑坡體地層簡化為3種主要巖土層：滑坡體、滑動面和基巖床，這3種巖土層的建模物理力學(xué)參數(shù)見表1。

滑坡模型網(wǎng)格為四面體網(wǎng)格，考慮計算效率和結(jié)果的精確性，設(shè)定滑坡體網(wǎng)格尺寸為3 m，滑動面網(wǎng)格尺寸為1 m，滑坡外圍巖土體網(wǎng)格為5 m?；麦w變形破壞模式以摩爾-庫侖準則為依據(jù)，模型頂面為自由邊界，模型底部和外圍四周為法向固定邊界。

3.2 管道模型及計算參數(shù)

由于管道呈折線形布置，本研究根據(jù)管道的實際布置形式做了一定的簡化處理，管道在模型中經(jīng)歷4 次轉(zhuǎn)折，每次轉(zhuǎn)折角度參考實際施工布置圖。建模過程中不考慮彎曲部位轉(zhuǎn)接頭的力學(xué)差異，管道所有部分均按照統(tǒng)一力學(xué)參數(shù)進行設(shè)計（表2）。

管道模型在有限元軟件中利用管單元（pipe）模擬，圓管模型在直管段網(wǎng)格按照管徑的1倍處理，彎曲段按0.5 倍處理；管道與土體接觸部位利用彈簧單元模擬，每個節(jié)點均考慮三維方向的彈簧力。管道的屈服破壞模式以Ramberg 模型為準則，該準則能夠表征材料的非線性應(yīng)變和屈服破壞過程。

3.3 不同工況下的管道變形破壞特征

由于管道埋的地段滑坡破壞發(fā)生在坡腳開挖，并且在強降雨條件下發(fā)生。因此，考慮天然狀態(tài)、開挖狀態(tài)和開挖后降雨狀態(tài)3種工況下的數(shù)值分析過程。

（1）天然狀態(tài)。天然工況下邊坡最大位移僅為5.1 mm，位于滑坡體坡腳部位，滑坡體內(nèi)未見塑性變形區(qū)，經(jīng)強度折減法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.60，說明邊坡此狀態(tài)下穩(wěn)定性好，模型的前置條件與邊坡實際情況契合度較好。

（2）開挖狀態(tài)。開挖后邊坡最大位移發(fā)生在邊坡前緣臨空面東側(cè)，約為28 mm，實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，降雨前滑坡體最大位移為32 mm；同時，塑性變形區(qū)開始在坡體后緣與管道交叉處零星出現(xiàn)；經(jīng)強度折減方式得到邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.05，說明其處于極限平衡狀態(tài)?，F(xiàn)狀調(diào)查發(fā)現(xiàn)，未降雨前，坡腳由于公路施工開挖后滑坡體后緣出現(xiàn)微裂縫，與實際情況較為一致。

（3）開挖后降雨狀態(tài)。從模擬結(jié)果可知，滑坡體位移最大值依然發(fā)生在前緣坡腳部位，約為66 mm，實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，降雨后滑坡體最大位移為72.1 mm；另外，滑坡體位移范圍逐漸延伸至后緣頂部，與現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)居民區(qū)的地板裂縫相吻合。塑性范圍從零星分布變化為貫通分布，計算表明，此時滑坡體的穩(wěn)定性系數(shù)為0.94，處于失穩(wěn)破壞狀態(tài)。通過提取滑坡體監(jiān)測點的位移數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，順坡向位移最大，垂直向位移次之，順管道方向位移最小，同時整體上前2 個方向的位移自滑坡兩側(cè)向中間部位呈對稱分布。

3.4 管道力學(xué)變化規(guī)律

降雨狀態(tài)下管道的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力隨管線的變化曲線見圖1、圖2。

從模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，管道位移規(guī)律與滑坡體內(nèi)土體的位移規(guī)律基本一致，順坡向位移最大，順管道軸向位移最小；應(yīng)力曲線圖顯示，管道上出現(xiàn)了3 處應(yīng)力峰值，其中應(yīng)力集中最為強烈位置為監(jiān)測點T02彎折處，峰值應(yīng)力為435 MPa；其次為T01彎折部位的上游約40 m 和下游約30 m 處，這2 個點的峰值應(yīng)力約為99 MPa和82 MPa。

通過對3 個應(yīng)力集中點的位移和微地形進行對比分析發(fā)現(xiàn)，T02處為滑坡地形突變地帶，該點西側(cè)地形較陡，而東側(cè)地形較緩，同時管道在該處改變方向，造成滑坡體滑動過程中兩側(cè)土體移動作用于彎折處的應(yīng)力和力矩差異很大，從而形成應(yīng)力集中現(xiàn)象；T01處同樣為管道轉(zhuǎn)折部位，但是該點兩側(cè)土體地形變化較小，滑坡體滑動方向和位移基本一致，但T01 處輸氣管道發(fā)生了彎折，導(dǎo)致T01處上游管道受土體順坡向拉拽產(chǎn)生強烈的拉應(yīng)力集中，T01 下游管道受強烈的垂直切割產(chǎn)生剪應(yīng)力集中。

受限于施工條件，無法對該段管道進行大規(guī)模開挖驗證，本研究通過滑坡體內(nèi)部分出露管道（T01）進行實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，T01 下游段管道的防腐層出現(xiàn)了明顯的褶皺開裂現(xiàn)象，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示其應(yīng)力出現(xiàn)了明顯增長。

4 結(jié)論

為分析和研究黃土滑坡地區(qū)管道工程的變形破壞規(guī)律，以西氣東輸工程中某黃土破壞變形造成的管道破壞為研究對象，開展現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查與室內(nèi)模型模擬，進行了3種不同工況下滑坡體和輸氣管道的變形破壞研究，得到結(jié)論如下。

（1）管道與滑坡滑動方向斜交時，若管道埋置方向與滑坡滑動方向呈小角度（0～30°）相交，管道在滑坡后緣呈現(xiàn)強烈的拉應(yīng)力集中，而在底部存在壓應(yīng)力集中，破壞方式傾向于縱向破壞模式；若呈大角度（60°～90°）相交時，其破壞方面明顯傾向于橫向破壞模式。

（2）數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)：滑坡體坡腳開挖后，其最大位移為32 mm；塑性變形區(qū)零星出現(xiàn)，處于極限平衡狀態(tài)下；降雨工況下，最大位移66 mm，與實際監(jiān)測位移（72.1 mm）相近，位移范圍逐漸延伸至后緣，塑性范圍從零星分布變化為貫通分布，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.94，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)；模擬成果與現(xiàn)場實際調(diào)查基本一致。

（3）輸氣管道出現(xiàn)了3 處應(yīng)力集中點，T02 處為滑坡微地形突變地帶，造成滑動過程中作用于彎折處的應(yīng)力和力矩差異很大，峰值應(yīng)力高達435 MPa，從而形成應(yīng)力集中現(xiàn)象；T01 處管道發(fā)生了彎折，導(dǎo)致T01處上游管道受土體順坡向拉拽產(chǎn)生強烈的拉應(yīng)力集中，應(yīng)力最大值為99 MPa，監(jiān)測點T01 下游管道受強烈的垂直切割產(chǎn)生剪應(yīng)力集中，最大值88 MPa。

（4）本研究是基于等強度降雨條件下的靜力分析方法，并未考慮到滑坡變形過程中的動力勢能的變化以及土體運移對管道的沖擊，建議后續(xù)的研究過程中應(yīng)考慮滑坡體內(nèi)管道的動力特性變化規(guī)律。