油气管道穿越边坡风险评价技术

Evaluation Techniques of Pipeline Crossing Slopes

摘要: 我国西南各省山区、西北黄土高原、中南和东南各省山区和丘陵众多，地质环境条件复杂多样，滑坡广泛分布，是世界上边坡地质灾害最发育、危害最严重的国家之一。长输油气管道路线较长，有时受场地限制等因素必须要穿越这些不稳定坡体，不可避免地受到该类地质灾害的威胁。当坡体稳定性发生破坏时，坡体滑动便会管道安全造成威胁，轻则会造成管道的变形和断裂，重则会造成火灾和爆炸。为降低不稳定坡体地质灾害对油气输送管道的影响，需要通过边坡稳定系数来对油气管道建设场地附近的坡体进行安全评估，根据评估结果采取相应的措施，对管道穿越坡体进行加固，从而保障油气管道安全运营。

Abstract: Our country is one of the countries with the most developed and most serious landslide hazards in the world, especially in the southwest provinces, northwest Loess Plateau, and southeast provinces. The geological environment conditions are complex and diverse, and the unstable slopes are widely distributed in the above areas. Because the oil or gas pipeline routes are always very long, it is inevitable to pass through these unstable slopes due to the limitation of site. When the stability of the soil slope is damaged, the sliding of the slope will pose a threat to the safety of the pipeline, sometimes causing pipeline deformation or fracture, sometimes going so far as to fire and explosion. In order to reduce the impact of those geological hazards on oil or gas pipeline, slope stability factor can be used to evaluate the safety of landslide near the oil or gas pipeline construction site. The protection measures can be taken to reinforce the slope as per the evaluation results correspondingly and to ensure the safe operation of the oil and gas pipeline.

1. 引言

我国西南各省山区、西北黄土高原、中南和东南各省山区和丘陵众多，地质环境条件复杂多样，滑坡广泛分布，是世界上滑坡灾害最发育、危害最严重的国家之一。长输油气管道站场多、线长、面广，受场地限制等因素，油气管道建设有时必须要穿越这些滑坡体，不可避免地受到滑坡灾害的威胁。当滑坡体稳定性发生破坏时，坡体滑动便会管道安全造成威胁，轻则会造成管道的变形和断裂，重则会造成火灾和爆炸。

据统计西气东输建设中沿线存在滑坡155处，西气东输二线龙岗西峡支干线存在滑坡136处，忠武输气管道沿线有滑坡34处，涩宁兰输气管道沿线存在滑坡13处，基本上所有长距离输送油气管道建设都会遇到滑坡灾害的威胁 [1] [2]。2011年陕京一线郝家寨阀室附近由于土体移动导致管道屈曲失效。忠武输气管道忠县到宜昌409 km山区段和兰成渝管道陇西黄土高原段、秦巴山区段均是滑坡灾害密集发育区，经过多年治理滑坡防治工作仍然繁重。2007年地质灾害调查显示，这两条管道在新编录的滑坡灾害仍有140余处，这些滑坡对管道有不同程度的危害。2020年8月，川气东送管道所经过的恩施地区屯堡镇马者村沙子坝发生大面积山体滑坡，威胁川气东送管道安全。

当管道穿越边坡坡体时，首先需要对体坡的稳定性进行评估，稳定性评估结果作为管道受地质灾害风险评价的初始条件，若坡体强度储备不足、不够稳定时需要采取相应的措施，油气管道穿越边坡风险评价技术可为管道安全建设和运营提供科学的依据 [3] [4]。

2. 风险评价方法研究现状

国外对边坡稳定性的研究起步较早，1915年，瑞典Petterson K. E.提出以划分若干竖向土条为基础，不考虑土坡粘聚力，只考虑摩擦力的圆弧滑动分析法，即瑞典条分法；1926年Fellenius在原有的瑞典圆弧法上进行了改进，考虑了粘聚力以及摩擦力，但忽略了条块间的作用力，因此计算出的稳定性系数偏于保守 [5]。1955年，Bishop提出的毕肖普法，在坡体稳定性分析中，加入了土条侧面力 [6]。1964年，英国岩土专家A. W. Skempton在分析评价超固结裂隙粘土滑坡时候提出“残余强度”理论。1965年，Morgenstern和Price提出了M-P法，该方法考虑了土条间作用力，使用于非圆弧形状的滑动面，满足力的平衡和力矩平衡 [7]。1979年，Sarma对堤坝和边坡进行稳定性研究的基础上提出了Sarma法，该方法曾应用于三峡工程 [8] ，随着大量的研究开展，极限平衡法在二维边坡分析中形成了一套较为完善的体系。

国内对边坡稳定性的研究也较多，在成熟的理论计算模型进行总结的基础上，利用计算机软件MATLAB等进行编程，通过新型计算技术对坡体稳定性、滑动面和滑动位移进行求解。例如，胡世伟 [9] 采用MATLAB开发的软件实现了滑坡稳定系数计算，并通过软件实现了对滑坡体滑动的可视化。刘红枫 [10] 采用MATLAB编程对滑坡稳定性就行了求解，该程序具有参数化、自动化和可视化的特点，不但可以求解滑坡稳定系数，还可生成可视化的滑坡几何外观和滑动面。吕小永 [11] 采用强度折减法对滑坡体稳定性进行了数值分析，综合分析了位移突变判定依据和塑形贯通判定依据的特点，并对某大型古滑坡的稳定性进行了分析，得出了两种判定依据与实际情况相符的结论。

3. 风险评价方法

常见的边坡稳定性风险评价方法有定性分析法、极限平衡法和有限元法。定性分析方法是通过野外现场勘察，对边坡稳定性产生影响的各种因素进行分析，分析边坡可能失稳破坏的方式，这是一种较为简单的评价方法，但它主要靠工程人员的经验，这种不确定性和随意性比较明显，可以对小型的坡体稳定性进行评价，同时也不能求解坡体稳定性系数，若求解坡体稳定系数还需要结合定量分析方法。

极限平衡法一般是先假定土体发生失稳，根据摩尔–库伦破坏准则和力学平衡条件，计算滑坡稳定安全系数及滑动面。极限平衡法是以摩尔–库伦理论为基础，是一种经典的边坡稳定性分析方法，目前应用到边坡工程最为广泛，该方法是以假设滑坡体和滑动面以下的部分为刚体，先假设许多滑动面，并且滑动面上部被划分为多个竖条，根据力学平衡方程组，求解坡体稳定安全系数，将安全系数的最小值作为最终的求解结果。采用假设的方法可以简化计算，并且具有易操作性的特定，因此得到了广泛的运用。常用的极限平衡法主要有毕肖普法、瑞典条分法，以及非圆弧普遍条分法。

有限元强度折减法是用来分析滑坡的安全系数的方法。Duncan在Zienkiewice的基础上给出了新的定义：安全系数被定义为当土体在破坏临界状态时，滑坡岩体此时的剪切强度除以初始的剪切强度也就是被折减的幅度。该发已然成为研究滑坡稳定的强有力的新方法。强度折减法外载荷作用下，坡体依靠自身岩土力学特征所能抵抗的最大剪切力与外载引起的实际剪切应力的比值。假设滑坡土体内部抵抗剪切破坏是均匀的情况下，强度折减系数也被称为强度安全储备系数。目前为止，有限元强度折减法在对滑坡的稳定性分析中判断破坏标准的原则有如下三种：以有限元计算不收敛或者仿真计算中断作为失稳判定标准，计算不收敛对应的强度折减系数即为求解结果；以滑坡的塑性区开始形成、发展、直至贯通视为失稳判据，塑性区的贯通时所对应的强度折减系数即为求解结果；以滑坡的特征点的横向位移发生突变作为失稳判断依据，特征点水平位移突变对应的折减系数作为求解结果。强度折减系数，就是保持外荷载不变的条件下，坡体所具有的最大抗剪强度与由于外荷载所产生的坡体实际剪应力之比。当两种土体抗剪强度的发挥程度相同时，这种抗剪强度折减系数相当于坡体稳定安全系数 $F_s$，又称为强度储备安全系数。折减后的抗剪强度参数可分别表达为：

$c_m=c/F_r$ (1)

${\phi }_m=\arctan \left(\tan \phi /F_r\right)$ (2)

式中， $c$ 和 $\phi$ 是土体所能够提供的抗剪强度； $c_m$ 和 ${\phi }_m$ 是维持平衡所需要的或土体实际发挥的抗剪强度； $F_r$ 是强度折减系数。坡体有限元模型如图1所示。

Figure 1. Finite model of slope

图1. 边坡有限元模型

采用有限元强度折减法，就是根据土体的强度指标，即粘聚力和内摩擦角，一起进行数值折减，并带入有限元进行计算，计算中假定不同的强度折减系数F_r，分别进行有限元分析，将计算是否收敛作为依据，在整个计算过程中不断增加F_r，达到临界破坏时的强度折减系数F_r就是边坡稳定安全系数F_s。

4. 采用有限元方法评价案例

这里选择一个均质土坡作为算例进行分析。有一高H = 10.0 m，坡角β = 45˚的均质土坡，土体容重为γ = 20 kN/m³，黏聚力c = 12.38 kPa，摩擦角ϕ = 20˚。若按极限平衡法分析，本算例中的土坡稳定安全系数应为1.0，如图2所示。

Figure 2. Geometry model of homogeneous slope

图2. 均质土坡几何模型

在有限元计算结果中，选取模型中坡顶左侧顶点，建立场变量(即安全系数Fs)与X方向位移变化曲线，即FV1与U1变化曲线，利用ABAQUS提供Combine函数，将FV1随U1的变化关系绘制于图中，若以数值计算不收敛作为土坡稳定的评价标准，对应的FV1为1.06，即安全系数Fs = 1.06，如图3所示。

Figure 3. Stability factor Fs varying curve with horizontal displacement of slope top

图3. 安全系数Fs随坡顶水平位移的变化

若以位移的拐点作为评价标准，即注意到顶部节点水平位移有一个明显的拐点，则安全系数为Fs = 0.99；若以土坡塑性区的贯通现象为评价标准，直到t = 0.3213时出现土坡体塑性区域贯通现象，出现了对应的安全系数为Fs = 0.982。如图4和图5所示。

(a) T = 0.2938时土坡坡角出现屈服现象(b) T = 0.3213时开始出现土坡坡体塑性区域的贯通现象

Figure 4. Plastic region distribution under different time step

图4. 不同时间步情况下的坡体塑形区域变化情况

Figure 5. Stability factor Fs distribution at the time T = 0.3213

图5. T = 0.3213时安全系数Fs

塑性区域贯通判定标准与前面两种判断标准得到的安全系数差不多，尤其是和位移拐点方法很接近，而这两个数值与极限平衡分析方法给出的Fs = 1.0相比都比较接近，说明三种判定标准都是可行的。其中塑性区域是否贯通判定标准最为保守，与FV1~U1曲线出现拐点判定标准较为接近，以计算是否收敛作为判定标准最为不保守。

在有限元分析过程中，可以计算得出坡体的X向位移和Y向位移，进而判定不同位置土体滑动的方向。通过有限元计算法发现，坡体的水平位移和竖向位移分布并非定值，自坡脚至坡顶水平位移逐渐减小，而竖向位移逐渐增大，该位移计算可以为埋地管道横向通过滑坡体时管体承受的初始位移提供输入条件，也可以为合理布置抗滑桩减少滑坡体对管道的影响提供依据，虽然坡体水平和竖向位移分布不均匀，但是坡体整体位移大小基本一致，坡体水平、竖向和总位移分布如图6所示。

5. 结论

对滑坡体稳定性进行分析，常用的方法有极限平衡法和有限元法强度折减法。与极限平衡法比较，有限元采用强度折减法模型能自动地或“自然地”确定临界失稳面，通过滑坡体不同区域应变和位移发展的不连续性能够清晰界定失稳区的深度；在计算安全系数时，有限元法不需要假设滑坡条块间或圆柱间的力。虽然不同类型的滑坡分析方法对数据的要求不尽相同，但均对数据有一些基本的要求，最少应包括滑坡或潜在滑坡体的几何形态(地表地形、地层、结构和突变、基本滑动面的几何形态)、土体强度特性等。

(a) 移动土坡体X方向位移 (b) 移动土坡体Y方向位移(c) 移动土坡体整体位移

Figure 6. Displacement distribution nephogram of soil slope

图6. 土坡坡体的位移分布情况

土壤本身的性质是坡体是否稳定的重要因素之一，在油气输送管道顺坡敷设区域，通过回填土改良，提高回填土的内摩擦角可以提高坡体的稳定性，从而可以为油气输送管道提供安全保障。

NOTES

^*通信作者。