陜京輸氣管道工程黃土高原邊坡穩定性分析

郭存杰，郭 磊，孟祥巖，尹文柱

(1．中石油北京天然氣管道有限公司，北京100101;2．中石油昆侖燃氣有限公司，北京100101)

在陜晉黃土高原地區，陜京輸氣管道工程多沿黃土梁峁、崾峴、溝岸邊緣敷設，其邊坡穩定性直接影響到工程安全。為了防止黃土邊坡滑塌，陜京輸氣管道工程在主體施工期和運行期對管線經過的部分黃土邊坡用素土或灰土進行加固，但是如何選擇加固邊坡形式以及如何對加固后邊坡的穩定性進行評價等都沒有準確的研究成果［1－5］。為了解決這一問題，采用模擬計算的方法對不同坡高、不同坡比、不同含水率、不同填土的天然黃土邊坡和人工填土邊坡進行穩定性分析，希望能為陜京管道工程黃土邊坡、人工填土加固邊坡的穩定性評價和邊坡加固設計提供參考。

1 計算方法

邊坡穩定性分析采用簡化畢肖普法。該方法考慮了土條側面的作用力，并假定各土條底部滑動面上的抗滑安全系數均相同，是目前各種規范推薦計算土質邊坡穩定的主要方法之一。采用北京水利科學研究院邊坡穩定計算程序(STAB－95)進行計算。

2 計算斷面

據調查，陜京輸氣管道工程所經過的黃土邊坡高度一般為5～50 m 不等，個別地方高度超過50 m，平均坡比一般為1 ∶0．5～1 ∶1．5;部分邊坡已采用素土或3 ∶7 灰土進行加固，加固高度一般為5～30 m，加固邊坡坡比一般為1 ∶0．75～1 ∶1．50。為了使分析結果具有代表性和普遍性，選取了不同坡高、不同坡比在不同含水率情況下的天然黃土邊坡和不同坡高、不同坡比、不同填土在最優含水率情況下的人工填土邊坡進行計算。

天然邊坡為一級邊坡，土層分布自上而下分別為Q4、Q3、Q2和Q1黃土，其中Q4黃土層厚度為5 m，Q3為10 m，Q2為20 m，以下均為Q1黃土，計算斷面見圖1。人工填土邊坡為多級邊坡，填土類型分別為素土、1 ∶9 水泥土(質量比)和3 ∶7 灰土(體積比)，計算斷面見圖2。

3 計算參數

邊坡穩定性與土壤物理性質密切相關，因此在計算中原狀黃土的物理力學指標參考《土的工程性質》、《黃土的工程性質》，根據陜北榆林地區大量黃土物理力學指標試驗結果的平均值進行設定;各類人工填土(素填土、1 ∶9 水泥土、3 ∶7 灰土)的物理力學指標根據其在最優含水狀態下壓實系數為0．95時的試驗結果確定。

4 計算結果分析

4．1 邊坡穩定性計算結果

根據天然黃土邊坡、人工填土邊坡各種工況危險滑弧及安全系數計算結果(表1、表2)，繪制飽和黃土邊坡30 m 坡高和素填土邊坡30 m 坡高的危險滑弧(圖3、圖4)。

表1 天然黃土邊坡在各種工況下危險滑弧及安全系數

表2 人工填土邊坡各種工況危險滑弧及安全系數

4．2 結果分析

4．2．1 天然黃土邊坡

(1)在相同坡高、含水率情況下，天然黃土邊坡穩定安全系數與坡比成正比，即隨坡比減小(坡度減緩)而增大;在相同坡高、坡比情況下，穩定安全系數隨含水率增大而急劇減小。

(2)在相同坡比、含水率情況下，天然黃土邊坡穩定安全系數隨坡高增大而減小，且含水率越低減小速率越大。

(3)坡高10～30 m 的天然黃土邊坡，當坡度小于1 ∶0．5時，無論干燥和濕潤情況下穩定安全系數都大于等于1．0，即在此高度和坡比范圍內的邊坡是穩定的，說明黃土高原地區許多天然黃土邊坡是穩定的;在飽和狀態下，不同坡高、坡比邊坡的穩定安全系數介于0．55～1．56 之間，取穩定安全系數接近1.10 時對應的坡比作為臨界坡比，天然黃土邊坡不同坡高的臨界坡比見表3。

表3 天然黃土邊坡飽和狀態下的臨界坡比

4．2．2 人工填土邊坡

(1)在相同坡高、填土情況下，人工填土邊坡穩定安全系數與坡比成正比，即隨坡比減小(坡度減緩)而增大;在相同坡高、坡比情況下，3 ∶7 灰土邊坡的穩定安全系數最大，素填土邊坡最小，1 ∶9 水泥土邊坡介于二者之間。

(2)在相同坡比、填土情況下，人工填土邊坡穩定安全系數隨坡高增大而急劇減小。

(3)坡高10～30 m 的各類人工填土(素填土、1 ∶9 水泥土、3 ∶7 灰土)邊坡，當坡度小于1 ∶0．5 時，在最優含水率情況下穩定安全系數均≥1．0，即在此高度和坡比范圍內的人工填土邊坡是穩定的。由表2 知，30 m 高素填土邊坡在坡比1 ∶1．0情況下的穩定安全系數為1．73，可以滿足邊坡穩定要求，因此建議在邊坡加固處理中適當采用素填土邊坡代替1 ∶9 水泥土和3 ∶7 灰土邊坡，不僅可以滿足工程要求，而且可以大大節省工程投資和減少對環境的污染。需要說明的是，計算中采用的素填土物理力學指標是根據填土在最優含水情況下、壓實度95%時的試驗結果選定的，若采用素填土加固邊坡，施工時填土壓實度必須達到95%才能保證工程安全。

［1］胡曉梅．水工保護在黃土高坡上的應用［J］．天然氣與石油，2005，23(4):61－64．

［2］吳克信，劉陽．黃土地區油氣管道工程線路水工保護措施探討［J］．天然氣與石油，2003，21(4):59－64．

［3］王衛民，張文偉．黃土地區長輸管道地質災害分析及治理［J］．油氣儲運，2001，20(4):28－31．

［4］張歆，余劍平．陜京輸氣管道工程水土流失分析及防治措施［J］．人民長江，2006，37(2):34－36．

［5］石長遠，趙萬里．油氣工程中濕陷性黃土地基處理［J］．天然氣與石油，2006，24(1):63－66．