天然氣管道滑坡位移監測技術及應用

何莎 彭星煜 吳云冬 喻建勝 宋日生

摘 要：介紹滑坡位移監測技術相關理論，基于某天然氣管道滑坡段的環境地質特征，結合滑坡特征、成因機制、發展趨勢及影響，分別采用精密全站儀極坐標法和測斜儀對其實施地表位移監測和深部位移監測。通過對監測數據的分析，得出某天然氣管線所屬滑坡區域正處于蠕動期，雨季活動將更為活躍，對此提出有針對性的治理措施及建議，以保障管道的安全運行。

關鍵詞：天然氣管道；滑坡；地表位移監測；深部位移監測

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2016）09-0015-06

0 引 言

美國運輸部（US DOT）1984年至2001年間天然氣輸送數據顯示[1]，地質災害導致了8.5%的管道事故，遠高于材料缺陷和腐蝕引起的事故比例。滑坡作為天然氣輸送管道地質災害的主要類型之一，極大地威脅著油氣管道的運行安全。滑坡位移監測是通過儀器或裝置探測滑坡巖體或土體移動的規律，得到滑坡穩定性分析的基礎資料，預報滑坡。依據觀測資料了解和掌握滑坡的形態、規模和發展趨勢，采取相應的處理措施實現對管道沿線重點地段崩滑災害的監測，從而確保管道的安全運行[2]。

目前常用的滑坡監測方法主要是地表位移監測、地下深部位移監測[3]。結合相關因素，如降雨、地下水等監測方法，根據鉆孔深部位移監測資料，可準確地掌握滑坡滑面（帶）的位置、滑帶數目等；并根據滑坡不同部位位移速率、位移方式等的空間變化，結合地表變形破裂特征及鉆探等綜合勘察資料，分析滑坡的地質結構。

本文以四川盆地西南部某天然氣管線滑坡為例，采用精密全站儀極坐標法進行地表監測，并采用測斜儀完成深部位移監測[4-5]。通過對監測數據的分析，提出有針對性的治理措施及建議。

1 滑坡位移監測

滑坡位移監測根據監測的對象和范圍分為巖體位移監測（包括地表位移監測和地下位移監測）、地下水監測、地震和爆破震動監測等內容。監測設計所需資料如表1所示。

1.1 監測儀器的布置

為了保證滑坡監測數據的準確性以及有效性，堅持監測目的明確、重點突出，監測滑坡形狀變化的全過程，儀器布置少而精，避免或減少施工干擾，監測設計應留有余地的原則，監測儀器的合理布置就顯得尤為重要[6]，主要內容包括：

1）大地測量變形監測的布置；

2）表面傾斜監測的布置；

3）地表裂縫監測的布置；

4）深部水平位移監測的布置；

5）沿鉆孔軸向位移監測的布置；

6）松動范圍監測的布置；

7）滲流監測布置。

1.2 地表位移監測

在滑坡的孕育、發展和臨滑過程中，最直觀、最確切、最易捕捉的信息是地表位移和變形。國內外對滑坡的監測，也都是把地表位移和變形的監測放在首位，采用的監測手段大致可分為兩類：

1）接觸式測量。如位移計、伸縮計等，其測量原理是用鋼絲連接在滑體上的目標點和滑體外的基準點之間。容易受氣候和環境因素的影響和擾動，故障率較高，目前只能做一維測量。

2）非接觸測量。多沿用大地測繪儀器：如水準儀、經緯儀、紅外測距儀等。這些設備需手動操作，無法自動監測、自動數據存貯和數據遠傳，無法做到實時追蹤。最新一代的全自動全站儀和GPS精度較高，可以自動工作[7]。

1.3 深部位移監測

地下深部位移監測可準確掌握正在活動的滑坡面的位置、位移速率、滑坡帶的數目以及滑坡體隨深度的位移變化情況，為滑坡的穩定性評價、預測預報以及防治工程設計提供第一手資料。此外，山體滑坡在多數情況下為非整體性移動，位移首先出現在內部，逐漸向上傳遞至地表。因此通過深部位移監測對滑坡的穩定性評價和早期預報具有實際意義。

地下深部位移監測包括水平位移的鉆孔測斜儀法和測鉆孔軸向位移的多點位移計法，對邊坡和滑坡及其不同階段都可適用。對于有條件的大型邊坡和重大滑坡，大地測量和鉆孔深部位移測量可以同時采用，對于一般的邊坡和滑坡也可擇一進行監測。深部位移監測可以及時發現滑動面的出現，確定其位置并監視其變化、發展。

1.4 監測周期的確定

滑坡的形成是一個由微小變形到宏觀變形，最后形成土體整體滑動的累積性變形過程[8]。這一過程可能是連續性的，也可能是間接性或突發性的，一般可將其分為緩慢變形、變形發展、變形加劇和急劇變形4個階段。監測周期的確定取決于檢測準確度、變形速度以及實際情況與需要。最小觀測周期的原則是2次檢測結果的差值應體現邊坡的移動，即邊坡的位移量大于2倍位移觀測中誤差。設檢測點的點位觀測中誤差為M，則位移中誤差為■M，設邊坡位移速度為V，檢測周期為T，則有：T·V≥2■M。

在實際工作中一般旱季可每2個月1次，雨季可每月1次，如遇滑動加快等需要縮短周期時，要及時增加觀測次數。

2 工程應用

2.1 工程概況

某天然氣管線位于四川盆地西南部丘陵地帶，在滑坡體上的直線距離約220 m，埋深約1.2～1.5 m。該區域多年平均降雨量986～1 048 mm，最大一日降雨量206.5 mm。測區內褶皺舒緩，壓性、壓扭性斷裂較為發育，地貌單元為構造剝蝕中切寬谷-箱型谷丘陵地貌區，出露巖層為侏羅系沙溪廟組泥巖與厚層砂巖不等厚互層，產狀相對平緩，約為330°∠2°。在斜坡中下部和谷底地段分布2.0～8.0 m不等的殘坡積粉質粘土和碎塊石土層。地勢北高南低，地表水較發達，山頭較為平整，易于蓄水，滑坡邊緣有兩條主要的支水溝。

2.2 滑坡特征與成因機制分析

該滑坡最初變形于2012年5、6月份，集中表現為公路下挫、滑移破壞，變形區范圍上至公路中部及左后側部分地段，下部直至林地后側坡度平緩地段，兩側直抵凸出地形（左側山嘴地段前側陡坡亦有部分滑動并導致電桿歪斜），滑動方向與坡向近于一致而主要集中于凹槽地形。滑坡縱向長度約為15 m，橫向寬度30 m左右，平均厚度1.0 m，總體方量不足1 000 m3，屬小型推移式土質滑坡。其變形特征以土體擠密壓實為主。圖1為滑坡剖面示意圖。

崩塌堆積成因碎塊石土體結構屬于較為穩定土體結構，尤其這類巖層產狀平緩、地形切割不大的丘陵區形成滑坡地質災害的可能性相對較小，因而區內人類工程成為滑坡形成重要因素，主要表現成以下兩個方面：

1）人工棄土的堆放，包括管線施工棄土和道路建設棄土，相對于崩塌堆積自然成因的碎塊石土結構極為不均，且松散易遇水軟化。

2）道路加載亦為該滑坡的重要影響因素之一。

降雨是滑坡啟動的重要誘因[9]。從地質測繪和鉆探揭示情況來看，滑坡區處于地形和地層分布的雙重“凹槽”區（覆蓋層中間厚，兩端薄），有利于地表匯流下滲，每逢雨季，公路內側湍急水流向滑坡中部匯流入滲既是例證。

綜合來看，以人工堆積的物質條件為主要內因，以降雨的影響因素為主要外因，最終導致滑坡的發生。

2.3 滑坡位移監測

根據測區的實際情況，踏勘發現圖2中A，B兩處離滑坡區較遠，坡體穩定，故在滑坡區共選擇6個地表位移監測點，其中控制點2個，滑坡監測點4個。各觀測點位示意見圖2，滑坡位移監測綜合布置平面如圖3所示。圖中綠色為地面監測控制點，紅色為地面滑坡監測點，橙色為深部位移鉆孔。

變形觀測墩地面出露1.2 m，地下埋深1.5 m，地面上1.3 m×1.3 m。均用鋼筋混凝土制作，觀測墩表面是不銹鋼強制對中設備，側面有嚴禁破壞的警示標語和聯系電話。可以同時滿足GPS和全站儀變形觀測。深部位移在地表設有專用保護套管，并用混凝土進行固定保護，非專業工具很難破壞。以上兩種監測設備嚴格施工，不進行人為破壞，完全可以保證至少運行10年以上。

1）地表位移監測及數據分析

采用全站儀極坐標法對圖3中所選擇的監測點進行測量，根據兩個已知控制點的獨立坐標，考慮儀器加、乘常數及溫度、氣壓進行修正，進行精確測角測距，求出各控制點的坐標。

地表測量數據見表2，表中A、B點是位于滑坡區外的穩定的控制點，1～4號點是滑坡區內的變形觀測點。將每個監測點不同時間的監測坐標輸入CAD中，對5組數據對應坐標點進行矢量疊加，得到每個監測點的地表位移矢量圖，最后以每個監測點第1次與第5次坐標之間的模作為這個監測點的總體位移變化量。1、2、3、4號點的變化趨勢及變化量分別見圖4～圖7。

在不到2個月的時間里，各點均有明顯下移趨勢，其中最明顯的3號點下移了13 mm，下降趨勢最小的4號點下移了8.5 mm。

2）深部位移監測及數據分析

深部位移用測斜儀檢測，在測量之前，本文通過鉆4處孔對巖芯進行分析，幫助了解滑坡的運行機理和穩定性。然后在鉆孔中放置專門的測斜管。每個鉆孔的鉆孔深度在13 m左右。

對4個孔進行了4個周期共計30 d的觀測，獲得的數據分別見表3～表6。根據測斜儀測量的數據，得到監測點縱向位移偏移量與監測深度如圖8所示，不難看出各個點在地表2 m以上均有位移，地面6 m以下基本穩定，沒有發生明顯的位移。地面發生位移最大的點是3號，位移達到6.4 mm，位移最小的是1號點，只有0.55 mm的位移。

3 結果與討論

地表位移和深部位移測量的機理完全不同，但是地表監測和地下深部位移監測均反映該區域確實存在滑坡行為，滑坡處于蠕動期，其中：

1）地表位移監測各點均有明顯下移趨勢，其中最大的3號點下移了13 mm，最小的4號點下移了8.5 mm。

2）深部位移監測各個點在地表2 m以上均有位移，地面6 m以下基本穩定，沒有發生明顯的位移。地面發生位移最大的點是3號，位移達到6.4 mm，位移最小的是1號點，只有0.55 mm的位移。

值得注意的是，本文中所得到的地表、深部位移結果均發生在短短一個月的時間段內，且該時間短內該地區未出現大型降雨。如果是在夏季多雨季節，活動還會更加活躍。為了管線的安全運營，應該及時進行治理。

綜合該滑坡的成因機制分析和初步的監測數據分析，一者要強調治理的緊迫性，二者要強調治理方案的針對性：

1）緊迫性主要基于其潛在危險巨大，以及受后期雨季影響變形速率的加快。

2）治理方案的針對性主要在于兩方面：

①有效阻止外因影響，減少降雨不利作用，合理規劃修筑截、排水溝和排水涵洞；

②以保護管線為治理目標，強調以加強管線沿線支撐抗滑為治理方案的核心，分為道路內側的抗滑擋墻和外側抗滑支撐墩[10]。

4 結束語

分別采用精密全站儀極坐標法與測斜儀對四川盆地西南某天然氣管線滑坡區域特征進行監測，分析其監測數據，發現該區域最理想監測為獲得一年為周期的監測數據，對該滑坡進行更科學合理的分析。并建議對滑坡及時進行治理，如對滑坡區域進行水工保護，并對各觀測點進行監測，檢驗治理的效果。由于測區內管線較長，要考慮相關測繪觀測點設施的保護問題，例如聘請巡視檢查員或者定期到現場進行檢查。

參考文獻

[1] SAVIGNY K W， PORTER M， ENG M， et al. Geohazard risk management for the onshore pipeline industry[M].Proceedings，2005.

[2] 周平根. 滑坡監測的指標體系與技術方法[J]. 地質力學學報，2004，10（1）：19-25.

[3] 范永波，侯岳峰，李世海，等. 基于地表及深部位移監測的滑坡穩定性監測[J]. 工程地質學報，2013，21（6）：885-891.

[4] 唐亞明，張茂省. 滑坡監測預警國內外研究現狀及評述[J]. 地質評論，2012，28（3）：533-540.

[5] 邵佩，劉白雁. 垂直鉆井工具測斜儀精確校正理論與實驗[J]. 石油學報，2012，33（4）：692-696.

[6] 胡江，蘇懷智. 健康監測儀器布置優化研究綜述[J]. 水電能源科學，2011，29（7）：100-104.

[7] 胡顯明，晏鄂川. 滑坡監測點運動軌跡的分形特性及其應用研究[J]. 巖石力學與工程學報，2012，31（3）：570-576.

[8] 胡友健，梁新美. 關于滑坡監測精度及復測周期的合理確定[J]. 地質科技情報，2002，21（2）：91-93.

[9] 繆海波，殷坤龍，王功輝. 庫岸深層老滑坡間歇性復活的動力學機制研究[J]. 巖土力學，2016，37（9）：2645-2654.

[10] 龐偉軍，鄧清綠. 地質災害對輸氣管道的危害及防護措施[J]. 中國地質災害與防治學報，2014，25（3）：114-121.

（編輯：莫婕）