基于Janbu修正法的某油氣管道邊坡穩(wěn)定性評價★

古 玥 孟宗權(quán) 溫秀萍 馮德佳 禹 楊 張 拓 黃嘉欣 方世躍

(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054； 2.西氣東輸廣東管理處,廣東 廣州 510700； 3.西氣東輸甘陜管理處,陜西 西安 710054)

邊坡發(fā)生破壞失穩(wěn)是一種復(fù)雜的地質(zhì)災(zāi)害[1]。在實際工程治理過程中，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測法分析是重點關(guān)注問題之一。邊坡上土體和巖體在重力的作用下沿著斜坡滑動面形成規(guī)模向下滑動的情況，通常會引起較嚴(yán)重的安全事故和經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失，特別是有地下管道敷設(shè)的邊坡[2,3]，極容易形成滑坡。管道邊坡通常是在管道敷設(shè)以后，由于受到某種擾動使原有的應(yīng)力平衡打破,進(jìn)而發(fā)生坡體滑動等破壞，就山地管道而言,這種外在應(yīng)力一般與重力的迅速增加、結(jié)構(gòu)面強度迅速減弱有關(guān)。邊坡形成后,受外在擾動的機(jī)會和應(yīng)力一般較小,通常是由于自身重力增加來打破受力平衡,而降雨是造成坡體重量增加的主要形式。管道在施工過程中會對施工地的原始地貌和地表植被造成一定程度的破壞，管溝回填土難以達(dá)到原土密實度，加之地表回填土的抗外力侵蝕能力較弱。在強降水之后，斜坡地段敷設(shè)的管道在強降水后地表水大面積匯流情況下，可能使地表水沿著管溝匯流，進(jìn)而引起滑坡。滑坡體可能推動管道位移、變形，造成邊坡的破壞和管道斷裂等后果。大部分滑坡事故都是由于滑動體沿滑動面滑動而造成坡體失穩(wěn)。可以根據(jù)實際工況選擇不同的安全等級來處理實際邊坡工程，針對安全性較差、地質(zhì)情況較為復(fù)雜的特殊邊坡工程，其安全等級要隨著實際工況進(jìn)行調(diào)整。在邊坡穩(wěn)定性評價中，極限平衡法[4]由于其原理簡單，能算出邊坡穩(wěn)定分析定量評值，因而獲得了廣泛應(yīng)用。

極限平衡法是納入設(shè)計規(guī)程的針對邊坡穩(wěn)定性分析的代表性方法，通過在已知滑面之上對邊坡進(jìn)行靜力平衡計算，進(jìn)而求出邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。極限平衡法假設(shè)邊坡出現(xiàn)滑動面且處于極限平衡狀態(tài)[5,6]。但受不同地理環(huán)境和條件的影響,每種方法的適應(yīng)性和要求也不同。主要有畢肖普(Bishop)法、簡布(Janbu)法、推力法、瑞典法、薩爾瑪(Sarma)法和Lowe-Karafiath法等[7,8]。針對某油氣長輸管道邊坡特點，在受地質(zhì)構(gòu)造和地下管道敷設(shè)的雙重影響下，為提高計算結(jié)果，充分利用滿足邊坡條塊間的作用力和力矩平衡且適合于折線滑動面邊坡的方法作為計算辦法，采用Janbu修正法作為本次評價的計算方法。

1 環(huán)境概況

某油氣長輸管道閥室位于深圳市境內(nèi)，整個場區(qū)整平后形成閥室場區(qū)西北側(cè)挖方邊坡及閥室場區(qū)東南側(cè)碎石土填方邊坡。閥室場區(qū)東南側(cè)挖方形成高5 m～12 m不等的邊坡，坡面采用混凝土噴護(hù)措施治理，坡體內(nèi)部采用排水溝措施。考慮到邊坡坡體有可能發(fā)生深部位移，對埋設(shè)于坡體內(nèi)的輸氣管道形成一定程度的應(yīng)力集中，因此采取監(jiān)測管體本身的應(yīng)力變化的監(jiān)測手段。閥室場地附近未見有河流經(jīng)過；據(jù)走訪調(diào)查，場區(qū)歷史上未被洪水淹沒。深圳市地處北回歸線以南，屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，夏較長冬較短，全年氣候溫和，降水量豐沛，光照充足。但深圳市每年會不同程度受到暴雨、熱帶氣旋、寒冷、高溫、雷暴、冰雹、干旱等災(zāi)害性天氣的影響。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)圖來看，閥室所屬區(qū)域地層主要為第四系殘積坡、人工填土、白堊系、侏羅系及泥盆系地層。閥室所在區(qū)域?qū)偾鹆甑孛玻匦纹鸱螅嫉孛矠樘萏铮孛娓叱?3.50 m～74.30 m，相對高差約20.0 m。根據(jù)閥室布置圖，場區(qū)設(shè)計整平標(biāo)高55 m，閥室挖方邊坡平面圖見圖1，現(xiàn)場圖見圖2。通過對閥室場區(qū)邊坡地質(zhì)條件、周圍環(huán)境、后期治理措施的整合，系統(tǒng)分析閥室場區(qū)東南側(cè)挖方邊坡的整體穩(wěn)定性，綜合評價閥室場區(qū)東南側(cè)挖方邊坡安全風(fēng)險程度，為該油氣長輸管道閥室邊坡的安全運行提供依據(jù)和支持。

2 Janbu修正法原理

基本假定：直條塊側(cè)面上的作用力位于滑面1/3條塊高處；作用于條塊上的重力、反力通過條塊底面的重心點。

典型條塊受力分析如圖3所示。

根據(jù)垂直及水平兩方向的靜力平衡及推力邊界條件，求得簡化Janbu法[9]安全系數(shù)表達(dá):

(1)

其中，F(xiàn)S為安全系數(shù);ci為滑面粘聚力;Ei為上條塊推力(水平);ui為平均水壓力;bi為條塊寬度;αi為底面傾角;Wi為條塊自重;φi為摩擦角;KC為地震影響系數(shù);Ei+1為下條塊推力。

式(1)安全系數(shù)FS為隱式，需迭代求解，通常用牛頓—拉芙遜法加速收斂。由于簡化Janbu法忽略了垂直法向條塊間作用力，減少了未知數(shù)，也沒有考慮力矩的平衡，使問題靜定可解。另外此法低估了邊坡抗滑能力，計算出的安全系數(shù)偏小。為此Janbu提出了修正公式:

(2)

3 邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析

3.1 計算參數(shù)與工況

東南側(cè)邊坡剖面計算選取各類評價參數(shù)如表1所示。

表1 邊坡剖面評價參數(shù)值

由于閥室區(qū)及坡面均采取坡面及路面硬化等防水處理措施，因此在暴雨情況下邊坡內(nèi)巖土體不可能達(dá)到整體飽和的狀態(tài)，故分析計算采用自重工況，不考慮地下水及地表巖土飽和情況是符合實際情況的。

3.2 地質(zhì)概化模型

根據(jù)現(xiàn)場實際情況和地質(zhì)調(diào)查分析基礎(chǔ)上，選取東南側(cè)剖面進(jìn)行分析。閥室所在區(qū)域?qū)偾鹆甑孛玻匦纹鸱螅嫉孛矠樘萏铮孛娓叱?3.50 m～74.30 m，相對高差約20.0 m。根據(jù)閥室的布置圖，場區(qū)設(shè)計整平標(biāo)高55 m。

3.3 邊坡計算結(jié)果與分析

整體分析表明，潛在滑動面通常在邊坡軟弱巖層和強度較高巖層交接形成，加之有管道分布，存在安全不足的問題,需要對其進(jìn)行加固處理。

通過軟件Slide5.0的Janbu法計算結(jié)果見圖4。土條重切向分力與滑動方向不同時為當(dāng)下滑力對待，穩(wěn)定計算目標(biāo)為自動搜索最危險滑裂面。最不利滑動面下滑動安全系數(shù)為0.649，低于安全系數(shù)，頂部可能會產(chǎn)生局部順層滑在加固邊坡后Janbu計算的安全系數(shù)結(jié)果見圖5，由圖可以看出，在有利工況整合情況下，采用Janbu修正法進(jìn)行計算，現(xiàn)狀邊坡整體安全系數(shù)計算結(jié)果為2.507，安全系數(shù)較大，可以判定該邊坡是穩(wěn)定的。

4 結(jié)論與討論

1)通過Janbu修正法有效地計算出該油氣管道閥室邊坡的安全穩(wěn)定性，為邊坡的穩(wěn)定性管理和安全評價提供有效的計算依據(jù)。使用Slide模擬剖面在圓弧滑面情況下，計算剖面一般工況下穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.35，地震工況下穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.15，根據(jù)GB 50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范第5.3.1條和表5.3.1判定，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。2)坡度、降雨等因素都對含管道邊坡的穩(wěn)定性具有影響。當(dāng)巖體中存在滑動面，經(jīng)過雨水的侵蝕，滑動面抗剪強度會大幅度降低而導(dǎo)致邊坡滑坡。降雨的影響主要是“雨水匯聚浸泡破壞”和“雨水匯流沖刷破壞”。對橫向敷設(shè)的管道，“雨水匯聚浸泡破壞”是其主要破壞方式；對于縱向敷設(shè)的管道，“雨水匯流沖刷破壞”是其主要破壞方式。地下管道的敷設(shè)的回填土密度較差，降雨后坡體荷載變大，土壤的粘聚力減小，使得部分山體失去原有的平衡而導(dǎo)致滑坡、邊坡垮塌等災(zāi)害。3)建議在實際工程建設(shè)中要因地制宜，采用合理加固保護(hù)措施。如用錨筋加固將管道穩(wěn)固地鑲嵌在基巖中；用土釘加固使土釘在土體形變過程中承受部分拉力作用，利用土釘和土地間的粘結(jié)力和摩擦力來提高斜坡的整體穩(wěn)定性；設(shè)置不同類型的護(hù)坡防止一定程度的沙土流失；設(shè)置截水墻防止管溝回填土被雨水沖走；采用排堵結(jié)合的方法控制附近水流方向，加強對管道的保護(hù)。另外要加強人工監(jiān)察防護(hù)，加強管道的日常維護(hù)，做好管道區(qū)域的水土保持利用植物措施保持水土。定期對管道沿線進(jìn)行監(jiān)察和清理維護(hù)，積極做好管道安全工作。