降雨誘發某氣田非飽和滑坡機制分析

張鵬程，牟曉東

(中石化石油工程設計有限公司,山東 東營 257000)

0 引言

近幾年來，中國油氣行業發展迅速，地面設施建設日新月異。隨著油氣地面建設的不斷發展，建設環境越發惡劣，人類活動與自然環境矛盾日益凸顯，地質災害已呈多發態勢[1]。滑坡是油氣輸送管道工程中最為常見的地質災害，其中降雨對滑坡穩定性影響受到了國內外專家的格外重視[2]。Guzzetti[3-4]通過處理海量滑坡數據，得到誘發滑坡的降雨界限值；Floris[5]建立修正后的降雨量臨界滑坡模型；Crozier[6]提出前期有效降雨量的計算式。國內學者在研究降雨對滑坡穩定性影響方面也取得了許多成果，如吳樹仁[7]等通過對三峽水庫近幾年的滑坡災害資料進行統計分析，通過對滑坡狀態預警及滑坡時、空間預報判據完成三峽水庫滑坡預警研究；吳剛等[8]通過對都江堰五里坡滑坡進行分階段研究，發現了降雨入滲后地下水對斜坡的作用過程。自2020年雨季以來，四川地區連續降雨，導致油氣田地面設施建設區域發生嚴重地質災害，其中滑坡、泥石流等最為嚴重，給國家資源和人民的生命財產造成嚴重威脅[9-10]。該氣田某閥室也嚴重受此次降雨影響，無法維持正常運營和周邊人民的生活秩序。

1 實例概況

1.1 滑坡概況及強度參數

研究區原為斜坡地貌，地形坡度較緩，由于修建下部閥室，對坡體進行開挖切坡，形成了高2.5 m～3.0 m的陡坎，致使坡腳處應力集中分布，同時坡體出露地層為崩坡積形成的粉質黏土，其滲透性一般。滑坡從平面形態上看，呈不規則的“圈椅”狀，主滑方向為221°。前緣位于閥室后墻處，相對最大高差為36.3 m。滑動后緣已形成了寬約30 cm的下錯裂縫；中下部為一斜坡地貌，坡度為28°～33°。該滑坡體后緣存在下錯裂縫，并存在持續發展的趨勢。一旦坡體進一步滑塌失穩，將直接危害斜坡前緣平臺處該閥室的安全及正常運營，可能導致閥室輸氣管道的破壞進而造成天然氣泄漏，威脅閥室的工作人員及周邊居民的生命財產安全。根據GB/T 32864—2016滑坡防治工程勘查規范表B.2續，本滑坡為小型淺層牽引式土質滑坡。具體土層分布及物理力學設計參數見表1。

表1 巖、土體物理力學性質設計參數

1.2 現場監測數據

場地內共布置監測點5個，其中滑坡后緣1個，滑床2個，前緣2個，監測點具體見圖1。

現場監測數據見圖2,圖3。

根據土壤含水率現場監測數據可知：2020年7月1日～7月19日，該地區一直處于間歇式降雨狀態，滑坡體在間歇性降雨狀態下于7月2日開始發生蠕變，直至位移量達到60 mm，位移速度保持穩定，持續變形。在間歇性降雨影響下，該滑坡于7月16日蠕變階段結束，發生劇烈滑動，位移達到102 mm，并在短短幾個小時迅速增大至201 mm，發生滑坡。其滑動情況屬于應力小于坡體極限強度，而大于長期強度，在發生破壞之前經過一段較長時間的蠕動過程[11]。

2 非飽和滑坡模型建立

2.1 土-水特征曲線

由于該滑坡在雨季前長時間處于穩定狀態，為完全還原滑坡發生環境，本次計算認為降雨初始階段滑坡處于非飽和狀態。進行非飽和滑坡分析之前必須獲得該地區土體的土-水特征曲線，以確定該土體含水率與基質吸力的關系。試驗獲取土-水特征曲線周期長，實際工程中難以應用；使用GeoStudio中SEEP/W模塊內置樣本函數可快速得到土-水特征曲線[12]。考慮到該滑坡對氣田閥室的嚴重影響，本文參照四川地區某粉質黏土滑坡研究文獻確定該地區土-水特征曲線，采用SEEP/W內置的樣本函數法進行擬合。根據勘察資料，土樣飽和體積含水率為22.3%，得到土-水特征曲線見圖4。

2.2 滲透系數

非飽和土中，由于顆粒間孔隙由孔隙水和空氣充填，此時，空氣充填的孔隙就成了非傳導通道，水流只能在孔隙水充填的孔隙中流動，使得非飽和土滲透系數小于飽和土[13]。雖然滲透系數隨著含水率的變化，但它與含水率有著Van Genuchten滲透系數公式的對應關系[14]。土-水特征曲線與式(1)相結合可取得非飽和土滲透系數：

(1)

其中，kw為非飽和滲透系數；ks為飽和滲透系數；a，m，n均為擬合參數，其中n=(1-m)-1；hw為壓力水頭。

2.3 模型建立

本文采用GeoStudio中的SLOPE/W，SEEP/W和SIGMA/W模塊進行降雨模擬計算。其中，SLOPE/W模塊根據極限平衡法進行穩定性分析；SIGMA/W模塊基于有限元進行應力應變分析；SEEP/W則可以進行孔隙水壓力、總水頭、壓力水頭重分布計算。三者可以互相耦合，實現降雨對滑坡穩定系數、應力、變形分布計算。模型建立情況如圖5～圖7所示，因現場跡象明顯，建立模型通過指定后緣拉張裂縫、前緣剪切裂縫位置指定滑動面位置，其下臥地層設為穩定地層，邊界為固定約束，即模型左側邊界、下邊界側X,Y方向均不產生變形；根據現場降雨量監測數據確定模型降雨強度。

3 滑坡形成機制分析

本文采用GeoStudio中的SLOPE/W,SEEP/W和SIGMA/W模塊進行數值模擬。其中SLOPE/W模塊是基于極限平衡法進行滑坡穩定系數計算；SEEP/W模塊是采用有限元方法進行水土耦合分析；SIGMA/W模塊是采用有限元方法進行土體、剛性構件應力應變分析[15]。同時3個模塊可以互相結合，實現降雨對滑坡穩定性影響分析。

3.1 孔隙壓力重分布

采用SEEP/W進行自然狀態及降雨條件下孔隙水壓力分布情況分析。根據現場情況確定0.3 m均勻降雨方式。土-水特征曲線通過SEEP/W中非飽和材料輸入，滲透系數則通過式(1)進行計算。孔隙壓力分布見圖8,圖9。

由圖9可知，降雨環境下，該滑坡地表滲透土層較薄：0.3 m降雨量的條件下，地表土體滲透厚度僅為0.7 m。因此，對于該滑坡，降雨主要加劇坡腳應力集中分布，削弱滑坡穩定性。由此可得，該滑坡治理過程中，坡腳排水效果至關重要，如果坡腳排水效果不好，則極易引起坡腳剪切破壞。

3.2 滑坡形變量

SEEP/W模擬結束后，對雨后的滑坡變形進行分析計算(見圖10，圖11)。首先將降雨模擬結果導入SIGMA/W模塊中，采用耦合應力/孔隙水壓力進行滑坡變形分析。

由圖可知自然狀態下滑坡剪應力集中分布于坡腳，符合實際情況。此時滑坡形變量最大為32.53 mm，處于基本穩定狀態。通過選擇3.1最后階段的孔隙水壓力分布進行降雨滑坡變形計算。結果表明：降雨對滑坡穩定性影響極大，0.5 d共0.3 m降雨量下滑坡最大位移量達到192.33 mm，直接導致滑坡災害發生。分析其原因主要有兩點：1)坡面積水增大了坡體重量，是導致滑坡發生的主要原因之一；2)降雨增大了坡體內部水頭，使得土體內部發生滲流(圖11中黑色箭頭表示滲流方向)，使得下部低水頭坡體變形增大，導致牽引式滑坡形成。由此可得，該滑坡治理設計中，坡體截排水效果直接影響滑坡穩定性，坡面一旦積水，既施加了外部荷載，也增大了滑坡內部水頭，引發土體內部滲流，導致滑坡發生。

3.3 滑坡穩定系數

將降雨模擬結果導入SLOPE/W模塊中進行滑坡穩定系數計算(見圖12，圖13)。

根據SLOPE/W計算結果，該滑坡自然狀態下穩定系數為1.001，處于基本穩定狀態；降雨0.5 d，降雨量0.3 m工況下，穩定系數為0.795，處于不穩定狀態。這一模擬結果與結論不完全符合，其原因是：對于濕陷性黃土、粉土而言，體積含水率在一定范圍內，基質吸力對土體的強度有增大作用，該作用的大小隨含水率呈某一函數關系，且存在一個含水率的臨界值，含水率小于臨界值時，隨著含水率增大，對強度的增強作用逐漸降低，當超過臨界值時，含水率增大會減小滑坡穩定系數，但是在該滑坡中，基質吸力對其黏聚力影響較小，降雨直接導致土體強度降低，穩定系數減小。由此可得，在該滑坡治理設計中，應充分考慮坡體支護強度，盡量避免考慮基質吸力對滑坡穩定性影響。

4 結論

本文基于四川某滑坡監測數據，采用GeoStudio對該滑坡產生機制進行分析，通過工勘資料確定滑坡地層分布情況及各地層物理力學參數，并參考已發文獻確定該處滑坡非飽和參數，綜合考慮現場降雨情況及土體非飽和特性，使得模型最大程度貼近實際情況，確保本次滑坡機制分析實際有效。得到結論如下：

1)降雨對該滑坡穩定性影響極大，具體表現為：降雨難以滲入土體深部，只能提高淺層土體含水率，并加劇坡腳應力集中分布，誘發滑坡發生；坡面積水對滑坡變形有較大影響，其作用機理為：a.坡面積水施加荷載加重滑坡變形；b.通過增大土體內部水頭使得土體內部形成滲流，引發牽引式滑坡發生。因此，該滑坡治理設計中，坡面截排水措施作用效果至關重要，直接影響治理效果。

2)基質吸力對該滑坡強度影響較小，降雨對土體黏聚力影響較小。因此，在治理設計過程中，對于該滑坡應盡量保守設計，避免考慮基質吸力對滑坡穩定性影響。