降雨作用下某滑坡的穩定性研究

劉強,阿發友,沈顯澤

(1.國家石油天然氣管網集團有限公司華南分公司,廣州 510600;2.昆明理工大學國土資源工程學院,昆明 650093;3.自然資源部高原山地地質災害預報預警與生態保護修復重點實驗室,昆明 650093)

1 引言

西南地區地質環境條件復雜多變,地質災害極為頻發。輸油管道作為長距離線狀工程,在西南地區穿越各種各類地質環境,面臨的地質災害具有多樣性、復雜性和普遍性的特點,給輸油管道安全防控帶來了很大挑戰。由于管道建設里程的不斷增加和山區地質災害的易發性,地質災害已經成為管道安全運營的頭號威脅。據不完全統計,截至2014年蘭成渝輸油管道、中貴輸氣管道、西氣東輸管道沿線地質災害多達282處,涉及崩塌、滑坡、泥石流等,其中滑坡災害107處,占比達38%[1]。由此可見,滑坡是威脅管道安全運營的主要地質災害之一。在滑坡的作用下,輸油管道受到土體的推擠、拉壓或者復合作用而產生變形變位甚至管道的破裂對管道的運營管理工作帶來了極大的挑戰[2-4]。2017年發生的百昆成品油管道建水站MJ053滑坡,就是典型的輸油管道滑坡災害,該滑坡長約90 m,寬80 m,滑體平均厚度約3 m,最大滑動距離約為1.00 m。輸油管道正好由東向西穿過滑坡體,滑坡直接威脅到輸油管道的安全運營。因此,為保證管道安全運營,分析研究輸油管道滑坡的穩定性,為滑坡防治提供可靠的依據是必須進行的工作。

誘發滑坡的因素具有多樣性,但降雨是誘發滑坡的最主要因素之一[5-6]。目前,降雨誘發滑坡機理受到國內外學者的重視,并進行了大量的研究工作。研究主要從降雨誘發滑坡的機理出發,分析降雨入滲以后斜坡體內的水-巖 (土) 相互作用對斜坡穩定性的影響[7-8]。研究方法主要有物理模型試驗和數值模擬分析等[9]。在參考前人研究的基礎上,本文以百昆成品油管道蒙自管理處MJ053滑坡為例,利用Geo-Studio數值模擬軟件,分析滑坡在連續3 d強降雨作用下的位移場和穩定性變化情況,為滑坡防治提供依據,具有一定的理論意義和實際意義。

2 滑坡區地質環境條件

滑坡位于百昆成品油管道建水站MJ053處,管道穿越滑坡區(圖1)。場地地貌單元屬丘陵,微地貌特征呈南東高北西低?；路植几叱? 347～1 363 m,縱向上呈“緩-陡”臺階狀地貌,前緣中下部較緩,為2°～8°,滑坡上部斜坡坡度相對較大,坡度15°～45°?；轮骰较驗?12°,滑坡平面形態上呈弧形,滑坡平均長約90 m,平均寬度約80 m,總面積約7 200 m2,滑坡體平均厚度約3 m,總體積約為2.16×104m3,屬淺層小型土層滑坡?；聟^地表變形跡象主要表現為裂縫發育(圖2),滑坡區共發育裂縫8條 (L1至L8),裂縫最寬達0.1～10 cm,并局部發生錯動,形成0.1～1.5 m的滑坡后壁(圖3)。

圖1 滑坡整體照片

圖2 原治理水溝嚴重變形破壞

圖3 滑坡后緣裂縫

圖4 滑坡典型工程地質剖面圖

3 降雨作用下滑坡的數值模擬研究

3.1 模擬軟件的選取

Geo-Studio數值模擬軟件是由世界著名的巖土軟件開發公司GEO-SLOPE在20世紀70年代研發的針對巖土、采礦、地質和環境工程等領域的一套模擬分析軟件,是世界知名的巖土工程分析軟件之一[10-11]。不同于傳統計算滑坡穩定性時采用的極限平衡法,Geo-Studio采用的是有限元法,有限元法不僅不需要假設滑動面,還能計算涉及到水-土的相互作用和強度與變形相關的穩定性計算問題,同時還能求解在不同時刻的邊坡應力狀態,具有較強的實際應用價值和科研價值。

3.2 模型的建立

滑坡位于一處山間丘陵地帶,為了讓計算剖面能最大程度反映出滑坡的地形地貌以及地層和結構特征,結合前期的勘查成果,選取圖4為此次數值模擬的計算剖面。模型左側高17 m,右側高32 m,水平長138 m,尺寸與實際剖面保持一致。結合滑坡規模,此次模型共選取滑坡區已揭露的4種地層,由上至下分別為:第四系殘坡積層(Q4el+dl)粉質粘土、上第三系(N)全風化泥質粉砂巖、上第三系(N)強風化泥質粉砂巖和上第三系(N)中風化泥質粉砂巖。模型采用四邊形和三角形進行網格劃分,共劃分網格392個、節點439個,并在滑坡前緣和人工便道堆積體設置監測點A(34,37)和監測點B(118,48),以便觀測滑坡前緣和后緣隨降雨時程的變形情況。具體計算模型如圖5。

圖5 滑坡計算模型

3.3 計算參數與邊界條件的選取

(1) SEEP/W模塊參數選取

模型自上而下由4種不同地層組成。第一層為滑體土第四系殘坡積層(Q4el+dl)粉質粘土,材料模型為飽和/不飽和,土體飽和含水量為0.432 m3/ m3,最大基質吸力為100 kPa,估計方法為樣本函數,材料選擇為粉質粘土;飽和滲透系數為0.240 m/d,估計方法為Van Genuchten法。根據地層設置材料的不同,可以得到不同地層巖土體的水土特征曲線,水土特征曲線見圖6和圖7。第二到第四層參數設置方法與第一層相同,為方便描述,地層由上而下命名為地層1～4,不同地層具體參數取值見表1。

表1 SEEP/W模塊地層參數表

圖6 粉質粘土水土特征曲線

圖7 泥質粉砂巖水土特征曲線

(2) SLOPE/W模塊參數選取

穩定性計算選取摩爾-庫倫計算模型,采用內置的條分法進行滑坡穩定性計算,其中涉及的主要計算參數包括材料重度r、粘聚力c和內摩擦角φ。具體參數選取見表2。

表2 SLOPE/W模塊地層參數表

(3) SIGMA/W模塊參數選取

此模塊主要用于分析滑坡在降雨過程中的變形和應力分布情況,材料分類選擇有效參數(w/孔隙水壓力),材料模型選擇彈塑性(w/孔隙水壓力),需要輸入的主要參數為有效彈性模量和泊松比。該類參數此次勘查工作并未測定,因此主要以鄰近地區已探明的同類土體數值和經驗值綜合參考取值,水壓屬性和材料參數與前面兩種模塊中的數值相同(表3)。

表3 SIGMA/W模塊地層參數表

滲流分析中,結合建水縣歷史降雨特點,該地區歷史上有記錄的單日最大降雨量為144 mm/d,為分析滑坡在極端降雨條件下滲流場、變形和穩定性的變化過程,因此此次降雨邊界條件結合建水縣歷史最大單日降雨量,設定為150 mm/d,且日降雨量小于滑體土的飽和滲透系數。降雨持續時間設置為3 d,并設定每12 h為一個檢測節點,模型左右兩側參考地下水出露情況按位置水頭分別取33 m和48 m,模型底部設為不透水邊界;在SIGMA/W模塊分析中,邊界條件結合滑坡區實際情況,模型底部固定水平和垂直方向,模型右側固定水平方向。完成上述操作后,開始計算。

3.4 模擬結果分析

(1) 降雨過程中,滑坡最大位移分布變化如圖8所示。

在圖8中,滑坡發生的位移部分同樣集中在表層粉質粘土中,并與前文產生剪應變區域完全吻合。其中人工便道堆積體處產生的位移量最大,在降雨后12 h時,此處最大位移為1.149 m,24 h后增加到1.169 m,48 h后為1.191 m,而72 h后則達到了1.202 m。根據前文對孔隙水壓力的分析,人工便道堆積體在降雨過程中基質吸力大幅下降,且由于堆積體坡度較大,臨空條件相較表層其他區域更好,因此在此處產生了最大的滑動位移,除人工便道堆積體產生了最大位移外,滑坡表層在降雨72 h后整體位移也超過了0.4 m,此時滑坡已產生了較大滑動,處于不穩定狀態。根據圖9和圖10可知,監測點處位移同樣在12 h后迅速增大,分別達到0.72 m和1.12 m,之后位移增速迅速減小,并逐漸趨于穩定。

圖8 降雨過程中滑坡位移分布變化云圖

圖9 監測點A處最大位移變化情況

圖10 監測點B處最大位移變化情況

圖11 降雨過程中滑坡穩定性系數變化云圖

圖12 降雨過程中滑坡穩定性系數變化趨勢圖

(2) 降雨過程中,滑坡穩定性變化如圖11。

通過對圖11與圖12分析可知,滑坡穩定性在強降雨發生后的12 h迅速由降雨前的1.054下降至0.959,此時滑坡已處于不穩定狀態。隨后穩定性系數隨著降雨時間的增加變化很小,在24 h后下降至0.943,而在72 h后下降至0.937,逐漸趨于穩定。

4 結論

本文以百昆成品油管道建水站MJ053滑坡為分析對象,在進行滑坡野外調查和室內外試驗工作的基礎上下,結合非飽和土的滲流理論,應用數值模擬方法對降雨作用下的淺表土質滑坡形成機理和穩定性進行研究。主要結論如下:

(1) 強降雨對滑坡的穩定性影響非常明顯。在強降雨條件下,滑坡各項參數在12 h后便已迅速產生較大變化,滑坡由降雨前的基本穩定狀態轉化為不穩定狀態。根據模擬結果可以推斷,雨水通過入滲作用,降低了滑坡表層土體的基質吸力,破壞了滑坡內部的土體結構并降低了土體的抗剪強度,導致滑體位移開始增加,內部變形逐漸變大,進而導致滑坡失穩。

(2) 滑坡在日降雨量為150 mm的強降雨作用下,表層土體基質吸力基本喪失、孔隙水壓力增大并趨于飽和?；略诓煌瑫r刻的最大位移量均發生在人工便道堆積體和滑坡前緣處,分別為0.344和1.202 m,同時滑坡的穩定性系數也由降雨前的1.054下降至0.937,滑坡必須進行治理。