陜京輸氣管道工程黃土高原邊坡穩(wěn)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(qū)，陜京輸氣管道工程多沿黃土梁峁、崾峴、溝岸邊緣敷設(shè)，其邊坡穩(wěn)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(jīng)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(wěn)定性進行評價等都沒有準(zhǔn)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(wěn)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(wěn)定性評價和邊坡加固設(shè)計提供參考。

1 計算方法

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

2 計算斷面

據(jù)調(diào)查，陜京輸氣管道工程所經(jīng)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(jié)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(yōu)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(zhì)量比)和3 ∶7 灰土(體積比)，計算斷面見圖2。

3 計算參數(shù)

邊坡穩(wěn)定性與土壤物理性質(zhì)密切相關(guān)，因此在計算中原狀黃土的物理力學(xué)指標(biāo)參考《土的工程性質(zhì)》、《黃土的工程性質(zhì)》，根據(jù)陜北榆林地區(qū)大量黃土物理力學(xué)指標(biāo)試驗結(jié)果的平均值進行設(shè)定;各類人工填土(素填土、1 ∶9 水泥土、3 ∶7 灰土)的物理力學(xué)指標(biāo)根據(jù)其在最優(yōu)含水狀態(tài)下壓實系數(shù)為0．95時的試驗結(jié)果確定。

4 計算結(jié)果分析

4．1 邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

根據(jù)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(shù)計算結(jié)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(shù)

表2 人工填土邊坡各種工況危險滑弧及安全系數(shù)

4．2 結(jié)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(wěn)定安全系數(shù)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(wěn)定安全系數(shù)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(wěn)定安全系數(shù)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(dāng)坡度小于1 ∶0．5時，無論干燥和濕潤情況下穩(wěn)定安全系數(shù)都大于等于1．0，即在此高度和坡比范圍內(nèi)的邊坡是穩(wěn)定的，說明黃土高原地區(qū)許多天然黃土邊坡是穩(wěn)定的;在飽和狀態(tài)下，不同坡高、坡比邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)介于0．55～1．56 之間，取穩(wěn)定安全系數(shù)接近1.10 時對應(yīng)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(tài)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(wěn)定安全系數(shù)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(wěn)定安全系數(shù)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(wěn)定安全系數(shù)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(dāng)坡度小于1 ∶0．5 時，在最優(yōu)含水率情況下穩(wěn)定安全系數(shù)均≥1．0，即在此高度和坡比范圍內(nèi)的人工填土邊坡是穩(wěn)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(wěn)定安全系數(shù)為1．73，可以滿足邊坡穩(wěn)定要求，因此建議在邊坡加固處理中適當(dāng)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(jié)省工程投資和減少對環(huán)境的污染。需要說明的是，計算中采用的素填土物理力學(xué)指標(biāo)是根據(jù)填土在最優(yōu)含水情況下、壓實度95%時的試驗結(jié)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(yīng)用［J］．天然氣與石油，2005，23(4):61－64．

［2］吳克信，劉陽．黃土地區(qū)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(wèi)民，張文偉．黃土地區(qū)長輸管道地質(zhì)災(zāi)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．