【精選】基于極限平衡法的邊坡管道安全度研究

【精選】基于極限平衡法的邊坡管道平安度研究〔〕:

1概述

邊坡是人類工程活動中最為常見的一種自然地質(zhì)環(huán)境，在公路、鐵路、水利、市政、土建、礦山等工程中占有極其重要的地位。凡具有一定坡度的坡面均可構(gòu)成邊坡。邊坡形成以后按其自然屬性可以劃分為土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡，通常高度在30m以下的巖質(zhì)邊坡與15m以下的土質(zhì)邊坡可視為建筑邊坡，超過這個高度，那么認定為高危邊坡，需進展特殊設(shè)計。特別是在地質(zhì)條件復(fù)雜、人工邊坡和自然邊坡環(huán)境較為惡劣，降雨較多且集中的華南丘陵地區(qū)，各類工程建立遇到的邊坡問題尤為突出。影響邊坡穩(wěn)定的因素很多，主要包括組成邊坡的巖土類型及性質(zhì)、邊坡地質(zhì)構(gòu)造、邊坡形態(tài)、振動作用、氣候條件、風化作用坡體植被和人類工程活動等。無論多么復(fù)雜的影響因素，最終形成滑坡事故都可歸結(jié)為滑動體沿滑動面滑動形成坡體失穩(wěn)。按失穩(wěn)后可能造成的破壞后果〔危及人的生命、造成經(jīng)濟損失、產(chǎn)生社會不良影響〕的嚴重性、邊坡類型和坡高等因素，可將邊坡工程平安等級劃分為三級。事實上，一個邊坡工程的各段，可根據(jù)實際情況采用不同的平安等級，而對于危害性嚴重、環(huán)境和地質(zhì)條件復(fù)雜的特殊邊坡工程，其平安等級可根據(jù)實際情況適當進步。邊坡平安等級分類方法相對靈敏、直觀，是根據(jù)邊坡可能產(chǎn)生的危害大小定性分類的方法，對于詳細管道與邊坡互相關(guān)系，以及邊坡內(nèi)部各種力學(xué)性能，并未給出量化關(guān)系，在實際工程治理中，其反映的定性關(guān)系對管道邊坡評價與指導(dǎo)意義不大［1-3］。

我公司高壓燃氣管道有約98km地處山區(qū)，近年來深圳市在龍華、坪山等高壓、次高壓管道密集地區(qū)興建了眾多公用設(shè)施，形成共約398個邊坡，給管道管理工作帶來重大挑戰(zhàn)。為深化汲取"光明12-20重大滑坡事件";的教訓(xùn)，對為數(shù)眾多的燃氣管道邊坡開展治理迫在眉睫，但是目前就管道邊坡治理順序問題沒有既有方案供參考。本文根據(jù)邊坡詳細參數(shù)展開理論計算，計算出邊坡滑動體被擾動瞬間形成的最大剪力標準值，定義邊坡管道平安度為該最大剪力與管道能承受的最大剪力標準值的比值P，通過邊坡管道平安度判斷邊坡管道是否平安，從而為政府部門和相關(guān)企事業(yè)單位對邊坡管道開展有序的治理工作提供參考。

2邊坡管道平安度計算流程

為有效評價邊坡管道平安問題，提出邊坡管道平安度理論。該理論以敷設(shè)燃氣管道的邊坡為研究對象，以邊坡失穩(wěn)瞬間形成的最大剪力標準值為切入點，通過比擬最大剪力標準值與管道能承受的最大剪力標準值來定量分析邊坡管道平安性，形成邊坡管道平安度分析流程，見圖1。

滑坡發(fā)生時，滑動體與不動體之間形成的界面稱為滑動面，坡體發(fā)生滑動通常以軟弱構(gòu)造面為滑動面［4-5］，所謂軟弱構(gòu)造面是指力學(xué)強度明顯低于圍巖，具備一定厚度的泥化、軟化或破碎的巖層。假設(shè)管道所在邊坡存在明顯軟弱構(gòu)造面，可根據(jù)現(xiàn)場情況，確定上敷巖土層土方量最大的軟弱構(gòu)造面為滑動面，以此計算出的極限剪力為坡體受擾動可能形成的最大剪力，來確保管道平安度計算值更可靠［6］。假設(shè)坡體沒有明顯軟弱構(gòu)造面，那么通過極限平衡法展開理論計算，確定滑動面位置，位置確定以后結(jié)合管道與構(gòu)造面位置計算最大上限土壓力標準值；假設(shè)邊坡為外表發(fā)生崩塌，那么結(jié)合摩爾-庫侖準那么計算坡體自上而下發(fā)生崩塌破壞時可能出現(xiàn)的上限剪力標準值，通過巖土破壞時的剪力與管道能承受的最大剪力之間的關(guān)系計算邊坡管道平安度。

摩爾-庫侖準那么是巖土體發(fā)生破壞時的應(yīng)力組合關(guān)系，是巖土力學(xué)領(lǐng)域被廣泛承受和運用的根本理論［7-8］。根據(jù)該理論，邊坡的強度參數(shù)主要由2個參數(shù)決定：粘聚力c和內(nèi)摩擦角phi;。任意一點在某一平面上的剪應(yīng)力到達巖土體的抗剪強度，即可使巖土體屈服。巖土體發(fā)生破壞時的極限應(yīng)力計算公式見式〔1〕。

坡體發(fā)生擾動從本質(zhì)上可認為是坡體自身原有的平衡被打破，坡體受力增加或構(gòu)造面粘結(jié)性能減弱。根據(jù)摩爾-庫侖準那么我們知道，摩爾包容線位于抗剪強度圓外邊，可知邊坡發(fā)生擾動時的實際破壞力小于極限平衡的上限力，而極限平衡的上限力可以通過理論計算來進展評估，通過擾動上限力與管道抗剪性能的關(guān)系可以定量評價管道平安程度。坡體擾動上限力可視為滑動面以上整個坡體施于管道的最大力，因此需要根據(jù)文獻［8］提出的研究方法，根據(jù)既有邊坡展開構(gòu)造面位置的研究，根據(jù)構(gòu)造面與燃氣管道的空間位置關(guān)系來計算加載于管道上的最大剪力。

3管道邊坡平安度研究

管道通常沿平行或斜交于邊坡走向的方向敷設(shè)，沿坡體外表起伏敷設(shè)的情況相對少見，下面就管道沿坡體走向的方式展開受力研究，計算邊坡管道平安度。

3.1坡體敷設(shè)管道極限受力情況

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，進而發(fā)生坡體滑動等破壞，就山地高壓燃氣管道而言，這種外在應(yīng)力一般與重力的迅速增加、構(gòu)造面強度迅速減弱有關(guān)［7］。邊坡形成后，受外在擾動的時機和應(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。在有明顯軟弱面存在的邊坡體，坡體沿覆土層最厚的軟弱面滑動時對管道沖擊最大，管道本體受到的極限剪力為主動土合力值，計算方法根據(jù)GB503302022?建筑邊坡工程技術(shù)標準?，見式〔2〕和〔3〕。假設(shè)邊坡巖質(zhì)土質(zhì)均勻，無明顯軟弱面存在，且管道坡體巖質(zhì)與土質(zhì)相對均勻，那么可以反推構(gòu)造面，構(gòu)造面位置確定后再根據(jù)式〔2〕和〔3〕計算；假設(shè)坡體外表已經(jīng)發(fā)生崩塌，那么按照摩爾-庫侖準那么極限受力展開計算，見式〔4〕，計算出剪力后再根據(jù)管道長度，計算土壓力標準值，見式〔5〕。

3.2邊坡管道平安度計算

平安度是平安系統(tǒng)工程學(xué)的一個概念，是將事故風險值量化的一個指標。對于邊坡管道而言，其平安度是評價邊坡發(fā)惹事故時，管道受到潛在影響〔風險〕的一個量化值，是定量研究邊坡管道平安問題的參數(shù)。

定義邊坡管道平安度是滑坡發(fā)生瞬間管道受到的最大剪力與管道能承受的最大剪力標準值的比值，見式〔6〕。

式〔6〕中的sigma;pipe根據(jù)空心圓截面慣性矩、受內(nèi)壓作用的圓柱殼軸向應(yīng)力公式和簡支梁屈服理論，設(shè)定材料屈服強度為屈服上限，由計算機編程計算［9］。

當P＞1時，一旦滑坡事故發(fā)生，那么造成的損失相當宏大。這類邊坡在勘探過程中要反復(fù)論證，取多處測試點進展驗證，同時運用FLAC3D等相關(guān)專業(yè)軟件，屢次模擬確認。通常這類邊坡屬于高危復(fù)雜邊坡，在管道的路由選擇上要盡量避開，假設(shè)無法避開，那么在設(shè)計、施工初期，優(yōu)先考慮對這類邊坡進展治理。

當P=1時，視為滑坡發(fā)生的臨界狀態(tài)，此時假設(shè)邊坡外在擾動消失，那么滑坡可以制止，管道充當了加固邊坡的錨鎖。

當P＜1時，發(fā)生滑坡時坡體對管道造成的擾動相對管道強度來說可以承受，不會從根本上對管道造成破壞。

4邊坡平安分析實例

目前深圳市城市燃氣輸配系統(tǒng)高壓管道路由經(jīng)過山地邊坡較多，近年來受道路交通、電力電纜、軌道交通等市政建立影響形成的人工邊坡相對較多，相關(guān)單位已經(jīng)展開治理，運用邊坡管道平安度理論展開研究，給大數(shù)量、多類型管道邊坡分期治理提供根據(jù)。

4.1坂瀾大道雙閥室東邊坡

坂瀾大道雙閥室東邊坡，現(xiàn)狀松散土質(zhì)主要來自坂瀾大道施工，是典型人工邊坡。邊坡構(gòu)造面明顯，水土流失嚴重。現(xiàn)場探測顯示，管道位于基巖以上，表土層內(nèi)，基巖巖質(zhì)較硬，節(jié)理發(fā)育不明顯，基巖與松散土層交界部位構(gòu)成明顯構(gòu)造面，根據(jù)現(xiàn)場測量，繪制該邊坡斷面圖，見圖2。

管道位于構(gòu)造面以上，采用式〔2〕、〔3〕計算最大土壓力。其中，k取上限最大可能值2，取19.6x103N/m3，Ka取1；邊坡高度h測量為15m，計算得出sigma;=4.41x106N/m。管道公稱直徑500mm，為L360鋼管，運行壓力1.5MPa，管段在坡體處的長度為14m，使用計算機編程計算得出管道所能承受的土壓力標準值sigma;pipe=5.9x103N/m。根據(jù)式〔6〕，P＞1。計算結(jié)果說明該邊坡管道平安度大于1，屬于高危邊坡管道。

4.2坂瀾大道Z145號樁邊坡

坂瀾大道Z145號樁邊坡為巖質(zhì)邊坡，上部覆蓋表土層厚度為2~3m，邊坡已經(jīng)出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象，水土流失現(xiàn)象相對嚴重，受道路建立影響，形成的坡度較大，邊坡平均傾斜角在75°以上。但是，該邊坡巖質(zhì)較好，節(jié)理發(fā)育不明顯，整體連續(xù)性強，相對穩(wěn)定。

現(xiàn)場調(diào)查測量發(fā)現(xiàn)，管道于邊坡表土層敷設(shè)，埋設(shè)深度約2m左右，滑坡部位位于Z145樁部位附近，滑坡呈漏斗形，上寬下窄，崩塌頂部寬約3m左右。覆蓋層沉積較好，除崩塌部位無明顯軟弱面存在，可認為是均勻土體，土體覆蓋厚度為2~3m。

該邊坡的特征圖見圖3，土壤膠結(jié)性好，上部無明顯外力施加，且排水良好，在單純降雨條件下重力增加不明顯，無明顯構(gòu)造面，缺乏以使邊坡整體造成損害。根據(jù)摩爾-庫侖準那么，假設(shè)邊坡發(fā)生滑動，采用式〔4〕、〔5〕計算最大土壓力。崩塌部位以下巖土體致密，管道覆土層為粉砂土均勻沉積，取rho;=2.0x103kg/m3。巖土體根據(jù)GB503302022認定為IV類邊坡，結(jié)合構(gòu)造面崩塌情況，外傾構(gòu)造面傾角認定為35°，土壤粘結(jié)力c取8kPa［10］，內(nèi)摩擦角參照構(gòu)造面傾角取35°，崩塌部位長度3m。計算得出sigma;=106.32x103N/m。使用計算機編程計算得出管道所能承受的土壓力標準值sigma;pipe=130x103N/m。

根據(jù)式〔6〕，P<1，崩塌對管道產(chǎn)生的土壓力小于管道最大承壓才能，因此該邊坡可定性為管道處于構(gòu)造面以下的情況，表土層沖刷對管道本體無明顯影響，即使不治理該邊坡，對管道本體造成傷害的可能性也不大。

5結(jié)論

①基于巖土力學(xué)極限平衡法，反推邊坡構(gòu)造面計算公式，比擬邊坡構(gòu)造面與管道空間關(guān)系，確定不同類型邊坡，用不同的方法計算邊坡，可能施加給管道的最大剪力。

②定義邊坡管道平安度P并給出計算公式，分析P值在不同范圍內(nèi)管道與邊坡的平安關(guān)系。P＜1是相對平安邊坡，對管道平安影響較小，反之，那么需盡快治理邊坡。

參考文獻：

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