堆载体诱发滑坡与油气管道相互作用的风险防控方法研究*

马显春 黄谱 乔坤 田波 魏楠 聂军 梁永龙

1中铁西南科学研究院有限公司

2中国石油西南油气田分公司川中油气矿

3青海油田监督监理公司

随着人类工程活动日益强烈，堆载体诱发滑坡对油气管道的危害日渐突出。拟建油气管道受滑坡威胁而绕避改线导致成本增加的案例增多，在建油气管道因滑坡灾害影响导致成本和工期大幅提升的事件时有发生[1-2]，滑坡危害将导致运营油气管道发生安全事故[3-4]，堆载体诱发滑坡严重威胁油气管道的建设、生产及运营安全。

目前针对滑坡与油气管道的单方面研究成果较多。在国外，一些学者相继研究了土压力对不同管径油气管道的影响或管道的力学机制[5-9]。在国内，林冬等[10-11]研究了油气管道滑坡的分类，并通过模型试验研究了横向滑坡作用下管道的破坏方式。张东臣等[12]、郝建斌等[13]、邓道明等[14]、谢强等[15]研究了滑坡作用下管道的受力状态与变形特征。但对滑坡与管道相互作用方面的研究较少，且对管道滑坡的研究仍侧重于自然滑坡，针对堆载体诱发的滑坡研究偏少。

堆载体诱发滑坡对油气管道造成的危害不可估量，其中油气管道横穿滑坡体最为严重。以川东地区10 余例油气管道区堆载体诱发滑坡的工程实例为基础，通过现场调研，分析总结堆载体特点及其诱发滑坡的发育阶段，进而通过理论分析及模型试验研究油气管道与滑坡横交模式下的相互作用机制，在此基础上提出油气管道区堆载体诱发滑坡的风险评价及综合防控方法，为滑坡区油气管道的防灾减灾提供理论依据。

1 堆载体分析

1.1 油气管道区堆载体特点

红层油气管道区堆载体多为新近人工堆积体，其物质组成复杂、强度较低，容易诱发滑坡，从而对油气管道造成危害。通过多处油气管道区堆载体诱发滑坡实例的现场调查分析，油气管道区堆载体一般具有以下特点：

（1）堆载体以挖方砂泥岩弃渣为主，局部含建筑垃圾，颗粒分选较差，粒径不一。

（2）堆载体结构松散，孔隙较大，利于地表水下渗，难以形成统一的地下水位，且缺乏地表水排导工程。

（3）堆载体大多直接堆积在原有斜坡地形之上，且堆积体高度较大、坡度较陡（坡度＞土体综合内摩擦角），前缘临空面大。

（4）堆载体方量通常＜10×104m4，且无支挡防护措施。

按原始斜坡坡度可将堆载体划分为缓倾斜坡堆载体（原始地形坡度≤15°）和陡倾斜坡堆载体（原始地形坡度＞15°）两大类，进而又可根据堆载方式分为单一坡率堆载体及台阶收坡堆载体。油气管道区堆载体特点及其分类见表1。

表1 油气管道区堆载体特点及其分类Tab.1 Characteristics and classification of surcharge load in pipeline areas

1.2 油气管道区堆载体物理力学性质

通过现场调查，在原始地面以上1 m 范围内选取10 组代表性土样进行堆载体（堆载时间1 年以上）的室内物理力学性质试验。根据试验结果，堆载体主要由粒径0.05～0.005 mm 粉粒和0.25～0.075 m 砂粒组成，其次为粒径＜0.005mm 黏粒；堆载体渗透系数值介于0.000 9～0.001 m/d 之间，属于极微透水～微透水；堆载体蒙脱石含量在12.19%～22.95%（质量分数），伊利石含量在9.38%～11.85%；堆载体含水率约为 13%～28.3%，密 度1.88～2.08 g/cm3，天然快剪的黏聚力为20～35 kPa，内摩擦角为11.8～19°；固结不排水剪（有效应力）的黏聚力为17～35 kPa、内摩擦角为13～18.5°。

2 堆载体诱发滑坡的发育阶段

油气管道区堆载体多为新近人工堆积体。堆载诱发的典型滑坡孕育过程一般包括：沉降压密、蠕变挤压、滑动破坏、逐渐稳定四个阶段。

（1）沉降压密。在自重以及降雨冲刷、入渗等作用下，堆载体不断压密固结，使原本较为松散的堆载体更为密实。

此阶段坡体以竖向沉降变形为主，堆载体表面发育有裂缝，但裂缝无明显规律性，贯通性和延展性差，堆载体整体上仍能保持稳定。

（2）蠕变挤压。随着时间的推移，堆载体表层的碎块石等粗粒物质在风化作用下逐渐解体成细粒物质，并随地表水的下渗逐渐向下运移、堆积，使大颗粒之间孔隙通道填充物粒径从下至上由细变粗，并在原始地面附近形成软弱界面。由于泥质黏粒含量较大且透水性差，软弱界面附近称为地下水汇集与径流通道，随着地表水的不断下渗，堆载体内动静水压力增大，界面附近的土体抗剪强度参数逐渐降低，堆载体在自重作用下的抗滑力逐渐减小，下滑力逐渐增大，坡体表现出缓慢的蠕滑变形。

蠕变挤压阶段的变形特征为：在堆载体中后部由于某种原因首先出现不可逆的塑性变形，导致后缘逐渐拉裂；由于后部坡体的挤压作用，导致堆载体的主滑段和抗滑段逐渐贯通，滑坡周界逐渐贯通，前缘剪出口逐渐出现，并呈现鼓胀隆起、纵向挤压裂缝发育的特征。

（3）滑动破坏。当堆载体软弱界面附近土体的剪应力达到甚至超过抗剪强度时，剪应力将软弱界面附近的各锁固段（点）逐个剪断，滑面完全贯通，滑坡从前缘剪出口滑出而与母体脱离，此后滑体处于快速位移状态，滑坡发生。

此阶段堆载体上各种类型的裂缝都可能出现，但变化很快。后缘和侧缘裂缝两边出现滑坎，后壁上常有小崩塌发生，中部出现很多的拉张裂缝，前部出现扇形裂缝等。

（4）逐渐稳定。堆载体经过大量位移后重心降低，滑面强度提高，在自重作用下的抗滑力逐渐增大、下滑力逐渐减小，且抗滑力已经大于下滑力，堆积体逐渐停止滑动，达到新的平衡状态。

3 诱发滑坡与管道的相互作用机制

3.1 滑坡作用下油气管道受力分析

滑坡作用下油气管道的受力模型如图1所示[16]。

图1 滑坡作用下管道的受力模型Fig.1 Force model of pipeline under the effect of landslide

假设作用在管道上的滑坡推力q为均布荷载，不考虑管道内压及管道内外环境温差，管道弯曲的微分方程为

式中：y为管道的挠度，m；E为管道的弹性模量，Pa；I为管道的截面惯性矩，m4；y0为管道在x=0处的挠度，m；M0为管道在x=0截面的弯矩，N·m；N0为管道在x=0 截面的轴力，N；L为管道滑坡段宽度，m；d为管道的内径，m。

弯矩的计算公式为

则滑坡体纵向中部管道的挠度、弯矩分别为

计算中先求解N0，进而可依次求出M0、Mx=0.5L、yx=0.5L。

当管道范围一定时，即滑坡段宽度L已知，经计算可知，随着滑坡体纵向中部管道的挠度yx=0.5L不断增大，管道在x=0、x=0.5L、x=L截面的弯矩M0、Mx=0.5L、Mx=L也随之增大，滑坡破坏时管道两端的弯矩略大于中部的弯矩，但均达到最大值。

下面再用室内模型试验验证此结论的正确性。

3.2 滑坡与油气管道相互作用的物理模型试验分析

物理模型试验的几何相似比Cl=10、应变相似比Cε=1、密度相似比Cρ=1。原型滑坡γ=19.6 kN/m3，C=30 kPa，φ=19°；原型管道抗弯刚度EIp=4.15×1013N·mm2。

2.2.1 模型材料的选取

本次模型试验滑坡材质为石膏∶重晶石粉∶水=5∶20∶6，其γ=20.2 kN/m3，C=3.0 kPa，φ=19°，与目标值一致；管道采用D32×2.0 的空心圆形钢管，其抗弯刚度EIm=4.15×109N·mm2，与目标值一致。

2.2.2 模型的制作

室内试验模型箱长200 cm、宽120 cm、高120 cm，两侧及前部用透明有机玻璃板限位，后部用加压杆施加推力，边界条件与理论分析模型相似。模型试验示意图见图2。按照模型滑体、滑床配比试验结果填筑物理模型，自然状态下静置14 d。

图2 模型试验示意图Fig.2 Schematic diagram of model test

模型试验量测内容包括管道压力、管道应变和管道位移。管道压力量测元件为电阻式双膜土压力盒，管道应变量测元件为栅长5 mm、栅宽3 mm 的应变片，管道位移量测元件为量程30 mm、精度0.01 mm的位移计。量测元件埋设位置见图3。

图3 管道量测元件埋设位置示意图Fig.3 Schematic diagram of the buried position of the pipeline measuring element

模型试验加载模式采用后缘连续加载法，利用螺杆在滑体后部施加荷载，每0.2 t为一级，待荷载达到指定值后停止加载并恒定3 min，测读各测试元件读数后，施加下一级荷载。如此继续直到荷载变化不大、位移持续增加（此时滑坡已经形成）时试验结束，试验过程不得中间停滞。

2.2.3 试验结果与分析

管道压力、管道应变和管道位移分布曲线见图4～图6。

图4 管道压力分布曲线Fig.4 Pipeline pressure distribution curve

图5 管道换算弯矩分布曲线Fig.5 Pipeline conversion bending moment distribution curve

从图4～图6可以看出：

图6 管道水平位移与加载值的关系Fig.6 Relationship between horizontal displacement and loading value of pipeline

（1）随着加载等级的增加，管道所受的滑坡推力、管道弯矩及位移逐渐增大。在第一次至第三次加载时（荷载值≤0.6 t），管道所受的滑坡推力、管道弯矩及位移缓慢增加，说明滑坡处于沉降压密阶段；在第四至第五次加载时（荷载值大于0.6 t，小于等于1.0 t），管道所受的滑坡推力、管道弯矩及位移均突然增大并快速增加，说明滑坡变形已进入蠕变挤压阶段；从第六次加载开始（荷载值＞1.0 t），管道所受的滑坡推力、管道弯矩及位移均快速增加，说明滑坡变形已进入滑动破坏阶段。

（2）管道在滑坡推力作用下，变形为弯曲变形。管道弯矩呈现出两端附近为负弯矩、中部为正弯矩的分布特点，符合两端固定简支梁承受均布荷载的弯矩形态；且管道的弯矩在中部和两端都达到了峰值，与理论分析结果相同。

（3）管道变形与滑坡发育阶段具有对应关系，在沉降压密阶段，管道为弹性变形；从蠕变挤压阶段开始管道已进入塑性变形阶段。

4 堆载体诱发滑坡的风险评价

4.1 风险评价方法

管道区堆载体诱发的滑坡风险包括滑坡发生的可能性（稳定性）以及管道破坏后产生的损失（危害性）两方面。

根据现场调查结果并结合本次具体研究对象，选取12 个控制因素作为管道区堆载体诱发的滑坡风险评价因子，其分级标准见表2。

表2 滑坡风险评价因子及分级标准Tab.2 Landslide risk assessment factors and grading standards

管道破坏后产生的损失（危害性）分别从“管道易损性”和“管道失效后果”两个方面指标进行评价（表3）。

表3 管道滑坡危害性评价分级指标Tab.3 Grading index of hazard assessment of pipeline landslide

滑坡风险度评价的多因素综合动态评价模型如下：

式中：DL为风险度指数；A1为滑坡自身稳定性；A21为管道易损性；A22为管道失效后果。

将各评价指标的赋值及权重代入评价模型，根据计算结果将管道失效后果划分为5 个风险等级（表4）。

表4 管道失效后果评价风险等级Tab.4 Risk grade of pipeline failure consequence assessment

4.2 实例分析

以物理模型试验的原型管道滑坡为例进行风险评价。管道规格D457×5.6/11.9 mm，设计压力1.6 MPa，输气量250×104m3/d。滑体为人工堆积块石土及粉质黏土（含建筑垃圾），堆积于管道之上，坡向与管道近似垂直。滑坡前缘高程347 m，后缘高程378 m，纵长约90 m，宽约100 m，滑体厚5.80～10.00 m，面积6 860 m2，体积约4.1×104m3，属小型滑坡，主滑方向175°。滑坡位于一冲沟上游地段，该处坡体地形相对较陡，坡体内侧为当地交通部门2015 年施工的新建公路，公路开挖后的堆填土置于坡体上，改变了坡体原有应力环境，使原坡体底部软弱面发生变化。2018 年8 月18～19 日连续强降雨后，由于地面排水不畅，导致降雨不断入渗坡体使其软化，从而导致坡体产生位移。滑坡导致位于坡体前缘的天然气管道受到挤压变形并悬空。目前滑坡区右后侧地表仍有裂缝，管道已经改线至滑坡后缘公路内侧耕地中通过。

风险评价因子赋值见表5。将表5 赋值代入式（5），经计算DL=2.685，评价为风险中等，符合滑坡发生前的实际情况。

表5 风险评价因子赋值Tab.5 Risk assessment factor assignment

5 堆载体诱发滑坡的风险防控

5.1 堆载体及滑坡的早期识别

根据滑坡与管道相互作用的物理模型试验结果，管道变形与滑坡发育阶段具有较好的对应关系。根据滑坡的发育阶段，可将堆载体滑坡的早期识别可划分为三个阶段（图7）。

图7 土质滑坡失稳识别图谱Fig.7 Instability identification map of soil landslide

（1）早期识别阶段（沉降压密）。识别指标：地形坡度15°～40°；上部为松散土体，下部为外缓倾不利结构面（基覆界面、软弱夹层等）；坡体拉张裂缝断续分布；坡体剪切裂缝断续分布；坡脚偶见渗水现象。

（2）前兆判别阶段（蠕变挤压）。识别指标：后缘出现弧形拉张裂缝且有变宽、贯通趋势，并形成错台；两侧出现剪切裂缝且有变长、贯通趋势，并形成错台；前缘隆胀或有小规模滑塌；坡脚常见渗水现象。

（3）成灾判别阶段（滑动破坏）。识别指标：后缘弧形拉张裂缝贯通并形成明显错台位移；两侧剪切裂缝贯通并形成明显错台位移；前缘滑出堆积在缓坡地带；坡脚渗水严重。

根据不同遥感方法和分辨率条件下坡体变形特征的可解释程度，从早期变形裂缝、滑坡的形态特征和滑坡微地貌三个方面建立堆载体及滑坡的早期识别标记（表6）。

表6 坡体辨识特征标志统计Tab.6 Statistics of characteristic signs for slope identification

5.2 滑坡监测技术

管道区堆载体诱发滑坡的风险等级分为5 类：风险低、风险较低、风险中等、风险较高和风险极高。根据不同的风险类别，分别对应常规巡查、简易监测、一般监测、选择性监测和全面监测5 个监测等级，每个监测等级采用不同的监测手段（表7）。

表7 堆载体诱发滑坡不同风险类别的监测手段Tab.7 Monitoring methods for different risk categories of landslides induced by surcharge loads

5.3 滑坡防治技术

根据早期识别及监测结果显示，变形较大且持续增加的滑坡应适时采取相应的防治技术。

管道周边或沿线地质灾害的防治，由于地质环境较差、地质构造复杂、人工活动的影响等，要完全治理需要大量的资金和较长的时间。因此，在选择防治措施时，需详细调查地形、地质和水文条件，认真研究、确定地质灾害的规模及其发育程度，分析灾害形成的主要、次要因素及彼此的联系，并结合工程的重要程度、施工条件及其他各种情况综合考虑。

5.3.1 避让为主、穿越为辅

（1）规划选线期间的避让，即在管道建设初期就开展专门的地质灾害勘查，查清管道经过的区域人工堆积体分布位置、规模及稳定性，尤其是对那些规模较大、稳定性差、治理难度大的人工堆积体应尽量采取避让的方法，使管道一劳永逸，永保安全。

（2）管道建成后的改线避让，一般是针对管道穿越的地区由于后期人工堆载诱发的管道滑坡。对于这一类的灾害体应进行详细的评价论证和经济的比较核算，如果治理需要较大的投资或经过大量的治理后仍无法彻底根治，可采取改变管道的走向或建设备用管道等方法对管道地质灾害进行避让。

（3）管道穿越方式应首选纵向穿越，且优先选用截面抗弯模量大的管道。

5.3.2 主动防治

管道地质灾害最为关键的问题是及早发现和尽快治理，很多灾害在发生前或在一定的区域均有前兆，如果在灾害尚未发生或处于萌芽阶段时就进行及时治理，很多管道地质灾害是可以避免的。在管道选线阶段、建设期间或建成后，采取主动防治的方法，提前对管道沿线的地质灾害进行必要的治理，消除或减小灾害发生的可能性；同时，在治理时要有前瞻性，采取综合的工程治理措施，最大限度降低地质灾害对管道造成的威胁。

主动防治措施主要包括：开挖换填、地表截排水工程、地下截排水工程、卸载和反压工程、抗滑工程、格构锚固工程等。

5.3.3 被动防护

被动防护是对管道及其附属设施采取防护，消除或减轻地质灾害发生后对管道的影响。对一些难以治理或彻底根除的地质灾害，可以采取适当的工程措施对管道及其附属设施进行被动防护，如设置套管、改变管道埋深、开挖管道释放应力等；同时在进行治理方案比选时，要充分考虑工程方案的技术可行性和经济合理性。

（1）设置套管。在管道外侧设置套管，管道与套管之间用EPS（Expanded Polystyrene 聚苯乙烯泡沫）塑料填塞[17]。EPS 是一种轻型高分子聚合物，它是采用聚苯乙烯树脂加入发泡剂，再加热进行软化，产生气体，形成一种硬质闭孔结构的泡沫塑料。EPS 为柔性材料，可提高滑坡区管道抵抗滑坡位移的变形能力，缓解管道应力，从而有效保障输油气管道的安全性。

（2）改变管道埋深。将管道埋设于滑面以下，以此消除滑坡对管道的影响，从而有效保障输油气管道的安全性。

（3）开挖管道释放应力。在滑坡处于蠕变挤压阶段时，管道开始发生塑性变形，在此前通过开挖管沟释放管道应力，使管道恢复安全受力状态。

6 结论

（1）堆载体按原始斜坡坡度和堆载方式可为4类：缓倾（坡角≤15°）单一坡率堆载体、缓倾台阶收坡堆载体、陡倾（坡角＞15°）单一坡率堆载体、陡倾台阶收坡堆载体；堆载体诱发的典型滑坡发育过程可为4 个阶段：沉降压密、蠕变挤压、滑动破坏、逐渐稳定，并相应提出了其早期识别方法。

（2）管道在滑坡推力作用下，两端附近为负弯矩、中部为正弯矩，且在中部和两端都达到峰值；管道变形与滑坡发育阶段具有对应关系，在沉降压密阶段管道为弹性变形，从蠕变挤压阶段开始管道进入塑性变形。

（3）根据风险度指数DL大小将管道区堆载体诱发滑坡的风险等级分为5 类：DL＜1.8 风险低、1.8≤DL＜2.5 风险较低、2.5≤DL＜3.1 风险中等、3.1≤DL＜3.6 风险较高、DL≥3.6 风险极高，并分别对应常规巡查、简易监测、一般监测、选择性监测和全面监测5 个监测等级，继而提出了避让为主、穿越为辅、主动防治及被动防治相结合的综合风险防控方法。

（4）堆载体诱发滑坡与管道相互作用机制是一个很复杂的问题。本文的研究其结果尚未考虑管道本身的特性、管道暴露于滑坡体的长度、管道和滑坡体之间的约束程度、滑坡发生范围、滑坡土体特性等因素，其作用机制还有待进一步深入研究。

（5）提出的堆载体诱发滑坡的风险防控措施，是对既有工程实例的经验总结，其合理有效性尚需大量工程实例验证，并持续改进完善。