油气管道铺设对边坡稳定性的影响

（1．北方民族大学土木工程学院，宁夏 银川750021；2．兰州工业学院土木工程学院，甘肃 兰州730050）

摘 要：首先分析了管道在边坡体中的铺设方式，基本分为两类：横向铺设和纵向铺设；然后采用岩土工程有限元软件PLAXIS分析了管道在坡体中不同位置时坡体安全系数的变化规律。结果表明：横向铺设条件下，管道铺设位置由坡脚向坡体内改变时，其边坡的安全系数先减小后增大，增大后的安全系数略等于自然坡体的安全系数；管道在坡体内向坡顶改变时，其安全系数先减小后增大，但在坡顶位置时安全系数又减小；纵向铺设条件下，管道与坡面夹角为0°时边坡安全系数最大；夹角为15°、30°、45°时，边坡安全系数均比自然坡体小，同时其值变化不大；管道的铺设对坡体失稳时剪切带的形成和位置影响较小，只有当管道位于剪切带区域内时，管道对周围土体的剪应变有明显的改变。

关键词：管线；边坡稳定性；铺设方式；安全系数；剪切带

目前我国各类输油气管道的总里程累计已突破12万km，“西气东输”第一、二、三线管道已全部投入使用［1］。但中国是一个地形、地貌复杂，东西向海拔落差较大，地质灾害频发的国家，尤其在西北（如青海、甘肃、宁夏等）黄土地区的崇山峻岭中，滑坡、泥石流、水毁及湿陷等地质灾害对含管边坡的稳定性形成严峻挑战［2］。考虑到湿陷性黄土地区在输油管道覆盖区域中所占比例较大，认真研究油气管线的铺设方式以及在既有边坡中管线的铺设位置对边坡稳定性的影响，对保证油气管线的正常运营具有重大的意义，同时对类似工程的设计与研究具有一定的借鉴价值。

目前针对油气管道与边坡相互作用的研究主要有三大类：

一是油气管线的铺设、施工对既有边坡稳定性的影响。肖明等［3］根据开裂衬砌内水外渗的规律，提出了高压管道内水外渗与混凝土衬砌裂缝宽度相互影响的有限元迭代计算分析方法。根据渗流荷载对边坡的破坏作用，提出了对边坡稳定判断的思路。孙书伟等［4］以黄土高原地区某实际含管道边坡工程，应用数值模拟方法，对黄土地区管道沿线填土边坡、滑坡病害的发生机理进行了研究。杜衍庆等［5］结合中缅油气管道某隧道洞口边坡的工程特征，系统研究浅埋油气管道隧道施工对潜在滑坡体稳定性的影响。

二是在既有边坡中铺设油气管线，边坡的坍塌、冲蚀等地质灾害对油气管线受力的影响。文献［6－9］通过理论分析及数值分析的手段对在既有边坡工程中管道施工过程及结束后，管道的受力变形以及对边坡稳定性影响进行了较为全面的分析。

三是研究在正常运营下管道与周围土体的相互作用。针对此方面国内研究较少，国外学者们针对此方面的研究是将管道看做薄壁梁单元或壳单元，然后通过建立相应的力学模型求解管道的受力［10－14］。

通过上述总结分析可知，目前关于管道对边坡稳定性影响分析中，均是已知确定了管道铺设位置及角度，分析管道以及外界环境（降雨、边坡坍塌等）的改变对边坡稳定性的影响。在边坡中管道铺设位置及角度的改变对边坡稳定性及变形的研究较少。基于此，本文拟通过改变管道在边坡中铺设的水平位置、竖向位置、倾角等参数以及管道在边坡中横向铺设和纵向铺设两种方式，结合强度折减法求解边坡的安全系数，通过分析得出管道位置与边坡稳定性系数的变化规律。

1 在边坡中常见的管道铺设方式

管道铺设与边坡滑坡体的位置关系如图1所示。由图1可以看出，基本分为两大类：一是管道铺设方向与滑坡体的滑动方向呈垂直关系；二是管道铺设方向与滑坡体的滑动方向呈平行关系，同时在每一类铺设方式中有2种位置关系，即位于滑坡体之内和滑坡体之外。不同的管道铺设方向和位置关系对边坡的稳定性影响甚大，以及当滑坡体滑动时对管道受力也不同。

图1 管道铺设与边坡滑坡体的位置关系

2 分析模型的建立

2．1 计算模型的选取

针对计算模型的选取需考虑几点要素：

一是必须具有代表性，由于在实际边坡工程中管道的铺设具有多样性，总体为纵向和横向铺设，纵向铺设时需要考虑管道与边坡坡面的夹角不同对稳定性的影响；管道横向铺设时需要考虑管道与滑动面位置关系对稳定性的影响。

二是边坡土体参数的影响。土体参数直接决定了边坡的稳定性，因此选取具有代表性的边坡模型以及土体参数具有重要的意义。基于以上两点考虑，本文计算模型选取Dawson E M等［15］研究边坡稳定性的经典计算模型，如图2所示。

2．2 模型的建立

均质土坡，坡高10 m，坡脚α＝45°，计算模型的具体尺寸详见图2，其边界约束条件为约束左右两侧的 x方向位移、约束前后两侧的 y方向位移和底部边界的z方向位移。管道与周围土体的相互作用采用PLAXIS－3D内置的 Rinter系数调整来实现［16］，为此本文采用PLAXIS－3D V2017岩土有限元软件对其进行分析。

图2 计算几何模型

表1 土体及管体材料参数

材料 材料模型重度γ／（kN·m－3）弹性模量E／MPa泊松比黏聚力c／kPa内摩擦角／（°）土体 摩尔 － 库仑 20．0 81．8 0．36 17．15 23．0管体 线弹性 78．0 2．0×105 0．28— —

图3 有限元分析模型（H1计算模型）

此有限元分析模型中共有11 565个土体单元，18 944个节点，最小尺寸单位为0．15 m，以满足分析精度的要求。

Dawson E M等人给出的计算模型参数黏聚力为12．38 kPa，内摩擦角为 20°，采用强度折减法（FLAC3D有限差分软件）和有限单元应力法（GeoStudio分析软件）计算的安全系数分别为 1．05 和 1．07［17］，即边坡处于安全的临界状态。在本文研究中，由于管道铺设会影响边坡的稳定性，基于此，在本文计算参数选取中，采用强度折减法并通过多次试算之后，将黏聚力提高至 17．15 kPa，内摩擦角提高至 23．0°，此时边坡的安全系数为1．35，此安全系数为一级边坡工程的设计要求。

3 计算结果分析

3．1 边坡安全系数

（1）管道横向铺设。基于目前对边坡稳定性的研究中，安全系数是衡量边坡是否稳定的重要指标。管道在边坡体中铺设具有很大的随机性，很难以确定具体的位置，为此本文在管道横向铺设分析过程中，以坡脚和坡顶的垂直连线，每间隔2 m为管道的铺设位置，对其每个位置研究边坡的稳定性。边坡安全系数随位置变化关系图见图4所示。

图4 横向铺设下边坡安全系数随位置变化关系图

由图4可知，边坡未铺设管道时的安全系数为1．359，其边坡滑移面如图中虚线所示。管道位置由坡脚向边坡体内改变时，安全系数先减小后增大，即安全系数由 1．347减小至 1．337，然后又增大至1．357；在坡顶端的垂直方向上，其安全系数逐渐增大，只有在坡顶端时安全系数减小，即安全系数由1．354 增大至 1．372 后，又减小至 1．348。分析原因：在管道由坡脚向坡体内改变时，主要是扰动了坡脚土体的稳定性，故安全系数最小，但随着管道逐渐的改变，由于坡体的滑移面是圆弧形的，离开了滑动面的影响区，故安全系数逐渐增大；当管道竖向改变时，先是逼近滑移面的影响区，即H6位置处安全系数由1．357变化至H7位置处1．354，然后管道位置处于滑动区，对安全系数影响甚少，但管道铺设后，由于管道内一般为原油或水等液体的密度比土体的密度小，因此减小了滑动区土体的滑动力，故安全系数有所增加，但是在坡顶端处，由于管道铺设影响了局部土体的稳定性，安全系数有所减小。

（2）管道纵向铺设。图5为纵向铺设下边坡安全系数随管道与坡面夹角的变化曲线图。在本次分析中，管道与坡面夹角由0°变化至45°，由图5可知，当管道与坡面夹角为0°时，边坡安全系数最大，其值为 1．394；其次当管道与坡面夹角分别为 15°、30°和45°时，其安全系数分别为 1．336、1．331 和 1．327。可以看出，在 15°～45°之间，其安全系数变化很小，边坡没有铺设管道状态下其安全系数为1．359，夹角为15°状态下的安全系数为1．336基本接近，随之减小。分析其原因当夹角为0°时，管道平行于坡面，坡体产生水平位移时，管道起支挡作用，此状态下管道受力最不利，但是针对边坡而言，此状态下边坡为最安全。

图5 纵向铺设下边坡安全系数随管道与坡面夹角的变化曲线图

3．2 坡面位移

（1）管道横向铺设。图6为横向铺设下边坡坡面水平位移图。由图6可知，管道在边坡体中的位置对坡面水平位移的变化影响较小。边坡坡面水平位移值随着坡面高度的增加逐渐增大，在坡面高度的1／3处达到最大值；随后逐渐减小，在坡顶位置处为最小值。但从最大水平位移的数值上来分析可知，H7、H8和 H9的最大水平位移量分别为 4．83 mm、4．91 mm和4．76 mm。H8位置恰好处于滑面的位置处，其水平位移值最大，H7和H9处于滑面的两侧，其水平位移值次之，其他部位的水平位移值均比H9小。说明管道铺设位置处于滑面位置对坡面水平位移影响较大。

（2）管道纵向铺设。图7为纵向铺设下边坡坡面水平位移曲线图。由图7可知，当管道与坡面夹角为 0°、15°、30°和 45°时，其水平位移分别为 3．93 mm、3．90 mm、3．33 mm 和 3．80 mm，由此可见，其夹角为30°时水平位移最小。其他夹角下水平位移基本相等。

3．3 边坡剪切应变率

（1）管道横向铺设。目前边坡的失稳判据有3种：①以数值计算的收敛性作为失稳判据；② 以特征部位位移的突变性作为失稳判据；③以塑性区的贯通性作为失稳判据［17］。在本文计算中采用第③中失稳判据进行判定，图8为横向铺设下边坡内部剖切面的剪切应变率云图，从图8可以看出，管道铺设在坡体的不同位置下，边坡的剪切应变率均形成了贯通的剪切带。同时可以看出，管道的铺设对边坡的滑动面位置影响较小，只是管道铺设在剪切带位置时对周边剪切带有较明显的影响，如H3位置所示。

图6 横向铺设下边坡坡面水平位移曲线图

图7 纵向铺设下边坡坡面水平位移曲线图

（2）管道纵向铺设。图9为纵向铺设下边坡内部剖切面剪切应变率云图，V0°铺设方式下，只在边坡顶面位置处出现了较大的剪应变，其他部位剪应变值都较小，而V15°、V30°和V45°铺设方式下均在坡脚位置处出现了较大的剪应变，说明管道的铺设对坡脚位置处的土体受力影响较大。因此其边坡的安全系数均比V0°铺设方式下小。

图8 横向铺设下边坡内部剖切面剪切应变率云图

图9 纵向铺设下边坡内部剖切面剪切应变率云图

4 结 论

（1）管道在坡体内横向铺设时，沿坡脚向坡体内改变，其边坡的安全系数先减小后增大，增大后的值约等于自然边坡的安全系数；在坡体内竖向向坡顶改变时，其边坡的安全系数先减小后增大，但是在坡顶位置处边坡安全系数又减小，因此建议铺设管道时不要铺设至滑动面内。

（2）管道在坡体内纵向铺设时，其夹角由0°变至45°，只有在0°铺设方式下其安全系数比自然边坡要大，其他铺设夹角下，其边坡安全系数均比自然边坡小，这是因为当铺设夹角为0°后，管道对边坡有支挡作用，对边坡的稳定性有利，但对于管道的受力极为不利。

（3）边坡失稳时均形成了剪切带，管道的铺设对剪切带形成的位置影响较小，但当管道铺设位于剪切带区域上，管道周围土体的剪应变率有明显的变化。

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