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管道穿过滑坡区的保护控制方案和效果评价
摘要：天然气长输管道计划通过中国中西部地区，其中某些部分受到滑坡灾害的严重威胁。因此，管道是穿越还是避开滑坡区的保护控制方案受到越来越多的重视。一个中国西部的经典滑坡被用作实施这个方案的例子以及用来评价地下管道通过滑坡区的安全。而控制措施的调查是基于工程地质研究和数值模拟（有限差分）的管道与滑坡的互动模式，包括土拱效应。设计的关键影响因素，包括抗滑桩问题，是通过三维有限差分数值模拟决定的，该技术还采用强度折减系数法计算应力、位移场的分布来计算稳定系数。结果表明，这种推荐的滑坡部署可以通过减小对滑坡的影响从而极大的提高其稳定性，从而维持管道的位移和应力在可接受的范围内。
主题词：管道 滑坡 滑动 抗滑桩 控制系数 中国
作者关键词：管道 滑坡 防滑 稳定性
介绍：
因为很大一部分的西气东输工程横跨中国的山区，管道经常穿越的地区是非常容易滑坡的
山体（李2007；鮑姆）。因此一个切实可行的保护计划和控制方案用以减轻或减少滑坡的不利影响已成为世界上越来越多的工程师和科学家的兴趣。
在过去的几十年中，大量的关于管道穿越滑坡区的稳定性分析与评价问题研究已经进行了。艾哈迈德等（1993）对因吉尔伯特飓风所造成的山崩的供水管道进行损害评估。两种多方面的对主管道项目萨哈林2号滑坡危险评估是基于历史调查数据和蒙特卡罗方法，这是由matsiy（2006）等人提出的。杨等（2007）建立了中国上海主要地下管道安全评价模型并进行了研究。Topal和Akin完成天然气管道通过滑坡的岩土评价和修复方案是根据详细的岩土研究。皮内达波拉斯和杰菲（2010）讨论了管道脆弱关系的演进，分析了地面运动参数作为管道损伤的指标以及天然气在管道泄漏识别。滑坡灾害稳定性评估、监测和监控是由巴斯克内斯等人（2010）以厄瓜多尔维拉诺石油管道系统为例。
近年来，许多研究人员已经测试了滑坡对天然气或者石油管道的影响。帕克等人（2008）根据参数研究的结果，研究了浅埋滑坡下海底铺设管道的受力性能，并对典型深水条件下的管道错若性进行了评估。Liu等（2009a）提出了一种基于应变用于埋地管道的滑坡设计方法。Liu和Orsquo;rourke等人在靠近海岸滑坡下的管道在海平面运动下多方面进行了广泛性研究。
一些学者进行了有关管道的动态分析。Orsquo;Rourke和Liu讨论了受地震影响下埋地管道的响应。滑坡对于长距离天然气或者石油管道的影响的动态力学分析被提出来（Ma等2006）。Zhou等（2011）已建立的不同大小的崩塌埋设管道有限元模型基于以非线性动态力学和动态数值方法的ANSY/LS-DYNA.黄等（2011）通过FLAC3D研究了在滑坡冲击力下的应力分布以及最优埋设深度。
采用多种分析方法对管道穿越滑坡的控制效果进行了评价。Keaton等（1992）研究的由他东北部的案例被应用于潜在易损管道设计的滑坡危险性分析。Leynes等（2005）根据一项危险评估分类系统，研究了菲律宾地热填管道的滑坡灾害评估及减灾措施。Jing等（2006）分析了地质特征并提出了武汉到忠县七里沟滑坡的天然气运输管道的影响的相应设计。滑坡分析与控制的一种行之有效的方法是由Wei等（2006）完成的。Li等（2009）提出了一种适于穿越滑坡区地下管线的危险性评价方法。
虽然有几种现有方法评估管道穿越滑坡区的地质灾害，但有很少或根本没有研究提供了详细的控制方案，以保护潜在危险的地下管道。因此，目前的研究探讨了一个在中国西部重庆的关于滑坡与管道地之间的相互影响模型一个简单案例，并建立保护控制措施。基于抗滑桩与土壤体系之间的相互影响，包括土拱效应，一个关于管道穿越滑坡区的保护控制方案被制定了。关键的设计影响因素，包括抗滑桩之间的间距，通过对管道与滑坡的三维数值模拟而获得一个最优的控制方案。该技术采用了强度折减系数法计算应力与位移场的分布。结果表明，建议部署的抗滑桩，通过减小滑坡的可能性和幅度从而提高稳定性。从而保持应力和桩间距在可接受的范围内。这种被推荐的对滑坡穿越滑坡区的保护控制方案和评价方法可以被用于中国与其他地方相似的工程。
研究背景
工程背景
从忠县到武汉市的输气管道是中国的西气东输工程重要组成的部分之一。它为湖北省和湖南省提供天然气供应。沿着完整的管道经过区域，从中县到宜昌市的部分受到复查的地形结构和地貌特征等地理危害严重威胁。这些危害包括滑坡，岩石滑坡和泥石流（Jing2006）.
地质模型
从到武汉市的输气管道位于重庆市石柱县，并穿过七里沟滑坡区域。从顶部到底部的潜在海拔在1475到1445米，这个滑坡的主要滑行方向是N30°W。滑坡的覆盖区域面积大概3000平方米，体积15000立方米（Jing2006）。七里沟滑坡区域工程地质纵剖面图根据现场调查和钻孔得到如图一所示。
在指定的纵剖面有三个钻孔，记为BH1，BH2 和BH3。它们代表前面，中部和后部的滑坡区的三哥典型的位置，在该滑坡可能会沉淀。滑坡体的主要成分是黄色和紫红色风华岩块和砾石土。滑坡床层是属侏罗系地层的蓝长石石英砂岩和泥质岩。
图一：七里沟工程地质纵剖面图
管道最佳穿越位置
Li等（2009）探讨管道穿越滑坡区的最佳位置的选择方法。结果表明，管道靠近BH1钻孔点的附是三个位置中最低压力位置。结果还表明，管道的最大应力随着埋深得增加而增加。因此，当管道埋设在1.25米附近的BH1得位置代表了天然气管道穿越七里沟滑坡区的最佳位置。
管道的控制方案
选择最佳的控制方案保护管道，重要的是了解整体得工程措施对限制滑坡的影响。
随着工程地质特征和变性特征包括滑坡区稳定性评价的知识的一致，抗滑桩支护锚固和边坡卸荷是可能的控制措施。对于当前的目的，因此有了以下两种已经研究的方案：（1）方案1 ：抗滑桩与边坡卸载；（2）方案2：支护锚定和边坡卸荷。
这两种方案可以提供足够的加固，以减少滑坡的幅度从而控制管道的应力和位移在可接受的范围内。然而，方案2采用了支护锚，需要更大的投资。此外，由于是由长石石英砂岩和相对的软泥基岩，滑坡引起的应力可能会破会锚定系统。
因此，方案1，包括抗滑桩及边坡卸载的使用，代表了限制和控制七里沟滑坡的的更好方案。图2说明了地质调查，包括由地质探查和数值模拟出的土坡滑行的区域（Li等2009）相对于抗滑桩安装位置。
图2：抗滑桩边坡几何分析
桩加固设计方案
桩土体系的土拱效应
对于土拱效应的初步研究是由Terzaghi（1943）基于他的陷门测试。Terzaghi等人（2007）执行了一个严谨的陷门测试，通过它他们证明了土拱效应的过度状态的存在状态，帮助研究土拱效应影响的研究，具有现代意义。类似的原理可以用来开发抗滑桩和滑坡相互作用的模型，包括土拱效应，如图三所示。桩土的拱效应与土体的滑动深度，桩间距，土体的物理参数有关，包括土体的强度特性。
图3 简化二维桩模型；（a）竖向视图；（b）视图
图4示出了两种类型的土体拱形，即端轴承和摩擦拱形。在常规桩土中交互模型，终端之间没有区别土拱和摩擦土拱。结果很难妥善分析实际桩土相互作用过程。 在本文中，桩土分析模型的三个阶段，反映出防滑桩和滑坡相互作用，包括终端土拱，摩擦土拱，和通过在堆前面的滑动质量块，撞击管道（图4）。
在图 4中，q是滑坡质量的驱动力（kN = m2）;b和a是防滑桩交叉的宽度和高度（m）段; L是相邻的间距堆（m）; S是相邻桩（m）之间的净间距。
间距确定模型
如前所述，Terzaghi（1943）调查了压力从土壤产量的转移现象相邻的刚体边界通过他的夹板测试。 这个现象的拱形效果可以通过负载传递来解释剪切强度的动员（Wang和Yen1974）。 Wang等（2001）假设驱动力只会是抵抗防滑之间的侧面摩擦阻力桩，即摩擦土拱。
在上述假设条件的基础上，摩擦土拱的机理，分析桩土模型可以开发两个防滑桩之间（见图5）。 在这个模型，滑坡的分布驱动力q被抵制通过摩擦土拱之间的阻力，Re，作用在相反的方向。
关键问题是确定一个关键的最大桩间距; 对于大于该值的间距，摩擦土拱可能不会发展，使管道更容易受到影响的滑坡。滑坡的安全系数可以由根据职业标准或数字的计算建模方法，它取决于意义和滑坡损害程度。
滑坡的分布驱动力q可以是计算的，通过使用公式（1）。
（1）
其中P =滑动质量的单位宽度驱动力（KN/ m）; 和H1 =从桩顶到滑动的垂直距离表面（m）。
图5（b）示出了作用在侧壁上的力（Fx和Fy）的防滑桩。 电阻（Fy）之间的滑动质量和滑动区可以根据莫尔 - 库仑强度标准（2）。
（2）
其中c（kPa）和phi;=内聚力和内摩擦角（°），分别为滑动质量。
考虑到单位厚度土拱之间的阻力，阻力（Re）的表达可以按照如下方式进行：
（3）
其中gamma;=土壤单位重量（kg / m3）。
式然后沿着驱动方向从平衡考虑。
（4）
通过比较方程式 （1-4），式 （5）可以找到。
(5)
图5两个防滑桩之间的桩土模型：（a）整体模型; （b）水平部分
图6莫尔 - 库仑应力圈，加强单轴压缩状态下的破坏包络
对于土体弯曲的强度条件，中跨的截面是最不利的部分。此外，中跨的前缘[图中的M]。 5（b）是沿拱形最弱点，土体强度应符合土力学强度条件。 为了提供安全性的测量，假设点M处于单轴压缩状态。 应力状态如图1所示。 6根据莫尔库仑强度理论，三角形几何关系可以用公式（6）。
（6）
考虑到桩 - 土相互作用的对称性，可以使用对应于桩之间的净间距的一半的模型S / 2来进行分析。 图5（a）示出了作用在中跨段上的水平力等于Fx。 结果，中跨段上的最大应力
（sigma;max）可以用等式（7）。
（7）
因此，只考虑上述摩擦土拱的阻力，通过求解等式 （5-7），临界最大净桩间距S可以由公式（8）。
（8）
因为有必要保持适当的经济裕度，因此推荐的净桩间距Sr应该通过减小因子Fr减小，如公式（9）。
（9）
因此，设计总桩间距Lr是推荐的净桩间距Sr和桩的宽度（b）的总和，其可以由等式（10）。
（10）
根据七里沟滑坡的特点和驱动力，选择管道截面为1.5times;dtimes;1.0 meth;bTHORN;（Jing 2006）。 从桩顶到滑动面（H1）的距离为7.1米（见图2），桩的总长度等于10米。 假定安装在中度风化岩石中的极点的嵌入长度是通过弹性基础梁理论确定的。
以通过考虑滑坡质量的平衡导致P = 330 kN = m来计算均匀驱动力。 土壤参数值选择为gamma;= 21 kN = m3，c = 18 kPa，phi;= 25°。 判定1.05的还原因子Fr适用于本申请。
将上述参数插入等式 （10），设计总桩间距Lr为4.12 m，或有效4.0 m。
验证控制方案
评估方法
数值模拟用于验证防滑桩的好处。 FLAC3D三维有限差分程序，用于工程力学计算，已被广泛应用于许多土木工程应用，包括采矿和隧道。Hakami（2001）进行了数值计算，使用FLAC3D的Sellafield以模拟综合泵测试。蔡等 （2007）采用耦合的连续/粒子流代码（FLAC / PFC）分析大规模地下开挖声发射的数值模拟。
除了对应力和位移场进行建模之外，已经开发了一种使用FLAC3D来确定强度降低因子（SRF）的程序（Griffiths和Lane 1999），被称为剪切强度降低技术（Matsui和San 1992）。 相应的因子剪切强度参数cf和phi;f在等式 （11）和（12）
（Griffiths和Lane 1999）。
(11)
(12)
图7带有防滑桩的数值计算模型：（a）桩的面积; （b）整体垂直剖面
基于剪切强度降低方法，可以开始系统地研究SRF的值，这被认为是安全系数，允许确定滑坡不同的情况的稳定系数。
基本数值计算模型
考虑图1所示的地质模型。对七里沟滑坡进行了三维数值计算。 基于先前确定的4m的周期性桩间距，仅分析斜率的4m宽度就足够了。 由于滑坡区有三种类型的岩土，该模型包括滑动质量（蓝色），滑动区（红色）和基岩（绿色）三部分（见图7）。 还显示了4米长的管道（品红色）
土壤和岩石由固体元素模拟，假定其为弹塑性莫尔 - 库仑材料。 各向同性弹性模型用于表示防滑桩。 采用交界面元素模拟滑块与桩之间的摩擦力。 管道用壳单元模拟。 表1提供了土壤和岩石的物理和机械参数的值。
结果与分析
通过剪切强度降低法，可以通过确定具有和不具有加强桩的稳定系数来评估稳定性。 没
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