张鹏程，牟晓东

(中石化石油工程设计有限公司,山东 东营 257000)

0 引言

近几年来，中国油气行业发展迅速，地面设施建设日新月异。随着油气地面建设的不断发展，建设环境越发恶劣，人类活动与自然环境矛盾日益凸显，地质灾害已呈多发态势[1]。滑坡是油气输送管道工程中最为常见的地质灾害，其中降雨对滑坡稳定性影响受到了国内外专家的格外重视[2]。Guzzetti[3-4]通过处理海量滑坡数据，得到诱发滑坡的降雨界限值；Floris[5]建立修正后的降雨量临界滑坡模型；Crozier[6]提出前期有效降雨量的计算式。国内学者在研究降雨对滑坡稳定性影响方面也取得了许多成果，如吴树仁[7]等通过对三峡水库近几年的滑坡灾害资料进行统计分析，通过对滑坡状态预警及滑坡时、空间预报判据完成三峡水库滑坡预警研究；吴刚等[8]通过对都江堰五里坡滑坡进行分阶段研究，发现了降雨入渗后地下水对斜坡的作用过程。自2020年雨季以来，四川地区连续降雨，导致油气田地面设施建设区域发生严重地质灾害，其中滑坡、泥石流等最为严重，给国家资源和人民的生命财产造成严重威胁[9-10]。该气田某阀室也严重受此次降雨影响，无法维持正常运营和周边人民的生活秩序。

1 实例概况

1.1 滑坡概况及强度参数

研究区原为斜坡地貌，地形坡度较缓，由于修建下部阀室，对坡体进行开挖切坡，形成了高2.5 m～3.0 m的陡坎，致使坡脚处应力集中分布，同时坡体出露地层为崩坡积形成的粉质黏土，其渗透性一般。滑坡从平面形态上看，呈不规则的“圈椅”状，主滑方向为221°。前缘位于阀室后墙处，相对最大高差为36.3 m。滑动后缘已形成了宽约30 cm的下错裂缝；中下部为一斜坡地貌，坡度为28°～33°。该滑坡体后缘存在下错裂缝，并存在持续发展的趋势。一旦坡体进一步滑塌失稳，将直接危害斜坡前缘平台处该阀室的安全及正常运营，可能导致阀室输气管道的破坏进而造成天然气泄漏，威胁阀室的工作人员及周边居民的生命财产安全。根据GB/T 32864—2016滑坡防治工程勘查规范表B.2续，本滑坡为小型浅层牵引式土质滑坡。具体土层分布及物理力学设计参数见表1。

表1 岩、土体物理力学性质设计参数

1.2 现场监测数据

场地内共布置监测点5个，其中滑坡后缘1个，滑床2个，前缘2个，监测点具体见图1。

现场监测数据见图2,图3。

根据土壤含水率现场监测数据可知：2020年7月1日～7月19日，该地区一直处于间歇式降雨状态，滑坡体在间歇性降雨状态下于7月2日开始发生蠕变，直至位移量达到60 mm，位移速度保持稳定，持续变形。在间歇性降雨影响下，该滑坡于7月16日蠕变阶段结束，发生剧烈滑动，位移达到102 mm，并在短短几个小时迅速增大至201 mm，发生滑坡。其滑动情况属于应力小于坡体极限强度，而大于长期强度，在发生破坏之前经过一段较长时间的蠕动过程[11]。

2 非饱和滑坡模型建立

2.1 土-水特征曲线

由于该滑坡在雨季前长时间处于稳定状态，为完全还原滑坡发生环境，本次计算认为降雨初始阶段滑坡处于非饱和状态。进行非饱和滑坡分析之前必须获得该地区土体的土-水特征曲线，以确定该土体含水率与基质吸力的关系。试验获取土-水特征曲线周期长，实际工程中难以应用；使用GeoStudio中SEEP/W模块内置样本函数可快速得到土-水特征曲线[12]。考虑到该滑坡对气田阀室的严重影响，本文参照四川地区某粉质黏土滑坡研究文献确定该地区土-水特征曲线，采用SEEP/W内置的样本函数法进行拟合。根据勘察资料，土样饱和体积含水率为22.3%，得到土-水特征曲线见图4。

2.2 渗透系数

非饱和土中，由于颗粒间孔隙由孔隙水和空气充填，此时，空气充填的孔隙就成了非传导通道，水流只能在孔隙水充填的孔隙中流动，使得非饱和土渗透系数小于饱和土[13]。虽然渗透系数随着含水率的变化，但它与含水率有着Van Genuchten渗透系数公式的对应关系[14]。土-水特征曲线与式(1)相结合可取得非饱和土渗透系数：

(1)

其中，kw为非饱和渗透系数；ks为饱和渗透系数；a，m，n均为拟合参数，其中n=(1-m)-1；hw为压力水头。

2.3 模型建立

本文采用GeoStudio中的SLOPE/W，SEEP/W和SIGMA/W模块进行降雨模拟计算。其中，SLOPE/W模块根据极限平衡法进行稳定性分析；SIGMA/W模块基于有限元进行应力应变分析；SEEP/W则可以进行孔隙水压力、总水头、压力水头重分布计算。三者可以互相耦合，实现降雨对滑坡稳定系数、应力、变形分布计算。模型建立情况如图5～图7所示，因现场迹象明显，建立模型通过指定后缘拉张裂缝、前缘剪切裂缝位置指定滑动面位置，其下卧地层设为稳定地层，边界为固定约束，即模型左侧边界、下边界侧X,Y方向均不产生变形；根据现场降雨量监测数据确定模型降雨强度。

3 滑坡形成机制分析

本文采用GeoStudio中的SLOPE/W,SEEP/W和SIGMA/W模块进行数值模拟。其中SLOPE/W模块是基于极限平衡法进行滑坡稳定系数计算；SEEP/W模块是采用有限元方法进行水土耦合分析；SIGMA/W模块是采用有限元方法进行土体、刚性构件应力应变分析[15]。同时3个模块可以互相结合，实现降雨对滑坡稳定性影响分析。

3.1 孔隙压力重分布

采用SEEP/W进行自然状态及降雨条件下孔隙水压力分布情况分析。根据现场情况确定0.3 m均匀降雨方式。土-水特征曲线通过SEEP/W中非饱和材料输入，渗透系数则通过式(1)进行计算。孔隙压力分布见图8,图9。

由图9可知，降雨环境下，该滑坡地表渗透土层较薄：0.3 m降雨量的条件下，地表土体渗透厚度仅为0.7 m。因此，对于该滑坡，降雨主要加剧坡脚应力集中分布，削弱滑坡稳定性。由此可得，该滑坡治理过程中，坡脚排水效果至关重要，如果坡脚排水效果不好，则极易引起坡脚剪切破坏。

3.2 滑坡形变量

SEEP/W模拟结束后，对雨后的滑坡变形进行分析计算(见图10，图11)。首先将降雨模拟结果导入SIGMA/W模块中，采用耦合应力/孔隙水压力进行滑坡变形分析。

由图可知自然状态下滑坡剪应力集中分布于坡脚，符合实际情况。此时滑坡形变量最大为32.53 mm，处于基本稳定状态。通过选择3.1最后阶段的孔隙水压力分布进行降雨滑坡变形计算。结果表明：降雨对滑坡稳定性影响极大，0.5 d共0.3 m降雨量下滑坡最大位移量达到192.33 mm，直接导致滑坡灾害发生。分析其原因主要有两点：1)坡面积水增大了坡体重量，是导致滑坡发生的主要原因之一；2)降雨增大了坡体内部水头，使得土体内部发生渗流(图11中黑色箭头表示渗流方向)，使得下部低水头坡体变形增大，导致牵引式滑坡形成。由此可得，该滑坡治理设计中，坡体截排水效果直接影响滑坡稳定性，坡面一旦积水，既施加了外部荷载，也增大了滑坡内部水头，引发土体内部渗流，导致滑坡发生。

3.3 滑坡稳定系数

将降雨模拟结果导入SLOPE/W模块中进行滑坡稳定系数计算(见图12，图13)。

根据SLOPE/W计算结果，该滑坡自然状态下稳定系数为1.001，处于基本稳定状态；降雨0.5 d，降雨量0.3 m工况下，稳定系数为0.795，处于不稳定状态。这一模拟结果与结论不完全符合，其原因是：对于湿陷性黄土、粉土而言，体积含水率在一定范围内，基质吸力对土体的强度有增大作用，该作用的大小随含水率呈某一函数关系，且存在一个含水率的临界值，含水率小于临界值时，随着含水率增大，对强度的增强作用逐渐降低，当超过临界值时，含水率增大会减小滑坡稳定系数，但是在该滑坡中，基质吸力对其黏聚力影响较小，降雨直接导致土体强度降低，稳定系数减小。由此可得，在该滑坡治理设计中，应充分考虑坡体支护强度，尽量避免考虑基质吸力对滑坡稳定性影响。

4 结论

本文基于四川某滑坡监测数据，采用GeoStudio对该滑坡产生机制进行分析，通过工勘资料确定滑坡地层分布情况及各地层物理力学参数，并参考已发文献确定该处滑坡非饱和参数，综合考虑现场降雨情况及土体非饱和特性，使得模型最大程度贴近实际情况，确保本次滑坡机制分析实际有效。得到结论如下：

1)降雨对该滑坡稳定性影响极大，具体表现为：降雨难以渗入土体深部，只能提高浅层土体含水率，并加剧坡脚应力集中分布，诱发滑坡发生；坡面积水对滑坡变形有较大影响，其作用机理为：a.坡面积水施加荷载加重滑坡变形；b.通过增大土体内部水头使得土体内部形成渗流，引发牵引式滑坡发生。因此，该滑坡治理设计中，坡面截排水措施作用效果至关重要，直接影响治理效果。

2)基质吸力对该滑坡强度影响较小，降雨对土体黏聚力影响较小。因此，在治理设计过程中，对于该滑坡应尽量保守设计，避免考虑基质吸力对滑坡稳定性影响。