黄土滑坡对西气东输管线运行安全的威胁

黄土滑坡对西气东输管线运行安全的威胁

1西气东输管线工程实施中的滑坡西气东输管道项目是中国西部的一个里程碑。该工程西起新疆轮南,途经甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、安徽、江苏、浙江、东抵上海,共有十个省、自治区、直辖市,全长约四千公里。管线工程经过戈壁沙漠、黄土高原、太行山脉,穿越黄河、淮河、长江,是目前中国技术难度最大的管线工程。工程管线陕西省子长县-永坪镇段位于陕北黄土高原上,2007年9―10月,陕北地区连续降雨,诱发了管线陕西省子长县-永坪镇段5处黄土滑坡地质灾害的发育,各滑坡的基本情况详见表1-1。由于滑坡位于管线附近或穿越管线,故对西气东输管线工程中陕西省子长县～永坪镇段的正常运营带来一定威胁。因此,为确保管线安全,在分析该段滑坡形成机制的基础上,提出切实可行的滑坡防治方案就显得十分重要。2地质环境的背景2.1气候特点分析研究区段位于半干旱内陆性季风气候区,四季变化大,气候特点归纳为:春季多风沙,气候干燥,冷空气频现,温度变化大;暑热短,多暴雨;秋季温凉,多阴雨;冬季寒冷。区段内黄土滑坡主要发生在雨季和冻融季节,季节性暴雨是形成滑坡的主要诱发因素。2.2地貌类型分类管线陕西省子长县永坪镇段在地形地貌上表现为以下两种形式:1)黄土高原地貌。又可分为黄土梁峁沟壑、黄土峁梁沟壑二个地貌类型。2)河谷川台地貌。主要为秀延河的阶地和台地,阶地台地分布不连续,多呈扇状,长条状,宽度从几米至几百米不等。2.3工程地质剖面根据勘察资料,滑坡地段分布的地层较单一,主要由第四系中晚更新统马兰黄土(Q3eol)和三叠系瓦窑堡组砂岩、炭质页岩(T3w)组成,详见研究区典型工程地质剖面简图(图1)。现按地层由新到老分述如下:1)马兰黄土(Q3eol):灰黄色、粉土质,质地均匀结构疏松,垂直节理发育,具大孔隙、虫眼,遇水易崩解,具有较强的湿陷性,此层厚度在3―22m之间,广泛分布于研究区域。2)三叠系砂、泥岩互层(T3w):为一套黄绿、灰黑色泥岩与砂岩粉砂岩互层,细粒结构,层状构造,呈强-中等风化状态,其间夹煤层煤线,此层为该区域性基岩,厚度大。2.4叠纪以来沉积相研究区大地构造单元属中朝准地台的次一级构造—鄂尔多斯地台向斜东～东南翼地区,鄂尔多斯地台向斜三叠纪以来,即为相对沉降地区,区内广泛堆积了三叠系至白垩系地层,直到第三纪后,缓慢抬升,区内岩层产状一般平缓,略向西倾斜,倾角1°―3°。鄂尔多斯地台向斜构造简单,无大型褶皱及断层。第四纪以来新构造运动以间歇性的缓慢上升为主,地震活动微弱。2.5裂隙水、第四系条质孔隙水研究区地下水主要为第四系松散孔隙水与基岩风化裂隙水,风化裂隙水赋存于砂岩和浅层砂质泥岩风化带中;第四系松散孔隙水主要赋存于黄土孔隙中。总体上看地下水富水性好但分布不匀。根据取水样分析,地下水对钢筋无腐蚀性,对混凝土具弱腐蚀性。2.6地下水流失率高,地下水位高,边坡下地下水目前,滑坡体上有农作物种植,农业用水改变了坡体的水文地质条件,西气东输管线工程的施工也导致了坡体水文地质条件发生变化,坡体内地下水排泄失衡,斜坡体内的地下水积聚,地下水位升高,孔隙水压力和浮托力增大,极容易诱发黄土滑坡失稳。3滑动滑动形成机制的分析3.1秀延河水坡体变形管线陕西省子长县永坪镇段5个黄土滑坡变形呈明显的规律性,主要的变形特征有:1)滑坡后缘、坡体上拉张裂缝和漏水洞发育;2)滑体前缘挤压变形明显并且局部由于土体饱和处于流塑状态;3)滑动面贯通,侧缘剪切挤压变形明显;4)坡脚被秀延河水冲刷淘蚀严重。各滑坡的具体变形特征详见表2。3.2拉裂缝阶段通过对研究区域内黄土滑坡的已有变形破坏迹象、岩土体结构特征等的分析可知,研究区黄土滑坡是在蠕变-拉裂-剪断复合机制下形成的,并具有降雨等明显的触发因素。滑坡形成演化过程可分成3个阶段,如图2所示。第1阶段:坡体前缘土体蠕动变形。在秀延河水的长期侵蚀作用下,坡体前缘基本被掏空,呈近陡立状态,进而前缘土体逐渐向坡下弯曲,开始缓慢的累进性变形,在坡体上形成拉裂缝,并逐渐形成破坏蠕变区。第2阶段:蠕变扩张,坡体中后缘形成张拉裂缝。坡体前缘土体由于蠕变变形,土体整体上向秀延河弯曲,在坡体上形成拉裂缝。拉裂缝的形成为雨水提供了通道,使得降雨通过拉裂缝更容易地渗入到前缘土体中。在水的作用下,黄土的力学强度指标大幅度下降,这就进一步促使了坡体前缘土体和中后缘土体的分离。前缘土体的分离,导致中后缘土体失去了侧向支撑,改变了坡体中后缘土体的应力状态,降低了其稳定性。由于坡体中后部平缓并有漏水洞发育,这为地表水的下渗提供了良好的条件,在地下水及降雨的作用下,黄土被反复浸润,其抗剪强度降低,自身重力增大,于是滑移、蠕动变形向坡体中后部发展,并反过来促进了拉裂缝的加宽与向下延伸,在坡体内某一条带上形成剪切应力集中。第3阶段:潜在剪切面剪切扰动,滑体滑移。随着剪切变形的进一步发展,坡体内剪应力集中部位可被扰动扩容,使坡体下半部分逐渐隆起。随着变形体开始发生转动,中后缘明显下沉,坡体中部和后缘的拉裂面由开初的张开转为渐趋闭合,裂面互错方向与前一阶段恰好相反。这些迹象预示变形进入累进性破坏阶段,一旦潜在剪切面被剪断贯通,则发展为滑坡,滑体滑移失稳。4黄土滑坡灾害研究区段黄土层较厚,植被稀少,沟谷侵蚀强烈,降雨相对集中,黄土滑坡灾害严重。根据滑坡的变形破坏特征和滑坡的形成破坏机制分析,为保证输气管线的安全,可以采取以下措施对滑坡进行综合治理。1地表径流治理地下水和降水、农田灌溉等地表水是诱发黄土滑坡的首要因素,所以黄土滑坡的治理,“治水”重中之重。从水的来源性质方面,“治水”又可以分为地下水治理与地表水治理两个方面。对于地下水的治理,可以在前缘坡体内采用外包裹渗水土工布的塑料排水盲沟进行土体排水。而对地表水的治理,可以根据水来源的位置,采取不同的措施。对于滑坡侧缘冲沟上的水,可以修筑排水沟,有效的防止水下渗至坡体内。对于滑坡后缘汇集的水,可以修筑过水管涵,有效的防止水下渗至坡体内又可以保证管线的安全正常运行。对于坡体上的降水和农田灌溉用水,可以采取先回填夯实坡体上的漏水洞和拉裂缝,然后在坡体上进行草皮护坡,并在管线一定范围内,停止农业生产等措施,以减少地表水的下渗。2提高坡体不同边缘稳定性研究区段内的管线均位于秀延河床旁的岸坡上,秀延河水冲刷坡脚严重,坡体前缘陡峻,而从滑坡的变形破坏机制可知,滑坡的变形破坏模式表现为牵引式滑坡,故坡体前缘土体的稳定性就显得尤为重要,为保证坡体前缘土体的稳定性,可以在坡体前缘削坡减载,改变滑坡体的外形,降低滑坡体的重心,以降低滑坡体的下滑力,另外,在坡体前缘,秀延河内修筑防冲刷措施,防止秀延河水对坡脚的冲刷并有效的减少河水下渗至坡体内,从而提高坡体前缘的稳定性。3铺设重力式挡土墙从表1-1可知,研究区范围内,黄土滑坡的方量不大,滑体厚度一般,以小滑坡为主,为有效的提高滑坡的稳定性安全储备,可以在坡体前缘秀延河内修筑重力式挡土墙,这即可有效提高滑坡的稳定性又可防止秀延河水对坡体的冲刷。4加强坡体变形监测从第三章滑坡的形成破坏机制分析可知,滑坡的形成演化过程可分为三个阶段,对于管线巡查中发现的稳定性相对较好的、坡体仅处于表层蠕滑阶段的地段,为有效的防止滑坡地质灾害的发生,保证管线安全,应加强坡体的变形监测,如使用侧斜仪,监测坡体内水平侧向位移的变形情况。根据以上综合治理原则,结合各滑坡的具体情况,对研究区内各滑坡采取的治理措施详见表3。5滑坡形成机制1)西气东输管线陕西省子长县永坪镇段黄土滑坡发育,对管线的运行存在一定的威胁,根据滑坡所处的地质环境背景,滑