随着国内油气管道建设的不断发展，管道穿越复杂地质条件的地段越来越多。我国山区地质环境复杂、雨量充沛、岩体破碎，为地质灾害的发生提供了良好的基础条件。油气管道施工过程中，不可避免地会对地质环境产生扰动，其扰动作用可以归纳为工程荷载、爆破振动、岩土开挖堆填、水文条件改变、工程热力作用等。其中，岩土开挖堆填和水文条件改变是工程活动影响地质环境最重要的两大作用方式，其使原地质条件发生变化，诱发地质灾害^[1-2]。

在山区管道的建设中，由于地形起伏较大、河谷纵横、交通不便、地质条件复杂等因素的制约，横坡敷设是较为常见、又不可避免的一种管道敷设方式。横坡敷设条件下管道施工过程中的扫线和管沟开挖作业，会改变原始稳定边坡的断面几何形状，导致临空面的形成，从而影响边坡的稳定性，严重时甚至会诱发滑坡、崩塌等地质灾害，影响管道的正常施工。因此，有必要对管道横坡敷设条件下的边坡稳定性进行定量分析研究，制定有针对性的治理措施，确保管道施工和运行安全。

1.   管道横坡敷设诱发的地质灾害

横坡敷设是指油气长输管道以基本平行于等高线的敷设方式通过坡面。横坡敷设容易诱发滑坡、崩塌等地质灾害，原则上应避免采用^[3]。管道施工过程要开辟作业带和开挖管沟，均会对原始稳定坡面产生扰动，形成新的高陡路堑边坡。山区管道施工中因开辟作业带和管沟开挖，形成高临空面，最终导致上侧边坡形成不稳定体，其中相当一部分会突发滑坡、塌方灾害，虽然一般规模不大，基本表现为牵引式的浅表层地质灾害，但对施工危害较大，人和机具易受到威胁，且滑塌体常堵塞施工便道和管沟，造成管道施工无法继续正常进行。在这种情况下，如果进一步清理滑塌体或继续开挖管沟，会导致发生更大规模、后果更严重的地质灾害（图 1、图 2）。

图  1  扫线形成的不稳定坡面示意图

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图  2  管沟开挖形成的不稳定坡面示意图

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2.   管道横坡敷设边坡稳定性评价

油气管道横坡敷设时，扫线（清理作业带、开辟施工便道）和管沟开挖会对原始稳定坡面产生一定程度的扰动，形成新的高陡路堑边坡，降低原始坡面的稳定系数（图 3）。

图  3  横坡敷设条件下管道施工对边坡扰动示意图

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目前，国内山区管道建设实践表明，由于扫线和管沟开挖形成的削方路堑边坡，会产生新的潜在滑动面，形成不稳定坡体。因此实际建设中经常就地采取坡脚防护措施，虽然在一定程度上降低了进一步发生滑塌的可能性，但由于管道是以浅挖深埋的方式通过，因此管道本体处于相对不稳定状态。以下对管道横坡敷设条件下各类工况的边坡稳定性进行定量分析。

2.1   稳定系数计算

基于极限平衡理论的条分法广泛应用于边坡稳性的定量分析计算^[4-5]，其稳定系数K的计算式：

式中：γ为土体的湿容重，kN/m³；c为滑弧面处土体的内聚力，kPa；φ为滑弧面处土体的内摩擦角；L为滑动圆弧全长，m；b_i为第i计算土条宽度，m；h_i为第i计算土条高度，m；α_i为第i计算土条底面倾角，（°）。

条分法略去了各土条间侧向力的作用，计算得出的稳定系数K偏于保守，这对边坡治理设计的安全性相对有利。相关资料表明，K的偏低值随内摩擦角φ的增大而增加，一般情况下，偏低10%~15%；当φ较大时，可偏低20%^[6-8]。

影响边坡稳定性的主要因素有土体的物理力学指标和边坡断面几何参数。其中土体的物理力学指标主要指边坡土体内聚力、内摩擦角、土壤的容重以及地下水位等；边坡断面的几何条件主要指边坡高度H、边坡坡面线与水平线的夹角α、路堑边坡的坡角β以及管沟开挖深度h'等^[9]。

对于某一边坡而言，其土体物理力学指标为定值，且管沟开挖深度一般也不超过2 m，扫线作业带宽度一般不超过12 m。因此为计算方便，特设定相关参数如下：内聚力c=5 kPa、内摩擦角φ=350°、土壤的容重γ=18 kN/m³，不考虑地下水的影响，扫线作业带宽度W=12 m，管沟深度h'=2 m。

依据式（1）及上述参数设定条件，分别计算坡角α为15°、30°、45°，以及坡高H为20 m、50 m、100 m下，原始边坡、扫线边坡及管沟开挖边坡3种工况条件下的稳定系数（图 4、表 1~表 3）。

图  4  边坡稳定性计算示意图

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表  1  原始边坡稳定系数K₁的计算结果

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表  2  扫线边坡稳定系数K₂的计算结果

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表  3  管沟开挖深2 m的边坡稳定系数K₃的计算结果

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2.2   计算结果分析

（1）在边坡土体物理力学指标（c、φ及γ）、边坡坡角α以及坡高H一定的条件下，当β > α时，同类边坡的K₁ > K₂ > K₃，即原始边坡表现得最为稳定，随着扫线和管沟开挖工作的展开，边坡稳定性越来越差。造成这种情况的原因主要在于，土体底面倾角α_i在扫线和管沟开挖工况条件下，其值呈逐渐增大的趋势，稳定系数逐渐减小。

（2）对原始边坡而言，在边坡土体物理力学指标一定的条件下，对边坡稳定性影响最大的几何参数是坡角α，α越大K₁越小。当α相同时，随着坡高H的增大，K₁略有减小。随着α的增加，相应各土条底面倾角α_i也相应增加，因此使得稳定系数K减小。

（3）对扫线边坡而言，当β > α时，随着扫线形成的路堑边坡角β的增大，与K₁相比，K₂呈明显下降趋势。但潜在危险滑动面仍然通过扫线形成的路堑边坡的坡脚处。当β、α取值一定时，坡高H的增加虽然会使得K₂减小，但减小幅度不大。扫线形成的路堑边坡坡角β的大小是决定边坡稳定性的最为关键的因素之一，当β > α时，使得路堑坡的坡体形成新的危险滑动面，该滑动面内各土条底面倾角α_i大于原始边坡条件下的倾角，且β越大（即路堑坡越陡），其对应的α_i也越大，路堑边坡也越不稳定。

（4）对管沟开挖形成的边坡而言，与扫线工况下的K₂相比，K₃的降低幅度较大。在β > α时，潜在危险滑动面从管沟沟底处通过，同时最危险滑动面的半径较大，滑塌体较薄，说明浅表层滑塌迹象很明显。

3.   防治措施

应在查清线路区域工程地质条件的基础上进行油气管道选线。对于已探明的地质灾害发育区，应尽量避免将管道敷设在滑坡、崩塌、陡坡（坎）等地质灾害易发地带；管道线路应减少大量的切割山坡与填筑。把握地质条件对路线选择的影响，在安全、经济的基础上，尽量避免地质灾害的影响，同时应尽量减少人类工程活动诱发的地质灾害问题^[10-16]。

（1）避让：若管道敷设地段的场地条件许可，应首选避让策略，远离地质灾害易发地带敷设管道。

（2）治理：对于无法避让或避让成本高于治理成本的，或避让意义不大的地质灾害隐患点（段），可酌情结合管道工程采取实时监测、水工保护、抗滑桩、草袋管堤等治理措施^[9]。

（3）防护：对于无法避让的边坡，应尽可能选在枯水季节施工，同时在管道线位上方地形适宜地段设置临时拦挡墙和导流槽，防止突然暴雨形成的崩塌和坡面泥石流造成施工人员伤害和机械毁坏。崩塌段禁用震动强烈的动态爆破手段，以防风化危岩的震落。

（4）限制：为保证边坡稳定和管道安全，在管道施工过程中，应按照实际需要划定保护范围，预留安全作业带。在作业带内，若其他工程活动会影响山体稳定，则应严格限制。保护范围的宽度要依据现场地质环境条件，经过科学论证后确定。

4.   实例应用

某输气管道敷设地貌为山间沟谷，该段地层岩性为中等风化灰岩，块状构造，风化裂隙发育，岩块呈碎裂状。在降雨作用和爆破震动等扰动下，此段管道左侧山体加速了坡体的坍塌，崩塌体最终堆积于下部管沟内。该段崩塌影响范围约40 m，崩塌块石一般粒径为0.5~1.5 m，最大粒径约为2.5 m。

由于崩塌块石较多，清理难度较大，若清除管道敷设范围内的崩塌体，在崩塌体后侧将形成更大的临空，从而造成后部坡体持续崩塌，最终影响整个山体的稳定性。因此，建议采取如下处理措施：①管道向右侧微调1~2 m，避免再次开挖坡脚，微调后管沟仍需爆破开挖，开挖后将爆破产生的碎石及崩塌至管沟内的块石一并清除。②采取“二并一”管道施工方法，将预制管道埋置管沟内，及时回填。③若开挖后，管道左侧坡体仍存在较大安全隐患，可在保证上部覆土厚度的前提下，于管道上部布置盖板，或在左侧坡脚位置处布置拦石墙。

5.   结论

（1）管道扫线、管沟开挖作业均会造成边坡稳定系数下降，对边坡稳定系数产生影响的参数按照影响程度大小依次是：路堑边坡角β、管沟开挖的深度h'、原始边坡的坡角α以及边坡高度H，因此在α和H一定的条件下，扫线作业应尽可能降低β。同时管沟不能超深开挖，以保证边坡的稳定性。当扫线过程中已出现路堑边坡滑塌迹象时，应立即停止管沟开挖，采取浅挖深埋的方式保证管道通过。因为随着管沟开挖工作的进行，只能加剧路堑边坡发生滑塌的趋势。

（2）对于α > 30°的土质边坡，无论边坡高度大小，均不宜采用横切坡的敷设方式。

（3）管道实际扫线作业时，一般路堑边坡的坡角β远大于原始边坡的坡角α，主要原因在于可以节约削方工程量。计算结果表明，在扫线作业带宽度W＝12 m、坡高H＝50 m、α＝15°的条件下，当β＝15°时，每延米削方量约150 m³；当β＝30°时，每延米削方量约36 m³；当β＝45°时，每延米削方量约26 m³。可见，加大路堑边坡坡角可以大大节约土方工程量，但同时也增大了诱发滑塌等次生灾害的可能性，因此实际扫线作业时不能单纯从节约投资的角度考虑，而忽视了管道本体及施工过程中的安全隐患。