蘭鄭長輸油管道甘肅段地質(zhì)災害成因分析及其治理措施

張仲福，侯云龍

(1.甘肅地礦局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 酒泉 735000;2.甘肅工程地質(zhì)研究院，甘肅 蘭州 730000)

蘭州—鄭州—長沙成品油管道(簡稱“蘭鄭長輸油管道”)是橫跨我國中西部多個省份的重要能源管道，總長度達2 823.6 km，途經(jīng)甘肅、陜西、河南、湖北和湖南等五省69個縣市。甘肅段377 km管道沿線地質(zhì)環(huán)境復雜多樣，地質(zhì)災害發(fā)育?；?、崩塌、泥石流、潛在不穩(wěn)定斜坡、黃土陷穴等地質(zhì)災害對甘肅段管道的安全運營構(gòu)成了嚴重的威脅。

1 自然地理條件

1.1 氣象

蘭鄭長輸油管道甘肅段位于甘肅省東部蘭州、定西和天水三市地區(qū)內(nèi)。甘肅境內(nèi)總的是大陸性氣候明顯，溫差大，雨量小。大部分地區(qū)干旱少雨，年降水量在小于100～800 mm之間，降水具有東南多西北少，平原(河谷)少的特點。根據(jù)《甘肅省氣候區(qū)劃》，管道在甘肅段內(nèi)跨越兩個氣候區(qū)，蘭州、榆中、定西屬于隴中北部冷溫帶半干旱氣候區(qū)，年日照時數(shù)2 400～2 600 h，無霜期160～180 d。多年平均氣溫6～9℃，最熱7月份22～25℃，最冷1月份 －6～－10℃。多年平均降雨量在300～600 mm之間，受季風影響，降水多集中在7～9月，占全年降水量的50% ～70%。

1.2 水文

甘肅境內(nèi)穿越的主要為渭河水系，主要河流的典型特征如下:

宛川河是黃河一級支流，全長75 km，流域面積1 801 km2。其源于馬銜山和興隆山之間，沿山間斷陷流經(jīng)高崖轉(zhuǎn)向北流入榆中盆地，經(jīng)接駕嘴沿北山山腳即盆地的東北邊緣向西北流，在桑園峽匯入黃河。

葫蘆河是渭河一級支流，發(fā)源于寧夏西吉縣月亮山，流程301 km，流經(jīng)甘肅省靜寧縣、莊浪縣、秦安縣、至天水三陽川注入渭河，河長300 km，流域面積10 730 km2，年徑流量5億m3。管道將在靜寧縣仁大穿越葫蘆河，在通渭沿散渡河支流牛谷河河谷平原中延伸，在蓮花城～龍山鎮(zhèn)沿葫蘆河支流清水河河谷平原內(nèi)延伸，在張家川穿越牛頭河支流后川河。

各河流的基本特點是季節(jié)性豐、枯變化極為明顯，黃河蘭州段多年平均徑流量242億 m3，最大流量5 600 m3/s。受上游水庫調(diào)節(jié)作用，黃河干流在區(qū)內(nèi)一般不會形成災害。黃河的各級支流枯水期流量較少或斷流，汛期河水流量倍增，常誘發(fā)程度不同的自然災害，且行洪期河水含砂量較大，具有一定的破壞性。

1.3 地貌

管道經(jīng)過地貌自西向東分為黃土高原剝蝕丘陵地貌、關山—隴山侵蝕構(gòu)造中低山地貌。管線長約377 km，海拔高程一般1 500～2 000 m。依成因又可分為黃土梁峁區(qū)和河谷沖洪積平原區(qū)兩種地貌類型。

黃土梁峁區(qū)地形波狀起伏，梁峁間沖溝密布。通渭以東為深切黃土丘陵，以深溝長梁為主要特征，海拔高程1 980 m左右，溝谷切割深度50～100 m。長梁兩側(cè)樹枝狀沖溝密集，梁頂蜿蜒但相對平坦，地質(zhì)環(huán)境較好。通渭以西為中等切割黃土丘陵區(qū)，丘頂渾圓，溝谷呈寬淺的“U”形。黃土梁峁區(qū)地面以上更新統(tǒng)馬蘭黃土為主，下伏新近系軟弱泥巖和砂質(zhì)泥巖，溝谷中局部尚有華力西期花崗巖和加里東期石英閃長巖出露。

河谷沖洪積平原主要分布于通渭以西地段。這里有黃河干流及其支流宛川河、關川河、南河和東河等，河谷寬闊，地勢平坦，一、二級階地發(fā)育，具二元結(jié)構(gòu)。西固城盆地、榆中盆地、宛川河河谷平原、關川河、南河及東河河谷平原地勢開闊平坦。

1.4 植被

甘肅境內(nèi)植被以落葉闊葉林帶為主，主要分布在黃土高原南部，即蘭州－會寧－環(huán)縣－線以南。由于歷史上的盲目墾荒，植被遭到嚴重破壞，僅個別山嶺殘存小片森林，廣大荒山荒坡為酸刺、黃白草為主的灌叢草原和草原。

2 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境

2.1 地層巖性

管道所經(jīng)過地區(qū)所出露的第四系地層主要以黃土為主。沉積類型主要有風積，沖洪積、坡積等類型，按從老到新有離石黃土、馬蘭黃土和全新世黃土，其它為河谷階地附近的第四系沖洪積物，以及次生的黃土類土。全新世黃土和馬蘭黃土分布在甘肅段較多，離石黃土主要在甘肅的黃土丘陵區(qū)，管道沿線未出露午城黃土。管道沿線出露的第三系地層，巖性主要以紅色的河湖相碎屑巖、砂泥巖為主，主要分布在甘肅境內(nèi)定西符川和張家川恭門西南。三疊系以灰色細砂巖、粉砂巖、砂巖為主，主要分布在甘肅省通渭縣境內(nèi)。

2.2 構(gòu)造和新構(gòu)造運動

管線甘肅段位于青藏高原東北緣。歷次構(gòu)造運動奠定了本區(qū)的基本構(gòu)造格架，南部和西部的西秦嶺、拉脊山強烈隆升，東部及北部六盤山隆起，使隴西地區(qū)呈現(xiàn)出盆地特征，盆地內(nèi)主要由中生代及部分新生代堆積物所充填。管線所在部位為新構(gòu)造運動相對活躍的地段，主要表現(xiàn)為差異升降運動，華家?guī)X、馬啣山以及王家鋪等為相對隆升區(qū);黃河、關川河、渭河河谷地帶是相對沉降區(qū)，河谷內(nèi)一般堆積有10～50 m的松散沉積物。河谷兩側(cè)山坡多見一至三級河流階地，蘭州九洲臺等地發(fā)育九級階地，各級階地高差為5～75 m，九級階地累計高差達238.5 m。蘭州斷陷盆地第四紀以來不斷沉降，沉積厚度300余米。在牛谷河、清水河等兩側(cè)山坡發(fā)育大量的老滑坡、崩塌體，其大多為新構(gòu)造運動之佐證。

3 巖土體工程地質(zhì)類型及特征

3.1 土體工程地質(zhì)類型及特征

(1)黃土。黃土主要分布在黃土高原丘陵、中低山區(qū)，甘肅段管線所經(jīng)過的黃土主要為全新世黃土，馬蘭黃土，局部分布離石黃土。全新世黃土、馬蘭黃土孔隙和垂直節(jié)理裂隙發(fā)育，透水性較強，具濕陷性，離石黃土垂直節(jié)理裂隙不發(fā)育，透水性不強，不具濕陷性。黃土厚度變化較大，且由北向南，厚度降低，最厚處可達百米，薄處一般厚度為2～8 m，在管道經(jīng)過地區(qū)呈大面積分布，承載力特征值90～260 kPa。

(2)黃土狀土。由原生黃土經(jīng)過二次搬運作用形成，由中上更新統(tǒng)沖洪積粉土、粉質(zhì)粘土組成，分布于甘肅通渭、陜西隴縣、河南三門峽等地的河(溝)谷階地表層。承載力特征值80～180 kPa。

(3)粘土類。黃色、棕紅色，結(jié)構(gòu)致密，裂隙發(fā)育，一般分布在山區(qū)溝坡地帶或河谷地帶，呈可塑～硬塑狀，厚度2～12 m，一般承載力特征值150～250 kPa，不良工程地質(zhì)現(xiàn)象主要為小型滑坡或潛在不穩(wěn)定斜坡。另外在丘間溝谷、臺地及河流階地分布有褐色、黃褐色軟土，一般可塑～軟塑，厚2～10 m，一般承載力特征值100～120 kPa，其不良工程地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為地基不均勻沉降。

(4)碎石土?；野?、灰褐色，松散－稍密，碎石含量因地而異，一般碎塊石含量50% ～75%，其次為粉土或砂土充填。碎石多呈棱角狀、片狀，成分受所在地母巖控制。具孔隙性，力學性能差。常形成于陡崖坡腳，較陡谷坡。承載力特征值150～300 kPa。

(5)砂卵石。主要分布在渭河、涇河等河流兩岸及其次級支流河漫灘階地地段?；摇⒒液稚?，松散～稍密，砂卵石含量和粒徑因地而異，一般砂卵石含量50% ～60%，平均粒徑多在3～5 cm左右，磨圓較好，其次為砂土或粉土充填。具孔隙性，力學性能差。承載力特征值300～500 kPa。

3.2 巖體工程地質(zhì)類型及特征

(1)砂礫巖

屬軟質(zhì)巖類，主要分布在甘肅、陜西交界處的關山。呈磚紅、紫紅、棕紅色，塊狀，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，淺部巖體一般風化強烈，巖體破碎，多呈碎裂結(jié)構(gòu)，巖體完整性差，力學性質(zhì)差。天然抗壓強度2～8 MPa，承載力特征值600～1 000 kPa。

(2)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、頁巖

軟質(zhì)巖類，主要分布在甘肅東部。呈磚紅、紫紅、棕紅色，厚層～薄層狀，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，淺部巖體一般風化強烈，巖體破碎，多呈碎裂結(jié)構(gòu)，巖體完整性差，力學性質(zhì)差。屬易滑地層巖組。天然抗壓強度3～10 MPa，承載力特征值600～1 200 kPa。

(3)巖屑石英砂巖、長石石英砂巖、灰?guī)r等

堅硬巖類，主要分布在甘肅張家川一帶，灰色、淺灰色，中～厚層狀，硅質(zhì)膠結(jié)，致密，較堅硬 ～堅硬，巖體完整性較好，力學性質(zhì)好，天然抗壓強度30～50 MPa，弱風化承載力特征值1 500～3 000 kPa。

4 管道沿線地質(zhì)災害發(fā)育特征

4.1 管道沿線地質(zhì)災害類型

經(jīng)調(diào)查［1］，甘肅段管道沿線地質(zhì)災害點共232處。其中，堆積層滑坡10處、崩塌6處，潛在不穩(wěn)定斜坡14處，河溝道水毀75處坡面水毀26處，臺田地水毀91處。管道沿線各類型災害發(fā)育情況見圖1。

圖1 蘭鄭長輸油管道甘肅段沿線地質(zhì)災害統(tǒng)計圖

4.2 沿線地質(zhì)災害發(fā)育影響因素

沿線地質(zhì)災害發(fā)育影響因素分為內(nèi)在的影響因素和外在的誘發(fā)因素。其中，內(nèi)在的影響因素以地形地貌條件和地層巖性條件為影響地質(zhì)災害發(fā)育的主導因素，為地質(zhì)災害的發(fā)育提供了必要的內(nèi)在條件;外在誘發(fā)因素以降水條件為主導因素，而人類工程活動和地表水活動也是誘發(fā)地質(zhì)災害的重要因素，這些因素共同作用誘發(fā)和加劇了管道沿線地質(zhì)災害的發(fā)生。各類地質(zhì)災害的影響和誘發(fā)因素的權(quán)重分析見圖 2、圖 3、圖 4、圖 5。

圖2 蘭鄭長輸油管道甘肅段滑坡發(fā)育主要影響因素權(quán)重分布圖

圖3 蘭鄭長輸油管道甘肅段崩塌發(fā)育主要影響因素權(quán)重分布圖

圖4 蘭鄭長輸油管道甘肅段潛在不穩(wěn)定斜坡發(fā)育主要影響因素權(quán)重分布圖

圖5 蘭鄭長輸油管道甘肅段水毀發(fā)育主要影響因素權(quán)重分布圖

4.3 各類地質(zhì)災害影響和誘發(fā)因素分析

(1)降水條件:管道跨越區(qū)域主要受季風氣候的影響，雨季一般多大－暴雨，因此降水成為管道沿線地質(zhì)災害主要誘發(fā)因素，通過統(tǒng)計管道沿線有79%滑坡、81%崩塌、90%潛在不穩(wěn)定斜坡、86%水毀和86%黃土陷穴等災害最主要的外在誘發(fā)因素是降水條件。

(2)人類工程活動:不合理的人類工程活動經(jīng)常誘發(fā)滑坡、崩塌、水毀等地質(zhì)災害的發(fā)生。從目前管道沿線地質(zhì)災害的調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果來看，管道沿線有10%滑坡、19%崩塌、2%潛在不穩(wěn)定斜坡、7%水毀和14%黃土陷穴災害最主要的外在誘發(fā)因素是人類工程活動。

(3)地表水:管道沿線涉及沖溝或河流的特點是坡降較大、彎道較多、河溝面較狹窄、水流急、季節(jié)性變化明顯，平、枯水期時水流淺薄，雨季、洪水期水量暴漲，下切和側(cè)蝕能力增強，形成夠河道水毀、臺田地水毀災害，對伴行路、管道、水工保護設施破壞性強。通過統(tǒng)計管道沿線有10%滑坡、2%潛在不穩(wěn)定斜坡和7%水毀災害最主要的外在誘發(fā)因素是地表水活動。

(4)地震作用:甘肅段歷史上地震活動強烈，現(xiàn)代構(gòu)造活動強烈，導致了管道沿線地質(zhì)災害受地震的影響較強，也較發(fā)育;地震使斜坡失穩(wěn)的主要原因是由于地震慣性力及地震過程中坡腳的瞬時加力，從而導致潛在不穩(wěn)定狀態(tài)下的斜坡失穩(wěn)而形成滑坡。

(5)地形地貌:地形地貌是控制滑坡、崩塌形成的內(nèi)在決定性因素，通過統(tǒng)計沿線滑坡災害中有90%、潛在不穩(wěn)定斜坡災害中有93%、水毀災害中有38%形成的內(nèi)在因素是由地形地貌起主導控制的。通過統(tǒng)計沿線水毀災害中有38%形成的內(nèi)在因素是由地形地貌起主導控制的。

(6)地層巖性:巖土體是地質(zhì)災害的載體和物質(zhì)基礎。管道沿線分布巖土體類型復雜，工程地質(zhì)性質(zhì)各異，并且對地質(zhì)災害的形成分布和活動起主導作用。管道沿線大部分地段為土體分布，包括殘坡積、沖洪積等不同成因的碎石土、砂土、特殊性土(主要為黃土)等，不同的土體性質(zhì)決定了地質(zhì)災害的發(fā)育特征，在黃土分布區(qū)內(nèi)普遍分布的馬蘭黃土、次生黃土結(jié)構(gòu)疏松，垂直節(jié)理發(fā)育，遇水易崩解，強滲透性，有利于雨水滲漏致使其結(jié)構(gòu)破壞;并且黃土易形成陡坡而具備較高的臨空面，促使斜坡失穩(wěn)，因此多引起崩塌、滑坡災害，而黃土具濕陷性和潛蝕性，管道通過段的水毀、黃土陷穴等災害也較為普遍。通過統(tǒng)計沿線10%滑坡災害，7%崩塌、地面沉降、黃土陷穴、潛在不穩(wěn)定斜坡災害、62%水毀災害形成的內(nèi)在因素是由地層巖性起主導控制。

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(7)地下水:地下水是影響斜坡穩(wěn)定性的關鍵因素之一，降雨對坡體穩(wěn)定性的影響最終也是落在地下水的作用上。其作用主要表現(xiàn)在兩個方面:一是地下水水位的上升增加了巖土體的荷載，加大了坡體的重力，從而增加了坡體的滑動力;二是地下水的存在使斜坡的力學強度降低，地下水在運移過程中往往軟化土層并潤滑結(jié)構(gòu)面，促使斜坡失穩(wěn)。

4.4 沿線地質(zhì)災害對管道的危害特征

蘭州－鄭州－長沙成品油輸油管道甘肅段發(fā)育的地質(zhì)災害類型主要為滑坡、崩塌、潛在不穩(wěn)定斜坡、水毀、黃土陷穴等。災害規(guī)模以小型為主，次為中型。

由于輸油管道采用地埋方式，具有埋深淺(埋深2 m左右)、薄殼、線狀及內(nèi)含高壓易燃易爆介質(zhì)的性質(zhì)，決定了管道沿線地質(zhì)災害對管道的危害有其特殊性，較小的地質(zhì)災害也可能造成對管道的重大危害。因此，災害規(guī)模不是導致其危害性大小的決定因素，而要以致災體與管道之間的相互關系來確定。而且不同類型的災害對管道危害特征、危害程度也不盡相同，其危害和破壞方式特征主要表現(xiàn)為露管、懸管、擠壓彎曲變形等。不同的災害種類對管道的危害表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)滑坡、崩塌、潛在不穩(wěn)定斜坡災害的危害

在滑坡體上的管道，如果滑坡滑動時，將會造成管道同步變形，下滑力將會造成管道發(fā)生大的變形，降低其輸送能力或使用壽命，甚至會使管道發(fā)生剪切破壞。處在滑坡邊界或前后緣的管道，在滑坡發(fā)生時，將會受到擠壓，發(fā)生彎曲變形，或者懸管，影響管道安全。

在崩塌災害體下的管道，會受到崩塌墜落物的直接沖擊力，沖擊力過大，就會造成管道受損、破裂造成漏油。在崩塌災害體后緣的管道，會因前緣巖土體的崩塌發(fā)生，而形成懸管，嚴重時發(fā)生彎曲變形或斷管。

(2)河溝道水毀災害的危害

管道穿越?jīng)_溝、河道的管段，主要表現(xiàn)為河床下切、岸坡側(cè)蝕作用，導致管道上方覆蓋層變薄、岸坡垮塌，造成露管或懸管，同時受流水及所夾雜的浮木、樹枝和漂石沖(撞)擊下將導致管道防腐層甚至管道本身破裂，形成更嚴重危害。

管道、伴行路沿溝谷布設的管段，沖溝、河道的側(cè)蝕、沖刷導致水工保護工程、伴行路沖毀，管道出現(xiàn)裸露、懸空或受側(cè)向擠壓發(fā)生彎曲，可能導致伴行路中斷、管道泄漏等險情。

(3)坡面水毀及臺田地水毀災害的危害

水毀一般使管道發(fā)生裸露、懸管，或使管道上方覆蓋層變薄，形成安全隱患。這種災害特點在甘肅段黃土地區(qū)尤為明顯，其特點為分布廣、發(fā)育多。

(4)黃土陷穴和濕陷性災害的危害

黃土洞穴是在黃土中發(fā)育的、以自然形成為主的地下空洞，形成黃土洞穴的主要營力為水力侵蝕作用，并伴隨有重力侵蝕作用、風化作用等。具有濕陷性的全新世黃土和馬蘭黃土層有利于黃土洞穴的發(fā)育，濕陷性黃土厚度一般在8～15 m之間，受濕陷性黃土厚度控制，洞穴發(fā)育深度一般不大于20 m。

黃土洞穴和黃土濕陷性的存在，它可以誘發(fā)黃土地區(qū)的滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災害，加劇水土流失，改變地下水的補、徑、排條件等，對管道構(gòu)成較大的危害。

4.5 各類地質(zhì)災害的防治措施

管道沿線地質(zhì)災害的防治措施應借鑒已有的成功經(jīng)驗，以管道安全為根本，同時考慮經(jīng)濟節(jié)約和新技術應用。防治措施總體概括包含工程治理措施、監(jiān)測預警措施，避讓措施。

工程措施包括排水工程、支擋措施、加固措施、防水流下蝕及側(cè)蝕措施、坡面及臺田地水毀防治措施。

(1)工程措施

地表排水工程包括災害體外攔截地表水的截水溝和災害體內(nèi)防止入滲和截集引出地表水的排水溝。地下排水常用截排水盲溝。

在改變斜坡幾何形態(tài)和排水不能保證斜坡穩(wěn)定時，常用支擋結(jié)構(gòu)物如檔墻、抗滑樁、攔石柵或斜坡內(nèi)部加固措施如錨固、土錨釘?shù)葋矸乐够蚩刂菩逼聨r土體的穩(wěn)定性。

對斜坡內(nèi)部進行加固多采用錨固工程。將錨桿或錨索的錨固段固定于潛在破壞面以下的穩(wěn)定地層之中，施加的張應力增加錨拉方向的正應力，從而增大了破壞面上的抗滑力。錨桿或錨索與格構(gòu)聯(lián)合使用，可以發(fā)揮更好的防治效果，錨固力通過格構(gòu)傳遞給坡面，從而保持邊坡的穩(wěn)定。而且格構(gòu)之間的坡面可以填土和植草以美化環(huán)境。

防水流下蝕及側(cè)蝕措施主要為防沖坎及護岸擋墻。目前，該措施在蘭鄭長管道沿線穿越河溝道位置被廣泛應用，有效保護了管道的安全。

蘭鄭長管道沿線坡面及臺田地水毀發(fā)育，此類水毀災害的防治措施主要為修筑草袋護坡結(jié)合坡腳漿砌石擋墻。目前，在蘭鄭長管道沿線被廣泛應用，也有部分點采用灰土夯填、下部擋墻上部隔梁護坡的措施。

(2)監(jiān)測、預警措施。沿線調(diào)查所發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)災害或隱患點均直接或間接危害管道及伴行路的安全，對活動明顯，穩(wěn)定性差的災害點均采工程措施進行治理，以達到徹底根治的目的。對災害體活動不明顯僅有發(fā)展趨勢的潛在不穩(wěn)定斜坡、水毀和路基外側(cè)小規(guī)模塌方等建議進行目視監(jiān)測;對個別大規(guī)模古滑坡隱患點，對滑坡的活動程度不明確，對滑坡一旦復活難于治理的災害點建議進行專業(yè)監(jiān)測。

(3)避讓措施

對大型滑坡災害點經(jīng)過監(jiān)測或勘察確定為難以治理的，或治理費用巨大的，建議采取避讓措施。

5 結(jié)語

通過對蘭鄭長輸油管道甘肅段沿線發(fā)育的地質(zhì)災害類型、特征的分析、統(tǒng)計，認為:管道沿線地質(zhì)災害的發(fā)育、發(fā)生是各類內(nèi)在影響因素和外在誘發(fā)因素共同作用的結(jié)果。在對管道沿線地質(zhì)災害的預防和治理中，應該綜合考慮各類因素的影響作用，在加強監(jiān)測、排查的同時，應根據(jù)災害形成的內(nèi)在影響因素和外在誘發(fā)因素采取安全可靠、經(jīng)濟合理的防治措施。

［1］張仲福，丁國軒等，蘭鄭長甘肅段地質(zhì)災害調(diào)查與治理規(guī)劃報告［M］，甘肅工程地質(zhì)研究院，2010.

［2］王鴻，長輸管道水工保護工程施工技術手冊［M］.北京:中國計量出版社，2006.

［3］茹慧靈，孫孌芬等，油氣管道保護技術［M］.北京石油出版社，2007.