埋地管道系統(tǒng)地下水毀類型及其辨識

李又綠，關(guān)惠平，蔣宏業(yè)，尹 平

(1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500;2.成都大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，四川 成都 610106;

3.中國石油西南油氣田公司，四川 成都 610051)

埋地管道系統(tǒng)地下水毀類型及其辨識

李又綠1，關(guān)惠平2，蔣宏業(yè)1，尹 平3

(1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500;2.成都大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，四川 成都 610106;

3.中國石油西南油氣田公司，四川 成都 610051)

水毀是埋地管道系統(tǒng)一種常見的環(huán)境及地質(zhì)災(zāi)害，包括地面水毀和地下水毀2種基本作用形式.相對于地面水毀，地下水毀因其所具有的隱蔽性和顯露于地表的滯后性，對管道系統(tǒng)的安全完整性構(gòu)成了更高風(fēng)險(xiǎn).根據(jù)管周土體內(nèi)地下水的流態(tài)形式，將管道地下水毀劃分為管道滲流水毀和管底槽流水毀2個(gè)亞類，分別闡述了它們的致災(zāi)機(jī)理及其影響因素，最后給出了辨識標(biāo)志.

埋地管道系統(tǒng);安全完整性管理;地下水毀類型;辨識標(biāo)志

0 引言

作為埋地輸流管道系統(tǒng)的重要組成部分，管周巖土體的性狀必然受到來自地表水和地下水的機(jī)械侵蝕作用.按照動力介質(zhì)的賦存和運(yùn)動規(guī)律以及水毀發(fā)生部位，可將埋地輸流管道水毀劃分為地面水毀和地下水毀2種基本類型［1－2］.目前，對埋地輸流管道水毀的研究主要集中在地面水毀［3－5］，而對其地下水毀致災(zāi)機(jī)理及其工程防控的專門研究則不多見.地下水流對埋地輸流管道系統(tǒng)的破壞發(fā)生于地下，不但可向地下更深處發(fā)展，還可通過其他環(huán)境及地質(zhì)災(zāi)害形式，如地面沉降和地面塌陷，波及或暴露于地表.由于管道地下水毀發(fā)生及其發(fā)展的隱蔽性和波及或顯露于地表的滯后性，常不為巡線人員所發(fā)現(xiàn).當(dāng)?shù)叵滤畾э@露于地表時(shí)，其造成的管道系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)通常已達(dá)到中等程度以上，給管道安全完整性管理帶來了巨大的困難.

1 管道地下水毀類型及其特點(diǎn)

地下水流對埋地管道系統(tǒng)的機(jī)械破壞作用主要是通過改變和破壞管周巖土體的性狀來實(shí)現(xiàn)的.地下水流態(tài)形式的不同，具有對管周巖土體性狀不同的破壞與改造作用;反之，管周巖土體性狀的不同，也可使地下水流具有不同的流態(tài)形式.根據(jù)工程實(shí)際，管道地下水毀可劃分為管道滲流水毀和管底槽流水毀.

1.1 管道滲流水毀及其特點(diǎn)

管道本體的不透水性，使非平行于管道的滲流圍繞管道本體做繞流運(yùn)動.當(dāng)滲流速度不大(低雷諾數(shù)，Re?1)時(shí)，管周上下游的滲流場流線大致對稱，且其影響范圍可達(dá)較遠(yuǎn);當(dāng)滲流速度較大(高雷諾數(shù)，Re≥10)時(shí)，管周上下游滲流場流線的對稱性基本喪失，其對下游的影響范圍也遠(yuǎn)比上游的更大(見圖1).在滲流量和管道上方的地下水位基本不變的情況下，因管周滲流的過水?dāng)嗝嬉驯粔嚎s，導(dǎo)致滲流的實(shí)際流速增大，提高了滲流路徑(管道)起動和挾帶巖土顆粒能力，從而逐步改變了管周巖土體的密實(shí)性和壓縮性.

圖1 管周巖土體內(nèi)滲流的高速繞流運(yùn)動(Re≥10)

1.2 管底槽流水毀及其特點(diǎn)

因輸流管道激勵振動和管溝挖填施工等原因，不但破壞了管周巖土體原有的性狀及其與自然因素之間已經(jīng)達(dá)成的平衡狀態(tài)，而且在管道本體與管周巖土體之間接觸面易形成縫隙，其對管周地下滲流具有一定程度的集流功能，使部分滲流極易在管底縫隙處匯集形成集束狀(股狀)地下逕流，且當(dāng)其以一定的流速沿管道底部的間隙持續(xù)流動時(shí)，可對管底巖土體產(chǎn)生沖刷，并可沿管道走向逐漸形成和擴(kuò)大管底溝槽(見圖2).因此，管底槽流水毀是特定條件下管道滲流水毀進(jìn)一步發(fā)展的必然結(jié)果.

圖2 管底溝槽式地下逕流運(yùn)動示意圖

2 管道地下水毀致災(zāi)機(jī)理及影響因素

2.1 管道滲流水毀致災(zāi)機(jī)理及其影響因素

2.1.1 管道滲流水毀致災(zāi)機(jī)理.

管周巖土體的滲流破壞實(shí)際上就是通過滲流及其水動力特性引起管周巖土體性狀的改變而導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)發(fā)生變形甚至破壞來實(shí)現(xiàn)的.當(dāng)滲流路徑與管道走向基本一致時(shí)，可使管道本體沿滲流路徑發(fā)生持續(xù)沉降(見圖3)，并逐步改變局段管道本體的應(yīng)力狀態(tài);當(dāng)滲流路徑斜交于管道走向時(shí)，可在通過管道處出現(xiàn)陷穴(見圖4)或使局段管道本體與巖土體之間出現(xiàn)虛脫.

圖3 管道順向滲流引發(fā)管溝沉降

圖4 管道斜向滲流引發(fā)陷穴

2.1.2 管道滲流水毀影響因素.

管道滲流水毀的發(fā)生及其發(fā)育程度與滲流特性密切相關(guān).除水動力因素外，影響著滲流特性的因素還有很多，其中最為重要的因素是巖土體的透水性.對土體而言，土體內(nèi)孔隙裂隙的大小、多少、形狀、分布以及土顆粒的粒徑、形狀、均勻程度、排列方式等均是滲流特性的影響因素.在特定條件下，水的粘滯性對其滲透能力也有相當(dāng)重要的影響.

2.2 管底槽流水毀致災(zāi)機(jī)理及其影響因素

2.2.1 管底槽流水毀致災(zāi)機(jī)理.

管底槽流對管溝及其基底巖土體的持續(xù)沖刷，可使其快速出現(xiàn)大形變甚至完全被破壞，導(dǎo)致管道本體底部長距離懸空(見圖5)，出現(xiàn)沿管道走向的串珠狀陷穴(見圖6)或線狀地面塌陷(見圖7)，并削弱或減少管道激勵振動約束，使管道本體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變和加速管道疲勞.因此，管底槽流水毀對埋地管道系統(tǒng)的安全完整性最具威脅.

圖5 管底槽流造成管道懸空

圖6 管底槽流引發(fā)沿管道走向的串珠狀陷穴

圖7 管底槽流引發(fā)沿管線走向的線狀地面塌陷

2.2.2 管底槽流水毀致災(zāi)影響因素.

由于在管底形成并逐步發(fā)展的溝槽具有槽壁透水，且溝槽性狀常隨滲流沖刷發(fā)生變化以及溝槽內(nèi)水流具有挾帶泥沙能力等特點(diǎn).因此，管底溝槽的形態(tài)是槽內(nèi)水流與溝槽相互作用的結(jié)果，即管底溝槽既對槽內(nèi)水流起著邊界控制作用，同時(shí)又被槽內(nèi)水流不斷改變其形態(tài).故，管底槽流水毀的發(fā)生與發(fā)展主要是受控于溝槽槽壁的泥沙起動條件和溝槽水流所具有的挾沙能力.

3 管道地下水毀類型的辨識要素

管道系統(tǒng)地下水毀具有隱蔽性和顯露于地表的滯后性，因此，在工程堪探過程中，除采取工程物探法外，在現(xiàn)場還可根據(jù)辨識標(biāo)志對其進(jìn)行初步辨識和預(yù)判，具體如表1所示.

表1 管道地下水毀辨識要素

對于管道滲流水毀，大多出現(xiàn)在地形較為平緩、細(xì)粒土及碎石土體的管段，當(dāng)滲流路徑平行于管道走向時(shí)，其水毀形式多表現(xiàn)為長距離管溝沉降;當(dāng)滲流路徑斜交于管道走向時(shí)，在滲流通過管道處形成陷穴是其水毀形式.對于管底槽流水毀，大多出現(xiàn)在坡地和臺田地、細(xì)粒土體的管段，其水毀辨識標(biāo)志為沿管道走向出現(xiàn)串珠狀陷穴和線狀地面塌陷.在北方旱地改為水澆地的管段，上述地下水毀辨識要素普遍存在.

4 結(jié)論

管道系統(tǒng)地下水毀是極為特殊的水毀形式.由于其隱蔽性強(qiáng)，地表辨識難以把握而不易被發(fā)現(xiàn)，常為巡線人員及管道運(yùn)營單位所遺漏.正因?yàn)槿绱?，管道系統(tǒng)地下水毀對管道安全完整性管理更加具有風(fēng)險(xiǎn)性.因此，掌握管道系統(tǒng)地下水毀的辨識標(biāo)志自然成為了管道安全完整性管理工作極其重要的工作要求之一，而科學(xué)正確、實(shí)際合理地建立管道系統(tǒng)地下水毀的辨識要素及其地面辨識標(biāo)志，對于管道系統(tǒng)的安全完整性管理和工程緩解方案的制定，以及工程措施的選用，均具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義.

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Classification and Identification of Groundwater Damage in Buried Pipeline System

LI Youlu1，GUAN Huiping2，JIANG Hongye1，YIN Ping3
(1.School of Petroleum Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China;2.School of Urban and Rural Construction，Chengdu University，Chengdu 610106，China;3.Southwest Oil and Gas Field Company of CNPC，Chengdu 610051，China)

Water damage is one of the most common environmental and geological disasters in the buried pipeline system，and the surface water damage and the groundwater damage are the two basic forms.With respect to the surface water damage，the groundwater damage has higher risk for the safety and integrity of the pipeline system because of its concealment and the time lag revealed on the surface.According to the groundwater flow pattern in the soil around the pipeline，the groundwater damage is subclassified into the seepage damage and the groove-stream damage at the pipeline bottom.This paper expounds the damage mechanism and the influencing factors，and presents the identification mark.

buried pipeline system;safety and integrity management;type of groundwater damage;identification mark

TE832.2;TE88

A

1004－5422(2014)01－0089－03

2013－11－11.

李又綠(1973—)，男，講師，從事油氣管道與站庫的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與完整性管理研究.