長輸管道河溝道水毀危害探析

孫志忠，張滿銀，謝 榮，卡毛措，王生新

(1.甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所，甘肅蘭州 730000;2.蘭州大學(xué)環(huán)境遙感與地質(zhì)災(zāi)害研究中心，甘肅蘭州 730000)

0 引言

近年來，我國長輸管道工程建設(shè)進入了迅速發(fā)展階段，截至2013年底，投產(chǎn)運營管線累計長達(dá)9.85 ×104km，逐漸形成了東西南北互通的能源管網(wǎng)。長輸管道通常穿越山地、丘陵、河溝谷、平原等多種地貌單元，沿線地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜多變，長期遭受崩塌、滑坡、泥石流、河溝道水毀、坡面水毀等管道地質(zhì)災(zāi)害的威脅［1－4］。其中，普遍發(fā)育的河溝道水毀災(zāi)害輕則造成管道埋深不足或局部出露，重則造成管道長距離懸空、變形、扭曲、斷裂等，嚴(yán)重威脅管道運營安全，且每年都要耗費大量資金進行防治［5－8］。

藉此，在長期管道地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與風(fēng)險評價基礎(chǔ)上，初步探討了河溝道水毀發(fā)育現(xiàn)狀、破壞方式及危害特征，并進行危害程度對比分析，以期對河溝道水毀危害機制有更深入、系統(tǒng)的認(rèn)識，也將為長輸管道建設(shè)期選線和運行期管道地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、風(fēng)險評價及防治提供理論依據(jù)。

1 河溝道水毀發(fā)育現(xiàn)狀

2008年，忠武輸氣管道發(fā)育河溝道水毀1239 處，主要分布在渝東顎西山與大別山一帶，線密度0.90 處/km，中等以上風(fēng)險點比例約27.0%。2010年，蘭鄭長成品油管道(信陽—長沙段)發(fā)育河溝道水毀2409 處，線密度高達(dá)3.22處/km［9］。2009—2014年，分別進行了甘肅、青海、新疆三省(區(qū))境內(nèi)敷設(shè)的西氣東輸一線、西氣東輸二線、西氣東輸三線、烏魯木齊—蘭州輸油管道、甘肅慶城縣供水管道、澀寧蘭輸氣管道、澀寧蘭輸氣復(fù)線、輪南—吐魯番輸氣支干線、輪南—庫爾勒輸油管道、輪南—庫爾勒輸氣管道、庫爾勒—鄯善輸油管道等長輸管道沿線地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與風(fēng)險評價工作，其結(jié)果詳見表1所示。

由表1得，長輸管道沿線發(fā)育的河溝道水毀點約占地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查點總量的36.3%，平均線密度0.13 處/km，為西北地區(qū)最為常見災(zāi)害類型之一，尤其在甘肅長嶺山北麓、青海拉脊山一帶最為發(fā)育。受氣象水文、地形地貌等地質(zhì)環(huán)境的影響，新疆、甘肅、青海境內(nèi)長輸管道河溝道水毀發(fā)育線密度依次呈遞增趨勢。依據(jù)河溝道水毀風(fēng)險評價統(tǒng)計結(jié)果，較高以上風(fēng)險點比例均值約27.6%，中等以上風(fēng)險點比例均值高達(dá)60.1%;對比發(fā)現(xiàn)，澀寧蘭輸氣復(fù)線和輪南—庫爾勒輸油管道沿線河溝道水毀風(fēng)險性高于其他管段。

綜上所述，河溝道水毀是長輸管道沿線最為發(fā)育、且風(fēng)險性較大的地質(zhì)災(zāi)害類型之一，屬于重點調(diào)查、評價和防治的對象。

表1 長輸管道河溝道水毀調(diào)查統(tǒng)計與風(fēng)險評價結(jié)果一覽表Tab.1 Investigation and risk assessment results of long-distance pipeline water-logging

2 河溝道水毀破壞方式

在相關(guān)學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合1089 處河溝道水毀點野外調(diào)查、統(tǒng)計分析成果，將長輸管道河溝道水毀破壞方式劃分為河溝床沖刷下切、河溝床淤積抬升和岸坡坍塌3 類;其影響因素主要包括降雨、匯流面積、微地貌形態(tài)、河溝道縱比降、河溝道橫斷面形態(tài)、巖性及人類工程活動等。

2.1 河溝床沖刷下切

河溝床長期處于沖淤交替的動態(tài)變化中，當(dāng)沖刷占據(jù)主導(dǎo)地位時，河溝床將持續(xù)下切，同時增加河溝道切割深度。河溝床沖刷下切普遍發(fā)育，多發(fā)生于陡傾斜平原區(qū)、山間溝道、山麓等地帶。依據(jù)沖刷下切寬度范圍可劃分為河溝床整體下切和河溝床局部下切;依據(jù)沖刷下切速率可劃分為迅速下切和緩慢下切。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，河溝床局部下切對長輸管道的危害程度大于整體下切;河溝床一次性迅速下切對長輸管道的危害風(fēng)險遠(yuǎn)大于長期緩慢下切。

2.2 河溝床淤積抬升

當(dāng)淤積占據(jù)主導(dǎo)地位時，河溝床將持續(xù)抬升，同時降低河溝道切割深度，因其發(fā)育速率緩慢，可歸類為漸變性地質(zhì)災(zāi)害。河溝床淤積抬升多發(fā)生于緩傾斜細(xì)土平原區(qū)、盆地中部、泥石流堆積區(qū)等地帶。例如，輪南—庫爾勒輸油、輸氣管道穿越輪南一帶，地處塔里木盆地西北緣，地形平緩，河溝道縱比降2～5‰，水流緩慢，良好的沉積環(huán)境使得河溝床不斷淤積、抬升，不僅淤埋陰保樁等管道附屬設(shè)施，而且威脅跨越段管道安全。

2.3 岸坡坍塌

受河溝道自然擺動影響，兩側(cè)岸坡坍塌發(fā)育普遍，且規(guī)模不等。在渦旋水流長期側(cè)蝕、掏蝕、潛蝕等綜合作用下，凹岸多呈陡坡、陡坎、陡崖狀，重力侵蝕進一步加劇岸坡失穩(wěn)發(fā)生坍塌、崩塌、滑坡等次生地質(zhì)災(zāi)害。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，岸坡坍塌主要發(fā)育于黃土高原、低中山區(qū)和河溝谷地帶，嚴(yán)重威脅長輸管道穿越段、跨越段、順岸坡敷設(shè)段及其附屬設(shè)施等的安全。

3 長輸管道河溝道水毀危害特征

長輸管道河溝道水毀危害與其敷設(shè)方式之間的相對空間關(guān)系包括“交切”與“平行”兩種模式，可進一步劃分為長輸管道穿越河溝道、長輸管道跨越河溝道、長輸管道順河溝床敷設(shè)和長輸管道順岸坡敷設(shè)4 種類型。不同敷設(shè)方式下可能存在的河溝床沖刷下切、淤積抬升和岸坡坍塌等危害特征各異，進而對長輸管道的危害程度也不盡相同。

3.1 長輸管道穿越河溝道

長輸管道穿越河溝道是指管道通過大開挖、頂管等施工方法從河溝床底部通過河溝道，可細(xì)分為直交穿越和斜交穿越。相比之下，直交穿越管道受威脅長度最短，水毀防治費用較低，但受線路總體走向及區(qū)域環(huán)境的限制，部分穿越難免斜交河溝道。

長輸管道穿越河溝道時，河溝床沖刷下切可能導(dǎo)致管道埋深不足、局部出露或懸空(圖1);河溝床淤積抬升增加管道埋深，可能淤埋陰保樁等附屬設(shè)施;岸坡坍塌可能導(dǎo)致管道埋深不足或局部出露。在水流及其攜帶砂石的沖擊、摩損和碰撞等作用下，局部出露或懸空的管道可能會發(fā)生防腐層損壞、管壁局部凹陷、扭曲變形，甚至斷裂等現(xiàn)象。

3.2 長輸管道跨越河溝道

長輸管道跨越河溝道是指管道在套管、管橋等附屬構(gòu)筑物的保護支撐下架空、高于河溝槽面越過河溝道的敷設(shè)方式，一般多采用直交最短線路跨越。長輸管道跨越河溝道時，河溝床沖刷下切破壞雖然持續(xù)發(fā)育，但不會對管道安全構(gòu)成直接威脅。而河溝床淤積抬升會不斷降低跨越段管道的臨空高度，對后期高水位攜砂石水流過流時的沖擊、磨損、碰撞等危害構(gòu)成隱患，也反過來影響到了河溝谷的過流能力(圖2);岸坡坍塌可能會導(dǎo)致跨越端兩側(cè)的管道埋深不足、局部出露或基礎(chǔ)不穩(wěn)，其長距離懸空可能發(fā)生管段變形、拉裂等。

圖1 河溝床沖刷下切致管道懸空(2011年)Fig.1 Pipeline suspending resulting from river trenches bed scouring and cutting

圖2 高水位攜砂洪流沖擊致管道變形(2011年)Fig.2 Pipeline deformation resulting from high water level sand-carrying torrent shock

3.3 長輸管道順河溝床敷設(shè)

長輸管道順河溝床敷設(shè)時，其敷設(shè)段均有遭受河溝床沖刷下切、淤積抬升和岸坡坍塌危害的可能。同樣，河溝床沖刷下切可能會導(dǎo)致管道埋深不足、局部出露或懸空，在水流及其攜帶砂石的進一步?jīng)_擊、碰撞作用下，易發(fā)生防腐層損壞、管壁局部凹陷、扭曲變形、斷裂等(圖3);河溝床淤積抬升逐漸增加管道埋深，可能會淤埋陰保樁等附屬設(shè)施;岸坡坍塌可能會壓埋管道、損壞陰保樁等附屬設(shè)施。

圖3 溝道變窄引發(fā)高速洪流致管道出露、損壞(2013年)Fig.3 Pipeline exposure and damage resulting from high-speed torrent caused by the narrowing of river trenches

圖4 岸坡坍塌、后退逼近管道(2012年)Fig.4 Pressing on pipelines resulting from bank slope collapsing and retreating

3.4 長輸管道順岸坡敷設(shè)

長輸管道順岸坡敷設(shè)時，河溝床沖刷下切和淤積抬升一般不會直接威脅管道安全;岸坡坍塌、后退可能會導(dǎo)致管道局部出露、懸空、變形、斷裂等(圖4)。

4 管道河溝道水毀危害程度對比分析

綜上，河溝道水毀破壞方式、管道敷設(shè)方式及其與水毀點的位置關(guān)系等均能影響水毀點的危害程度。按層次分析法構(gòu)造模型，將河溝床沖刷下切、河溝床淤積抬升、岸坡坍塌依次計為A1、A2、A3;長輸管道穿越河溝道、長輸管道跨越河溝道、長輸管道順河溝床敷設(shè)、長輸管道順岸坡敷設(shè)依次計為 B1、B2、B3、B4;二者組合為AiBj(i=1，2，3;j=1，2，3，4)，可簡化為Uij(i=1，2，3;j=1，2，3，4)。

4.1 判斷矩陣構(gòu)造

采用Saaty 提出的層次分析法［10］，利用表2中1～9 標(biāo)度進行評價因素兩兩比較，構(gòu)建Uij判斷矩陣，結(jié)果詳見表3所示。

4.2 權(quán)向量計算

采用Matlab 進行計算，表3判斷矩陣最大特征值λmax=12.98，歸一化特征向量(權(quán)向量)W=(W11，W12，W13，W14，W21，W22，W23，W24，W31，W32，W33，W34)=(0.191，0.026，0.273，0.023，0.019，0.053，0.026，0.016，0.084，0.060，0.035，0.197)。依據(jù)權(quán)向量，長輸管道河溝道水毀危害程度由高至低依次為U13，U34，U11，U31，U32，U22，U33，U12，U23，U14，U21，U24。由此可見，管道順持續(xù)沖刷下切的河溝床敷設(shè)時，水毀危害程度最高;管道順岸坡敷設(shè)時，河溝床淤積抬升造成的危害程度最低。

4.3 一致性檢驗

判斷矩陣的可靠性或一致性采用一致性指標(biāo)CI與隨機一致性比率CR來檢驗，詳見式(1)、式(2)所示。

表3 長輸管道河溝道水毀危害程度判斷矩陣Tab.3 Judgment matrix of waterlogging hazard degrees of long-distance river trenches

式中:CI為判斷矩陣一致性指標(biāo);CR為判斷矩陣隨機一致性比率;λmax為判斷矩陣最大特征值，取12.98;n為判斷矩陣階數(shù)，取12;

RI為平均隨機一致性指標(biāo)，取1.54。

由上式計算得到一致性比率CR等于0.06，小于顯著性水平0.10，故判斷矩陣具有較滿意的一致性。

4.4 評價結(jié)果對比分析

當(dāng)河溝床處于持續(xù)沖刷下切狀態(tài)時，不論管道是穿越河溝床還是順河溝床敷設(shè)均存在高危險性，可能在一次或數(shù)次洪水沖蝕作用下發(fā)生露管、漂管、斷裂等。故長輸管道建設(shè)期選線應(yīng)盡可能繞避高危險區(qū)，無法繞避時應(yīng)加強防護措施，確保管道安全運營。河溝道岸坡穩(wěn)定、河溝床淤積抬升區(qū)域，管道順岸坡敷設(shè)危險性最低，為最佳線路。

5 結(jié)論

(1)河溝道水毀是長輸管道沿線最為發(fā)育、風(fēng)險性較大的地質(zhì)災(zāi)害類型之一。

(2)河溝道水毀危害方式包括河溝床沖刷下切、河溝床淤積抬升和岸坡坍塌3 類。

(3)長輸管道河溝道水毀危害與其敷設(shè)方式之間的相對空間關(guān)系可劃分為管道穿越河溝道、管道跨越河溝道、管道順河溝床敷設(shè)和管道順岸坡敷設(shè)4 類。類型差異導(dǎo)致河溝床沖刷下切、淤積抬升和岸坡坍塌危害特征各異，近而對長輸管道的危害程度也不盡相同。

(4)采用層次分析法，進行不同敷設(shè)環(huán)境下長輸管道河溝道水毀危害程度對比分析，得到管道順持續(xù)沖刷下切的河溝床敷設(shè)時，水毀危害程度最高;管道順岸坡敷設(shè)時，河溝床淤積抬升對其危害程度最低。

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