濕陷黃土地區(qū)煤層氣集輸管道水工保護技術

萬濤 張炳俊

【摘要】：煤層氣是重要的非常規(guī)能源，目前我國已投入開發(fā)的煤層氣田多分布在濕陷性黃土地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失嚴重，集氣管道建設面臨水土防護難題。本文結合延川南氣田集輸管線雨季水毀情況，從幾個方面分析了集氣管線水力破壞原理與危害類型。針對集氣管道水力破壞原理以及現(xiàn)場經(jīng)驗提出了幾種適合于不同條件的水工保護方式。

【關鍵詞】：濕陷性黃土； 煤層氣； 集氣管線； 防護結構； 水工保護

中圖分類號：TD84 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（a）-0000-00

中國的黃土分布面積西起甘肅祁連山脈東段，東至太行山脈，北起長城，南到秦嶺，地跨220多個縣市，面積約63萬多平方公里，其中濕陷性黃土面積約占27萬多平方公里，在山西、陜西、寧夏等省區(qū)均有廣泛分布。我國煤層氣資源主要分布在鄂爾多斯、沁水和滇東黔西等8個盆地，其中埋深2000米以淺的煤層氣資源量約為36.81×1012m3，與國內(nèi)陸上天然氣儲量相當[1]。目前國內(nèi)投入開發(fā)的煤層氣田主要位于鄂爾多斯盆地與沁水盆地，恰是濕陷性黃土的主要分布區(qū)，水土流失十分嚴重。

以延川南煤層氣田地面工程建設過程中的水土防護經(jīng)驗與教訓為例，分析濕陷性黃土地區(qū)煤層氣集氣管線水力破壞形式以及危害，并提出相應的管道防護措施。

1 濕陷性黃土的特征

濕陷性黃土顆粒間中存在毛細孔隙，顆粒依靠毛細張力膠結在一起。在毛細孔隙中懸浮有黃土小顆粒，當空隙中水分蒸發(fā)時顆粒間毛細水彎液面會發(fā)生退縮，在黃土顆粒周圍產(chǎn)生絮凝作用，給顆粒以支撐作用。但當水進入土中時，連接力大大減小，支托也會分散，黃土顆粒間聯(lián)結作用顯著減弱，產(chǎn)生濕陷效應[2]。

濕陷性黃土屬于弱聯(lián)結的粘性土壤，在含水量較低時具有較高的強度，在雨水沖刷條件下很容易造成水土流失。滲透性極差，雨水難以滲透到土層下蓄積，即使較小的雨量也可以形成較大的沖蝕災害。黃土在干燥狀態(tài)下具有很強的立壁性和吸水性。

2 濕陷黃土地區(qū)煤層氣集氣管線水土防護特點

2.1 氣田黃土情況

延川南煤層氣田位于山西省臨汾市境內(nèi)，黃土厚度介于8m到24m之間，屬于II～III級自重濕陷性黃土。其自重濕陷量介于158mm到400mm之間，總濕陷量介于246mm到690mm之間，濕陷起始壓力不大于162kPa。氣田黃土含水量約為13%，天然重度γ約為16kN/m3。從力學性質(zhì)分析，氣田所在地黃土屬中-低壓縮性黃土，地基承載力特征值約為150kPa[3]。

根據(jù)黃土的濕陷系數(shù)δs，可以將黃土濕陷性分為四類[4]：

<0.015，為非濕陷性黃土；0.015≤≤0.03，輕微濕陷性；

0.03<<0.07 中等濕陷性；>0.07 強烈濕陷性。

延川南氣田黃土濕陷系數(shù)與深度的關系如圖1所示，該地區(qū)屬中等濕陷性黃土地區(qū)。

2.2 煤層氣生產(chǎn)及水土防護特點

煤層氣是以吸附狀態(tài)儲存的非常規(guī)天然氣，其生產(chǎn)及水土防護具有以下特點：

（1）單井產(chǎn)能低（～1350m？/d），大規(guī)模的井網(wǎng)部署造成單位面積管道密度大（約為1.6～2.4km/km2）。黃土高原地區(qū)溝壑密度約為2.7～3.2km/km2，水工保護工作量大；

（2）煤層氣產(chǎn)建屬于低成本工程，水工保護工作也需要遵循低成本原則；

（3）煤層氣井排采見氣周期長（180d以上），生產(chǎn)壓力低，集氣管道主要采用高密度聚乙烯（PE）管材。管道壓力等級低、管材強度低。

3集氣管線水力破壞原理與危害形式

因黃土高原地形影響，集氣管道水毀的主要動力因素為水力侵蝕和土壤失陷。濕陷性黃土地區(qū)集氣管線遭受水力損害主要分為暗流侵蝕，山洪沖刷、泥石流以及山壁垮塌幾種形式。

（1）管道沿程某處水流垂直侵蝕（或下切侵蝕）到管道外側，水流在覆土之下沿著管道向下流動，形成暗流對管周黃土沖刷侵蝕，造成管道懸空。當暗流侵蝕到一定程度后，表層黃土由于重力作用產(chǎn)生塌陷，直接作用在管道上，造成管道的機械損傷[5]。

（2）在山區(qū)遭遇大雨后，雨水沿著山谷、溝壑匯集聚結，形成暴漲洪水，對管線進行強烈的沖刷。極易造成管線的露管甚至被沖刷斷裂。

（3）具有濕陷性的黃土在遭遇大面積強降雨時，穩(wěn)定性遭遇嚴重破壞。大量的水體將黃土浸透，形成松軟的泥水混合物，流動沿途中沖擊并吸收各種固體堆積物質(zhì)，體積不斷變大。飽含水分的固體堆積物在重力作用下發(fā)生高速運動，對管道會產(chǎn)生強烈的沖擊作用，導致管道損傷[6]。

（4）濕陷性黃土的立壁性在干燥條件下強度較好，在遭遇雨水浸泡后，雨水垂直滲入黃土中的縱向裂縫中，黃土的立壁性會遭到破壞，發(fā)生山壁的整體垮塌。會將管線拉扯變形甚至斷裂或可能導致管道的機械損傷。

4 管線水土防護措施

濕陷性黃土地區(qū)集氣管道的水土保護工程按照施工形式可以分為：夯筑、砌筑、澆筑、混凝土現(xiàn)澆、樁柱防護等。延川南煤層氣管線水保措施主要采用了消能臺階、草袋防護、箱涵、護岸護坡、擋土墻等。

4.1 消能臺階

據(jù)統(tǒng)計，黃土高于地區(qū)接近60%的土地為大于7°的山坡地區(qū)（緩坡）。在此類山坡上每隔一定距離建消能臺階，將雨水涵養(yǎng)在消能臺階上，使從坡上流下的沖刷雨水勢能歸零。不但減少了對管溝的沖刷也對雨水起了一定蓄積作用。

4.2 草袋防護

在不適合設置消能臺階的陡峭山坡，可采用素土夯實外加草袋裝土堆砌的方式做好對集氣管道的防護。草袋應注意采用適當?shù)亩哑龇绞讲⑦m應山坡的坡度，在草袋中裝土過程中播撒一定的野草種子，雨季過后野草長出，增強了草袋防護的強度。素土草袋容易施工，是較好的防護手段。

4.3 澆筑箱涵

處于溝谷底部以及陡峭山坡的集氣管道容易遭受山洪、泥石流的沖刷，須采用箱涵防護。將管周虛土碎石清除至露出基巖（硬土）后，可以利用模具進行箱涵的澆筑。箱涵澆筑一般采用C20混凝土以及Φ7的螺紋鋼筋?；炷烈约颁摻钣昧靠筛鶕?jù)管道大小以及山洪強度頻率現(xiàn)場調(diào)整。

4.4 漿砌護坡

對于常年有水流過、季節(jié)性洪水沖刷嚴重以及坡度較大的陡峭地段，集氣管道防護方式主要為漿砌護坡。采用2：8灰土將地基夯實后，用漿砌石和水泥砂漿砌筑護坡。水泥砂漿強度不宜小于M5，漿砌石強度不小于MU20。漿砌護坡具有美觀大方，堅固持久，抗沖刷能力強等優(yōu)點。

4.5 鋼樁擋土墻

針對沿邊坡或者陡崖公路邊通過的集氣管線，宜采用鋼樁擋土墻。砌筑前需間隔1.5～2.5米打鋼樁（入土深度不小于2米），并將鋼樁之間用鋼片連接，鋼樁內(nèi)側采用2：8灰土裝填草袋壓實。 集氣管道在草袋內(nèi)側敷設，管道回填土須分層夯實。

4.6 漫水公路

在管線穿越小型河流時可采用漫水公路防護。漫水公路鋪設前需先在基巖上開槽敷設管道，管道四周采用細沙壓實，公路路面宜采用C20混凝土，鋼筋宜采用Φ12的螺紋鋼。漫水公路防護效果好，抗沖擊能力強，但造價高，施工復雜。

5 結論

采取相應的防護措施后，延川南煤層氣田集氣管道雨季受損現(xiàn)象得到了很大改觀，水土保持工作取得了良好的效果。根據(jù)延川南煤層氣田實際情況，本文總結了濕陷性黃土特點、煤層氣水工保護的特點、集氣管線水利破壞的原理和危害以及相應的水土防護措施，得出以下結論：

（1）濕陷性黃土具有滲透性差、抗侵蝕能力弱、遇水濕陷崩解的特點。

（2）水流對濕陷性黃土的危害主要為侵蝕、沖刷及垮塌幾種方式。

（3）各類水保結構均有不同的特點和防護效果，應該根據(jù)現(xiàn)場條件因地制宜，選取合適的防護方式。

參考文獻：

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