輸油氣管道建設(shè)中的水土保持研究

倪振強(qiáng)

(聊城大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 山東 聊城 252000)

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輸油氣管道建設(shè)中的水土保持研究

倪振強(qiáng)

(聊城大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 山東 聊城 252000)

長距離的輸油氣管道建設(shè)引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害和水土流失類型多樣，空間分布差異大；會造成滑坡、泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，也會引起土壤結(jié)構(gòu)破壞和水土流失，影響區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。以西南地區(qū)的貴陽—重慶成品油管道工程為例，對建設(shè)過程中造成的地質(zhì)災(zāi)害和水土流失進(jìn)行了匯總、分析和研究，得到了其破壞機(jī)制和特點(diǎn)；并提出了相應(yīng)的防治建議：必須堅(jiān)持“預(yù)防為主、防治結(jié)合、因地制宜、因害設(shè)防、綜合治理”的方針和生態(tài)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)同步發(fā)展的原則。研究成果對輸油氣管道工程的水土保持研究具有重要的工程和科學(xué)意義。

輸油氣管道；水土保持；地質(zhì)災(zāi)害；水土流失；防治措施

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展及能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，能源需求量急劇增大，輸油氣管道敷設(shè)量激增[1]。目前發(fā)達(dá)國家已基本實(shí)現(xiàn)管道化，比如美國從1865年開始建第一條輸油管道，至今其輸油管道超過29×104km，輸氣管道已超過30×104km[2]。對于我國而言，目前只形成了部分區(qū)域氣管網(wǎng)，輸油氣管道建設(shè)處于發(fā)展階段。隨著長期的實(shí)踐探索，我國管道建設(shè)技術(shù)有了很大進(jìn)步。已經(jīng)初步形成了全方位、立體化的油氣輸送格局，如“北油南運(yùn)”、“西氣東輸”、“西油東進(jìn)”和“海氣登陸”等能源戰(zhàn)略的實(shí)施[3]。

迄今為止，在西南地區(qū)尚無發(fā)現(xiàn)大型油田，是我國唯一沒有大中型原油加工企業(yè)的地區(qū)。過去單靠鐵路運(yùn)輸具有較多缺點(diǎn)：運(yùn)距長、運(yùn)價(jià)高、安全性差等。管道運(yùn)輸具有一次性投資少、運(yùn)輸成本低和安全性高等特點(diǎn)[4]，可以使西南地區(qū)用油難的狀況得到很大改善。但西南地區(qū)有青藏高原、云貴高原和四川盆地，地形地貌主要以山地、丘陵為主。山地跨越我國一、二地形階梯，地貌類型多樣，地層巖性復(fù)雜，褶皺斷裂發(fā)育，是我國山地災(zāi)害最為嚴(yán)重的地區(qū)之一[5]。因此在西南地區(qū)修建輸油氣管道，將面臨眾多的地質(zhì)災(zāi)害挑戰(zhàn)。

管道建設(shè)中造成的地質(zhì)災(zāi)害對區(qū)域自然生態(tài)及社會環(huán)境造成一定的擾動，尤其會加重管道沿線區(qū)域的水土流失，影響區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[6-7]。本文以西南地區(qū)的貴陽—重慶成品油管道工程為例，對建設(shè)過程中造成的地質(zhì)災(zāi)害和水土流失進(jìn)行了匯總、分析和研究，對此類工程水土保持的防治提出了建議，具有重要的工程和科學(xué)意義。

2 建設(shè)地區(qū)的環(huán)境概況

輸油氣管道工程呈線狀延伸，屬于線狀開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目[8]。貴陽—重慶成品油管道工程，管道從位于貴州省界的松坎鎮(zhèn)酒店村到達(dá)重慶市邊界，在重慶市綦江縣華嘴村進(jìn)入重慶市，管線沿渝黔高速向北敷設(shè)，在長生橋西側(cè)，管線向正北方向敷設(shè)，繞經(jīng)南山森林公園東側(cè)后，管線向西北方向敷設(shè)，到達(dá)位于長江西岸川東化工廠的南側(cè)，然后管線向東穿越長江后，到達(dá)位于長江東岸邊的唐家沱油庫，即管道的終點(diǎn)重慶末站。管外徑為Ф323.9 mm，線路全長144 km。

管線除跨越、架空管段外，一般采用埋地敷設(shè)的方式。根據(jù)管線穩(wěn)定的要求，結(jié)合地形地質(zhì)條件，管線埋設(shè)深度為管頂覆土0.8～1.2 m，特殊地段架空敷設(shè)或地面敷設(shè)砌堤保護(hù)，石方段管溝超挖0.2 m，用以鋪墊細(xì)土管床，管線回填后，恢復(fù)地貌原狀。

管道途徑地區(qū)大多為山區(qū)及丘陵，地質(zhì)多為喀斯特地貌構(gòu)造。氣候?qū)僦衼啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，降雨充沛。擬建線路所在區(qū)內(nèi)地下水賦存豐富，主要類型為碳酸鹽巖巖溶水、基巖裂隙水和第四系松散巖類孔隙水。地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，逕流和排泄則受巖性、構(gòu)造及地貌的控制。管道沿線地區(qū)河流屬長江流域的綦江水系及長江干流。河流多為常年有水，水量豐富，河流的山區(qū)性特征明顯，大多數(shù)的河流上游，河谷開闊，水流平緩，水量小；中游河谷寬窄相間，水流湍急；下游河谷深切狹窄，水量大，水力資源豐富。

3 管道建設(shè)中地質(zhì)災(zāi)害與水土流失類型及分布

貴陽—重慶成品油管道段，特別是重慶段，工程地形復(fù)雜多變，地質(zhì)差異較大。管道施工中易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害和水土流失，常見的類型主要有滑坡、泥石流、土壤結(jié)構(gòu)破壞和養(yǎng)分流失等，詳見圖1。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害和水土流失類型Fig.1 Types of soil and water erosion and geological disaster

與普通的工程建設(shè)不同，由于輸油氣管道工程的獨(dú)特性，其施工引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害和水土流失具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1) 按線狀分布。由于管道是線狀延伸，施工中造成的地質(zhì)災(zāi)害和水土流失具有線性空間分布的特點(diǎn)。

(2) 類型變化大。由于管道途徑的地形復(fù)雜多變，地質(zhì)條件差異大，所以平地地區(qū)主要是農(nóng)田水土流失，山地地區(qū)主要是滑坡、泥石流等。

(3) 時(shí)空差異大。時(shí)空的差異性表現(xiàn)在時(shí)間分布和強(qiáng)度分布上。因管道修建的時(shí)間不同，所以一般地質(zhì)災(zāi)害和水土流失的集中發(fā)生在多雨的季節(jié)，具有一定的滯后性；因地質(zhì)情況和施工工藝及條件不同，所以造成的地質(zhì)災(zāi)害和水土流失強(qiáng)度也差別較大。

4 管道建設(shè)中的地質(zhì)災(zāi)害分析

4.1 滑 坡

輸油氣管道建設(shè)中的滑坡一般有2類：一類是由于大面積填土或棄土而引起的滑坡，另一類是由于開挖坡腳造成的滑坡。

第1類滑坡多發(fā)生在油庫建設(shè)的過程中。由于填土或棄土，雖經(jīng)過了碾壓、植草等措施的處理，但土體的固結(jié)時(shí)間較短，特別是巖土坡度較大時(shí)，在土體自重的作用下，回填土與原地形的分界線處容易發(fā)生滑動。進(jìn)入雨季時(shí)，大量雨水通過坡面裂縫滲入坡體內(nèi)部，其滲流作用會加速坡面的滑動，如圖2。

圖2 填土引起的滑坡Fig.2 Landslide caused by fill

第2類滑坡多發(fā)生在地質(zhì)條件較差的地段。管道施工時(shí)，由于坡腳的開挖，使原來坡體的力學(xué)平衡被打破，而出現(xiàn)的滑坡。由于管道開挖的深度較淺，所以這類滑坡一般都屬于淺層滑坡。發(fā)生這類滑坡的時(shí)候，基槽一般尚未回填，輕微時(shí)，坡體后緣出現(xiàn)滑裂縫；嚴(yán)重時(shí)，坡體變形較大，滑下的巖土體使基槽發(fā)生變形或破壞，必須進(jìn)行削坡減載后方能再正常施工。

滑坡的發(fā)生既危害油庫和管道的安全，也會危害民眾的生命安全。在重慶段，管道穿越了大量的山村，管道的開挖，使許多居民平房出現(xiàn)了裂縫。在滑坡治理時(shí)，要堅(jiān)持以保護(hù)管道和民眾的生命安全為中心，提早發(fā)現(xiàn)，綜合治理，突出重點(diǎn)。防治措施可采用整治坡腳、抗滑樁、擋土墻、護(hù)坡、排水等措施，控制和減輕滑坡災(zāi)害。

4.2 泥石流

眾所周知，泥石流發(fā)生需要3個(gè)必須條件：地質(zhì)條件—松散的碎屑物質(zhì)，地貌條件—陡峻的地勢，水源條件—充足的水[9]。

對于地質(zhì)條件，由于管道開挖后的回填土非常松散，因此產(chǎn)生泥石流的物質(zhì)來源比較豐富。對于地貌條件，貴陽—重慶成品油管道途徑大量的山區(qū)，相對海拔較高，地勢陡峻。對于水源條件，此條線路夏季降雨非常充沛，水源條件也能滿足。在滿足泥石流的發(fā)生條件后，就有可能對下游的公路和村寨造成破壞，必須在雨季來臨之前進(jìn)行調(diào)查、規(guī)范和防治。典型的可能引發(fā)泥石流災(zāi)害的地形如圖3。

圖3 典型的泥石流引發(fā)地形Fig.3 Typical terrain triggered by debris flow

泥石流的防治工程包括地貌恢復(fù)、生物水保、攔擋(蓄)工程、排導(dǎo)工程及溝道整治工程等幾類。其中地貌恢復(fù)是泥石流防治工程中的先行工作，如加強(qiáng)松散物質(zhì)的密實(shí)程度，消除工作平臺以減少匯水面積等，能有效減小泥石流的發(fā)生概率。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合其他的防治措施，做出合理的方案。

4.3 崩 塌

崩塌落石是山區(qū)常見的一種局部不良地質(zhì)現(xiàn)象，管道選線時(shí)應(yīng)予以避免。一些崩塌區(qū)是本來就存在危巖，而另一些崩塌則是管道施工開挖造成的或加劇的。由于崩塌落石在海拔較高的地方落下，具有非常大的動能，既容易砸傷管道，也危及下游民眾的安全。

崩塌落石引起的原因是多樣的，施工的擾動可以分為2類。第1類是平行于斜坡的走向，因?yàn)閹r質(zhì)較硬，管線開挖施工困難，因此常常需要爆破和風(fēng)鎬鉆探，這些施工造成的振動會引起崩塌落石。另一類是垂直于斜坡的走向，開挖施工中造成了巖土體的松動，或堆放的巖石形成了崩塌落石，如圖4。

圖4 施工引起的2種崩塌Fig.4 Two kinds of collapse due to construction

崩塌后的落石在坡面上的運(yùn)動軌跡和速度是比較復(fù)雜的，但破壞類型比較單一，其防護(hù)方法主要為選線和工程防護(hù)。選線時(shí)應(yīng)盡量避免大中型的崩塌落石區(qū)，對小型的崩塌落石區(qū)可采取工程防護(hù)。工程防治措施包括清除危巖、設(shè)置攔截措施(包括剛性擋墻及柔性防護(hù)網(wǎng))和危巖加固等措施。

4.4 其他地質(zhì)災(zāi)害

除了上述3種主要的地質(zhì)災(zāi)害，還會引發(fā)其他的一些地質(zhì)災(zāi)害，比如原有擋土墻失穩(wěn)、地面沉降、地裂縫等。

管道對原有擋土墻的破壞包括平行和垂直擋土墻的破壞，如圖5所示。當(dāng)管道平行于擋土墻時(shí)，由于擋土墻基底部分被挖，在土壓力的作用下?lián)跬翂θ菀资Х€(wěn)破壞。當(dāng)管道垂直擋土墻時(shí)，墻體的整體性被破壞，在土壓力和水的共同作用下，容易發(fā)生水土流失。這些擋土墻所處的位置有居民房處、公路處和梯田處等，在管道施工時(shí)，如防治不當(dāng)，會造成較大的損失。因此在管道施工中應(yīng)盡量保護(hù)原有擋土墻的穩(wěn)定性和完整性，破壞之處必須加以修補(bǔ)。

圖5 管道與擋土墻的關(guān)系Fig.5 Layout of pipeline and retaining wall

地面沉降和地裂縫的地質(zhì)災(zāi)害，則是由于管道開挖后需要回填，回填土的性質(zhì)很不均勻，固結(jié)穩(wěn)定的時(shí)間不一致而造成的。在穿越工程中，特別是穿越公路、江流的工程，如果管道上覆土體較差時(shí)，也容易出現(xiàn)地面沉降或是地陷。對于此類災(zāi)害，應(yīng)加強(qiáng)地貌的恢復(fù)，必要時(shí)可采取灌漿處理。

5 管道建設(shè)中水土流失的特點(diǎn)

輸油氣管道建設(shè)對原地貌和植被的破壞，是造成水土流失的主要原因。由于管道建設(shè)活動，土壤的結(jié)構(gòu)遭到了嚴(yán)重破壞。雖然隨著時(shí)間的推移，土的結(jié)構(gòu)性會逐漸恢復(fù)，但一般固結(jié)所需時(shí)間較長[10]。地貌恢復(fù)時(shí)，出于保護(hù)輸油氣管道的目的，在壓實(shí)回填土?xí)r無法達(dá)到較大的緊密度，土壤結(jié)構(gòu)恢復(fù)緩慢，為水土流失提供了豐富的松散物質(zhì)。

水土流失的類型有水力侵蝕、重力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、凍融侵蝕等多種類型，其中水力侵蝕和重力侵蝕是輸油氣管道建設(shè)中最主要的水土侵蝕方式。

水力侵蝕的最主要2種方式是面蝕和溝蝕，包括管道穿越溪流時(shí)造成的侵蝕和降雨產(chǎn)生的地表徑流造成的侵蝕。特別是在輸油氣管道施工過程中，地貌還未恢復(fù)，土質(zhì)疏松，土壤中的成分極易隨著流水流走。因?yàn)橥恋慕Y(jié)構(gòu)遭到破壞，回填后地下水豐富的地區(qū)，在滲流的作用下容易形成暗溝，帶走土中的營養(yǎng)成分。此外，在溝谷地區(qū)開挖的管道工程，容易發(fā)生山洪侵蝕；在河岸和庫岸地區(qū)開挖的管道工程，會發(fā)生波浪侵蝕。

重力侵蝕易發(fā)生在陡坡和溝的兩岸溝壁。其中一類是由于土壤結(jié)構(gòu)破壞，下部被水流淘空，上部的土壤和其母質(zhì)成分在重力作用下滑落。另一種則是因?yàn)樵诠艿篱_挖過程中，土體堆積時(shí)和回填后，由于其密實(shí)度不夠，而造成的表面流滑。

6 水土保持防治措施布設(shè)原則

長距離的輸油氣管道建設(shè)過程中，地質(zhì)災(zāi)害和水土流失類型多樣，空間分布差異大。必須堅(jiān)持“預(yù)防為主、防治結(jié)合、因地制宜、因害設(shè)防、綜合治理”的方針和生態(tài)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)同步發(fā)展的原則，以水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)為基礎(chǔ)，盡量減少對現(xiàn)有的水土保持設(shè)施的破壞，減少地面侵蝕，全面防治建設(shè)施工造成的地質(zhì)災(zāi)害和水土流失。具體的防治原則如下：

(1) 緊密結(jié)合工程區(qū)地質(zhì)災(zāi)害和水土流失的特點(diǎn)，科學(xué)地評價(jià)和預(yù)測，合理地采取各類水土保持措施，尤其是項(xiàng)目工程建設(shè)過程中臨時(shí)性水土保持措施的安排，從工程開始就重視防治水土流失的發(fā)生。正確處理局部防治和整體防治、單項(xiàng)防治和綜合防治的關(guān)系。

(2) 堅(jiān)持水土保持設(shè)計(jì)與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)的原則，合理配置水土保持工程措施、植物措施和臨時(shí)防護(hù)措施，統(tǒng)籌兼顧，形成綜合防護(hù)體系。注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，盡可能減少對原地貌和植被的破壞，盡可能減少施工過程中人為擾動產(chǎn)生的廢棄土(石、渣)。臨時(shí)棄土(石、渣)要分類堆放，便于綜合利用，加強(qiáng)臨時(shí)性防護(hù)措施的設(shè)置。

(3) 堅(jiān)持水土保持措施與主體工程相適應(yīng)的原則。按照水土保持措施與主體工程“同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工、同時(shí)投產(chǎn)使用”的要求，科學(xué)合理地安排水土保持工程，與主體工程密切配合，相互協(xié)調(diào)，形成整體。

(4) 最后，因地區(qū)的差異性，應(yīng)當(dāng)注意吸收當(dāng)?shù)厮帘３值某晒?jīng)驗(yàn)；同時(shí)，亦要借鑒國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)和方法。

7 結(jié) 語

本文以貴陽—重慶成品油管道工程為例，對長輸油氣管道建設(shè)中的水土保持進(jìn)行了研究。詳細(xì)分析了管道建設(shè)中的地質(zhì)災(zāi)害類型—滑坡、泥石流、崩塌等，及水土流失的特點(diǎn)，并提出了相應(yīng)的防治措施。在此基礎(chǔ)上，提出了長輸油氣管道建設(shè)中水土保持防治措施的總體布設(shè)原則。

目前我國正處于輸油氣管道建設(shè)的高峰期，水土保持是工程中不可或缺的一部分，投入資金占有較大比例。本文的經(jīng)驗(yàn)與研究可為相關(guān)的工程提供借鑒，同時(shí)也具有重要的科學(xué)意義。

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(編輯：王 慰)

Research on Soil and Water Conservation in the Constructionof Oil and Gas Pipeline

NI Zhen-qiang

(School of Architecture and Civil Engineering, Liaocheng University, Liaocheng 252000, China)

In the construction of long-distance oil and gas pipeline, geological disasters and soil erosion occur with different kinds and styles of spatial distribution. On the one hand, the construction will trigger geological disasterssuch as landslide, debris flow and collapse. On the other hand, it will lead to soil structural damage in association with soil and water loss. Guiyang-Chongqing pipeline project of oil products was taken as an example, which is in the southwest of China. Geological disasters and soil erosion caused by construction were summarized and analyzed for the project. On the basis of this, we obtained the behavior and characteristics of disasters and propose prevention measures. In other words, we must obey principles (prevention first, combining prevention with control, adjusting measures to local conditions, prevention for disaster and comprehensive management), for the purpose of developments of ecology and economy. Finally, the research results can be referenced for soil and water conservation in oil and gas pipeline projects.

oil and gas pipeline; soil and water conservation; geological disasters; soil and water erosion; prevention measures

2014-05-28;

2014-06-26

聊城大學(xué)高層次人才、博士科研啟動基金資助

倪振強(qiáng)(1983-)，男，山東萊蕪人，講師，博士，主要從事巖土工程減災(zāi)方面的研究，(電話)18769586505(電子信箱)nizhenqiang@lcu.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20140440

2016,33(01):20-23,42

TU457

A

1001-5485(2016)01-0020-04