山東省泰青威線天然氣管道地質(zhì)災(zāi)害特征及防治措施

王朝金

中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，河北 涿州 072754

泰青威線貫通膠東半島，對膠東半島及膠州灣地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)保起點重要作用，為山東部分地區(qū)天然氣安全平穩(wěn)供應(yīng)提供保障，為促進經(jīng)濟發(fā)展提供居民生活水平提供保障支持。對于天然氣管道建設(shè)及運營來說，地質(zhì)災(zāi)害是重大風險之一，一旦管道運行過程中管道沿線發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害危及管道安全，會引起巨大的經(jīng)濟損失，甚至會造成人員傷亡；因此，有必要對泰青威管道地質(zhì)災(zāi)害特征及防治措施進行研究，了解其災(zāi)害特征及分布規(guī)律，對管道運營中防災(zāi)、減災(zāi)和避災(zāi)提供依據(jù)，為確保管線安全、減少經(jīng)濟損失提供保障；同時，對其它遭受多種地質(zhì)災(zāi)害的長距離線性工程的地質(zhì)災(zāi)害評價具有一定的借鑒意義。

1 概況

泰青威天然氣管道干線沿途經(jīng)過7個市，管道總里程693.08km，惠及泰安市、萊蕪市、淄博市、濰坊市、青島市、煙臺市、威海市；包括兩條支線，兩條支線共經(jīng)過5個區(qū)，其中萊鋼支線沿途經(jīng)過萊城區(qū)、鋼城區(qū)；淄博支線沿途經(jīng)過淄博市博山區(qū)、淄川區(qū)、張店區(qū)。

2 地質(zhì)背景

2.1 大地構(gòu)造位置

按大地構(gòu)造單元劃分，管道沿線所屬Ⅰ級構(gòu)造單元為華北板塊，管線穿越的Ⅱ級構(gòu)造單元有華北拗陷、魯西地塊、膠北地塊和膠南造山帶，管線穿越5個Ⅲ級構(gòu)造單元和8個Ⅳ級構(gòu)造單元和17個Ⅴ級構(gòu)造單元。華北坳陷位于山東北部，大致在聊城-齊河-廣饒以北。魯西地塊位于省境中、西部，大致在濰河-沭河以西；濰河-沭河以東為膠南造山帶及膠北地塊。以煙臺-即墨-諸城為界，以北為膠北地塊，以南為膠南造山帶。

2.2 地震活動

泰青威線位于華北地震區(qū)，歷史上地震活動強烈，目前處于活動期能量大釋放后的剩余能量釋放階段，地震活動可能經(jīng)歷30～40年的起伏衰減，而后進入新的活動期。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）,管道沿線地震動峰值加速度為0.05～0.2g，對應(yīng)的地震烈度為6～8度。管道經(jīng)過區(qū)域活動斷裂發(fā)育，新構(gòu)造運動強烈。根據(jù)排查資料在管道500m范圍內(nèi)未見大中型的斷裂及對管道影響較大的小型斷裂，整體區(qū)域斷裂及地震對管道影響較小。

2.3 地形地貌

管道工程位于山東省中東部，中部山地突起，東部緩丘起伏，總體趨勢西高東低。最高點位于魯山山地，海拔 690m，最低點位于黃海之濱，海拔30m，最大相對高差 660m。以昌邑-大店深大斷裂為界，管道沿線地貌類型劃分為魯中南斷塊侵蝕剝蝕中低山丘陵區(qū)（Ⅰ）和魯東斷塊剝蝕低山丘陵區(qū)（Ⅱ）和魯西北斷坳堆積平原區(qū)（Ⅲ）3個大區(qū)，包括11個一級亞區(qū)、24個二級亞區(qū)（圖1）。管道工程自西向東依次跨越魯中南丘陵區(qū)、準平原區(qū)、山間盆地區(qū)、低山區(qū)、中山區(qū)；魯西北沖洪積山前傾傾斜平原；魯東平原區(qū)、山間盆地區(qū)、山間平原區(qū)、丘陵區(qū)、低山區(qū)、山間谷地區(qū)、海蝕海積平原區(qū)。

圖1 泰青威線及支線地貌分區(qū)Fig.1 Geomorphological zoning in Taian-Tsingdao-Weihai Pipeline and its branch

3 地質(zhì)災(zāi)害特征

3.1 地質(zhì)災(zāi)害類型

通過實地調(diào)查，管線及其附屬設(shè)施構(gòu)成一定影響和威脅的各類災(zāi)害點共計89處，6種災(zāi)害類型（表1）。

主要為水毀（臺田地水毀、坡面水毀、河溝道水毀）災(zāi)害[1]，占到總數(shù)的 93.3%；其次為不穩(wěn)定斜坡、崩塌和人類工程活動。

3.2 地質(zhì)災(zāi)害危害

不同類型的地質(zhì)災(zāi)害有不同的形成條件、孕育過程、作用方式、致災(zāi)機理和危害特點，其對管道的危害方式、危害程度和后果不同，差異性較大，有的長期緩慢作用于管道，累進破壞；有的則突然發(fā)生，猛烈破壞管道；同一種地質(zhì)災(zāi)害，因災(zāi)害體與管道的位置關(guān)系不同，其對管道的危害方式和危害程度也不盡相同。天然氣管線地質(zhì)災(zāi)害以水毀災(zāi)害為主，以下主要就水毀災(zāi)害對其危害性進行分析。

3.2.1 臺田地水毀

泰青威線發(fā)育52處，是水毀災(zāi)害的主要災(zāi)害類型，分布范圍在魯中南丘陵區(qū)、中山區(qū)，魯東低山區(qū)和魯西北沖洪積平原地區(qū)。臺田地水毀主要發(fā)生在丘陵梯田陡坎和平原區(qū)臺階式田地的陡坎部位[2]等，其形成及發(fā)育與土體性質(zhì)、水的活動及人類耕作等相關(guān)。

研究區(qū)為砂礫土、砂土發(fā)育地區(qū)，臺田地水毀對管道的危害機理是由水體入滲引起砂土流失而造成的，容易造成露管、懸空，破壞管道沿線附屬設(shè)施。一旦管溝處形成洼地，各種水體將大量匯聚和入滲，陷坑的發(fā)展速度較快，有時在地下沿管道形成長距離的暗穴（圖2）。當暗穴長度較大時，在輸氣壓力變化的情況下可能引起管道的振動，可能使管道變形，影響管道安全運行。農(nóng)田地區(qū)的臺田地水毀，造成農(nóng)田高低不平，灌溉渠道破裂，田埂干砌石（漿砌石）倒塌[圖3（a）]，管溝沉降或回填不實[圖 3（b）]影響管道附近農(nóng)田的正常耕種，使大片農(nóng)田廢耕，同時，水毀沖刷致使管道上方水土流失，導(dǎo)致管道上方埋深變淺，危害管道、光纜等附屬設(shè)施的安全。

圖2 臺田地中管道受水體危害Fig.2 Water hazard of pipeline in platform

圖3 泰青威管道臺田地水毀Fig.3 Water damage of platform in Taian-Tsingdao-Weihai pipeline

3.2.2 河溝道水毀

泰青威線河溝道水毀發(fā)育16處，主要發(fā)生于河溝道內(nèi)，主要表現(xiàn)形式為河床下切、河岸側(cè)蝕[3]，分布范圍主要集中在魯中南丘陵區(qū)、中山區(qū)和魯東低山、丘陵區(qū)，魯西北沖洪積平原地區(qū)少量發(fā)育。

研究區(qū)多為丘陵地區(qū)、中低山區(qū)的河溝道水毀，河溝道內(nèi)洪水發(fā)生時（尤其是攜帶泥沙和滾石的泥石混合流）對溝底產(chǎn)生強烈的沖刷下蝕作用，在管道經(jīng)過段可使管道外露、懸空，特別是當管道下游有形成的跌水存在時，在強大水流的沖蝕掏蝕作用下，最易破壞管道造成露管和懸空（圖4、圖5）。平原區(qū)河溝道水毀有的對兩岸的側(cè)向擺動侵蝕也較嚴重，使管道更大長度范圍的懸空，伴行路也同樣遭到破壞。

圖4 河流側(cè)向擺動沖蝕對管堤及伴行路的危害Fig.4 The Damage of lateral swing Erosion of rivers to pipe embankment and associated roads

圖5 管道交切河溝谷處受水流侵蝕特征Fig.5 Characteristics of water flow erosion in the gully of the cross-cut river

研究區(qū)交切穿越式河溝道水毀災(zāi)害也較為普遍，如俆格莊村河溝道水毀點[圖 6（a）]，汛期河道主流沖刷凹岸河床一側(cè)，使原有河床失穩(wěn)、倒塌，原有水保也被破壞，危及管道及附屬設(shè)施；其次為河溝道跌水式水毀類型，河溝道河床下游沖刷嚴重掏空，形成跌水情況，如大侯家村河溝道水毀點[圖 6（b）]，河道下游跌水使河床沖刷加深加大，危及管道安全。

圖6 泰青威管道河溝道水毀Fig.6 Water damage of river and ditch in Taian-Tsingdao-Weihai pipeline

3.2.3 坡面水毀

泰青威線坡面水毀發(fā)育15處，分布范圍集中在魯中南丘陵區(qū)、中山區(qū)，坡面水毀主要由坡面水力侵蝕引起，坡面水力侵蝕強弱主要取決于降雨、坡度、坡長、巖土性質(zhì)、植被和人為作用等因素[4]。其表現(xiàn)形式主要為地表沖刷侵蝕、坡面局部的滑（垮）塌、水毀沖溝、水毀潛蝕塌陷和水工保護設(shè)施的破壞等[5]。

坡面水毀主要發(fā)育于山前傾斜平原區(qū)，對管道的影響具有游蕩不固定性、沖蝕范圍一般較大（可達數(shù)百米）、分布密集和沖蝕淺等特點。有多條片流在管道周圍匯集大范圍地沖蝕管道，造成管堤和伴行路的毀壞，有時也造成局部的露管，其危害性和危險性相對較?。幻康接昙居纸?jīng)常發(fā)生。坡面水毀由于溝床淺、易改道等特點，常常使洪水經(jīng)過管道處修建的過水面等防治工程失效，而在附近其它地段形成新的沖蝕破壞（圖7）。在較緩的斜坡地帶，管道常布設(shè)于較低洼的斜坡部位，順坡而下，當坡長較大，兩側(cè)具有一定匯水面積時，坡面匯水往往在管道一帶匯集，沿管堤向坡下徑流，長期沖蝕管道，形成寬數(shù)米，深近數(shù)米左右的溝槽，有的還可能造成露管、懸管危害（圖8）。

圖7 坡面水毀對管堤及伴行路的危害Fig.7 Damage of slope water destruction to pipe embankments and associated roads

圖8 洪水順坡沿管溝沖蝕對管道的危害Fig.8 Damage to pipeline by erosion of flood along pipe ditch and slope

研究區(qū)順線匯流侵蝕形成的坡面水毀較為普遍，管道鋪設(shè)初期埋設(shè)管道的過程中植被、表層土體破壞，雨季時坡面匯水水流易形成沖溝，坡面水毀形成的沖溝多為沿坡面向下，近平行于管道發(fā)育，如鄔家官莊坡面水毀點[圖9（a）、圖9（b）]兩處水毀點順線匯流侵蝕，該處地表為風化的砂礫石土，松散、易流失而形成水毀沖溝，強降雨會使沖溝快速加深加大，危及管道及附屬設(shè)施安全。

圖9 泰青威管道坡面水毀Fig.9 Water damage on slope of Taian-Tsingdao-Weihai pipeline

3.3 地質(zhì)災(zāi)害分布特征

山東天然氣管道沿線自然環(huán)境條件差異較大，受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、氣候水文和人類工程活動等因素的影響和制約，且管道沿線河流屬于黃河流域水系或獨流入海水系，管道沿線地質(zhì)災(zāi)害分布具有較為明顯的區(qū)域性差異?？傮w上，泰安-萊蕪-濰坊為魯中南丘陵區(qū)、中山區(qū)，地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育，魯東平原區(qū)基本無災(zāi)害，魯東丘陵區(qū)、低山區(qū)災(zāi)害發(fā)育；根據(jù)水毀地質(zhì)災(zāi)害的特征、分布及危害方式，結(jié)合地形地貌、地層巖性、降水等因素，總結(jié)泰青威線水毀地質(zhì)災(zāi)害特征如下。

（1）河溝道水毀和坡面水毀的沖蝕方式和強度不同。河溝道水毀的部位相對固定，長期集中沖蝕管道經(jīng)過處的某一部位，其規(guī)模受流域匯水面積和坡降的綜合控制，以下切沖蝕溝床為主，同時也伴有溝岸的側(cè)蝕，尤其位于溝口下游的管道，沖蝕、下切較為直接、強烈。坡面水毀的部位游蕩擺動，不固定，沖蝕范圍較大，但下切深度較淺。

（2）平原區(qū)若管線近距離（＜500m）平行鐵路、公路等線性工程敷設(shè)，且管線敷設(shè)于水流下游帶時，受斜坡上游路基的截水、匯水和排導(dǎo)水作用，通常使天然坡面徑流有效匯集后沿橋涵下泄，沖蝕形成固定溝道，對下游區(qū)的管線及其附屬設(shè)施安全構(gòu)成嚴重影響。

（3）河溝道水毀和臺田地水毀一般多發(fā)于內(nèi)陸河流域中上游和盆地人口密集區(qū)，區(qū)段內(nèi)天然河道較發(fā)育，且人工對天然徑流的匯集改道較頻繁、農(nóng)田大面積分布，會普遍發(fā)育有河溝道水毀和臺田地水毀。

（4）河溝道水毀和坡面水毀在一定程度上會相互轉(zhuǎn)化。

（5）臺田地水毀的發(fā)育與農(nóng)業(yè)灌溉活動關(guān)系密切，年內(nèi)活躍期明顯，一般春夏季多發(fā)，秋冬季罕見；同時也與管溝所處的地層巖性有關(guān)，一般砂土和砂礫土地區(qū)易發(fā)。

（6）管道沿線水毀災(zāi)害主要發(fā)育在6～9月強降水期主汛時段。

4 防治措施

防治的原則以保護管道安全為根本，同時考慮經(jīng)濟節(jié)約和新技術(shù)應(yīng)用，包括監(jiān)測預(yù)警措施和工程治理措施兩方面。

4.1 監(jiān)測預(yù)警措施

對管道沿線相對活動明顯，穩(wěn)定性差的災(zāi)害點可采取工程措施進行治理，以達到徹底根治的目的；對災(zāi)害體活動微弱，有發(fā)展趨勢的潛在不穩(wěn)定斜坡、常年性河流及洪水溝道等可采取加強巡護、常態(tài)監(jiān)測、預(yù)警等措施，如在大型、高頻發(fā)洪水溝、水庫泄洪道設(shè)立監(jiān)測點，進行長期降雨量、水位等數(shù)據(jù)測量和收集，為管道風險評價及日常監(jiān)測維護提供重要依據(jù)。

4.2 工程治理措施

4.2.1 河溝道水毀治理

管道沿線穿跨越多條河流，主要為流水沖刷引起的管道安全問題。可采取漿砌石擋墻式護岸、石籠護岸、過水面、防沖墻、混凝土連續(xù)澆筑穩(wěn)管等措施。

4.2.2 臺田地水毀治理

臺田地水毀多導(dǎo)致干砌石擋墻倒塌，擋墻后方形成沖溝；或水毀管道上方形成塌陷坑。防治措施采取回填、夯實、支擋、加固的方式[6]。針對臺田地塌陷區(qū)較長，且塌陷程度較嚴重，多處露管、懸管的臺田地水毀區(qū)采用“粘土夯填+防滲土工布+田坎護坡”相結(jié)合的防治工程；對于塌陷區(qū)較長，但塌陷程度較輕的臺田地水毀災(zāi)害采用“素土夯填+潛式截水墻+田坎護坡”相結(jié)合的防治措施；對于田坎部分沖毀或已建工程局部損壞的區(qū)域，其塌陷區(qū)影響范圍較小，程度較輕，主要采用“素土夯填+2:8水泥土夯填+田坎護坡”相結(jié)合的防治措施；對于塌陷輕微，危害較小的臺田地水毀區(qū)直接原土夯填。

4.2.3 坡面水毀治理

坡面水毀多是由于在管道敷設(shè)時，人工開挖破壞了坡體原有應(yīng)力平衡狀態(tài)，再加上降水的沖刷、滲透和侵蝕，從而發(fā)生淺層滑塌、沖溝、落水洞等；回填管溝的填土屬于人工填土，結(jié)構(gòu)較松散，不能在短期內(nèi)固結(jié)，在雨水的沖刷下容易流失。防治工程采取截洪溝、導(dǎo)洪溝的修建或采取植物覆蓋措施；對現(xiàn)有的水土侵蝕發(fā)育的活動性沖溝采用工程措施、植被護坡形式來擋沙固土，使地表徑流速度變緩的防治措施[7]，在沖溝的溝源部位進行工程砌護和生物措施[8]、即種植根蘗性強的植物進行固土防失。

4.2.4 不穩(wěn)定斜坡、崩塌（危巖體）災(zāi)害防治

不穩(wěn)定斜坡主要采用削坡減載[9]，用降低坡高或放緩坡角來改善邊坡的穩(wěn)定性。削坡設(shè)計應(yīng)盡量削減不穩(wěn)定土體的高度，而阻滑部分土體不應(yīng)削減。此法并不總是最經(jīng)濟、最有效的措施，要在施工前作經(jīng)濟技術(shù)比較?；虿捎弥鲃尤嵝苑雷o網(wǎng)進行支護處理，防治削載后的巖體表面掉塊形成新的危害。穩(wěn)定邊坡，在不穩(wěn)定斜坡表層噴抹混凝土砂漿，穩(wěn)固邊坡。崩塌主要采取危巖體清理，亦可采用坡面防護、下設(shè)腳墻、擋墻的防護措施[10]。

5 結(jié)論

（1）泰青威線天然氣管道沿線地形相對平緩，地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，斷裂及地震活動不發(fā)育；共發(fā)育89個地質(zhì)災(zāi)害點和 6種地質(zhì)災(zāi)害類型[臺田地水毀、坡面水毀、河溝道水毀災(zāi)害、不穩(wěn)定斜坡、崩塌（危巖體）和人類工程活動]，主要地質(zhì)災(zāi)害類型是水毀災(zāi)害（臺田地水毀、坡面水毀、河溝道水毀）。

（2）魯中南丘陵區(qū)、中山區(qū)，地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育，魯東丘陵區(qū)、低山區(qū)災(zāi)害發(fā)育，魯東平原區(qū)基本無災(zāi)害。水毀在強降水期發(fā)育，多發(fā)于內(nèi)陸河流域和盆地人口密集區(qū)，臺田地水毀與灌溉活動密切相關(guān)，河溝道水毀和坡面水毀會相互轉(zhuǎn)化。

（3）泰青威線地質(zhì)災(zāi)害種類繁多，發(fā)育程度及活動性各異，根據(jù)危害特征的不同，可以分別采取相應(yīng)的漿砌和干砌擋墻護岸、回填管溝、種植植物固土、削坡減載等工程治理和生物防治措施。