泰青威天然氣管道臨朐段水毀災(zāi)害分布特征與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

張成信， 魏龍飛， 唐堯， 王艷超， 代曉光， 任永健

(1.中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，北京 100101； 2.四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 610045)

0 引言

泰青威管線天然氣主要來(lái)自西氣二線，管道干線西起泰安市，東至威海市，途徑泰安、萊蕪、淄博、濰坊、青島、煙臺(tái)、威海，全線貫通膠東半島，對(duì)保障山東地區(qū)能源供應(yīng)具有重要意義[1]。2011年投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)以來(lái)，對(duì)膠東半島及膠州灣地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)起到了重要作用，為山東省部分地區(qū)天然氣安全平穩(wěn)供應(yīng)提供了保障，并將進(jìn)一步助力“藍(lán)色半島”對(duì)接“一帶一路”，為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高居民生活水平提供了保障支持。

水毀災(zāi)害是地質(zhì)災(zāi)害的一種特殊類(lèi)型，主要是指水體流經(jīng)管道及其周邊巖土體時(shí)，其流動(dòng)過(guò)程引發(fā)的水土流失，并引起管道覆層變薄、裸露、懸空等現(xiàn)象。長(zhǎng)輸油氣管線，因其管道線路長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)或跨越的場(chǎng)地條件復(fù)雜，常遇到各種各樣的地質(zhì)災(zāi)害[2]。臨朐段自西向東依次跨越魯中南丘陵區(qū)、準(zhǔn)平原區(qū)和低山區(qū)，總長(zhǎng)71 km，穿越大、中、小型河流及溝渠17次，地質(zhì)條件復(fù)雜，沿線人類(lèi)工程活動(dòng)頻繁。管道及其附屬設(shè)施受以上環(huán)境介質(zhì)中諸多因素的長(zhǎng)期影響(干擾)，沿線突出發(fā)育坡面水毀、河溝道水毀和臺(tái)田地水毀等各種地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)管道的正常營(yíng)運(yùn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。泰青威天然氣管道“2019.3.20”泄漏爆炸著火事故發(fā)生于臨朐縣嵩山生態(tài)旅游區(qū)朱家坡村NE方向，臨朐段K160+200 m處，事故雖未造成人員傷亡，但造成直接經(jīng)濟(jì)損失900余萬(wàn)元。經(jīng)專(zhuān)業(yè)調(diào)查，事故原因?yàn)楣艿朗┕ず附庸に嚥环弦?、現(xiàn)場(chǎng)管理監(jiān)理不到位、檢測(cè)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)不到位和隱患排查不力等。為最大限度降低泰青威管線承受各種自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，有效防止輸氣管道失效事故的發(fā)生[3]，及時(shí)對(duì)原油管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性做出評(píng)價(jià)是風(fēng)險(xiǎn)管理和災(zāi)害管理的基礎(chǔ)，是地質(zhì)災(zāi)害防治工作中的重要環(huán)節(jié)[4]。本文在野外管道沿線地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)影響管道安全的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了分析，對(duì)管道地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度進(jìn)行了分區(qū)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，旨在為后期管道的安全運(yùn)營(yíng)和風(fēng)險(xiǎn)整治提供有力的技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型及分布特征

1.1 地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型

泰青威管道臨朐段自西向東依次跨越魯中南丘陵區(qū)、準(zhǔn)平原區(qū)和低山區(qū)。管道沿線屬魯中、魯東暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明。受自然地理、地質(zhì)環(huán)境的影響，主要發(fā)育水毀災(zāi)害，具體為坡面水毀、河溝道水毀和臺(tái)田地水毀3種，同時(shí)第三方施工活動(dòng)也對(duì)管線及其附屬設(shè)施構(gòu)成了一定程度的威脅。2019年，濰坊地區(qū)受“利馬奇”臺(tái)風(fēng)集中性強(qiáng)降雨的影響，多處擋墻垮塌，河流河床沖刷下切擴(kuò)寬。本文調(diào)查新發(fā)現(xiàn)水毀災(zāi)害15處(圖1)，如臨朐段三岔河河溝道水毀和柳山鎮(zhèn)南福山坡面水毀等(圖2)。其中坡面水毀6處，河溝道水毀4處，臺(tái)田地水毀5處，均為中小型規(guī)模。誘發(fā)因素主要為強(qiáng)降雨，其導(dǎo)致坡面受損，原有漿砌石和干砌石擋墻垮塌且并發(fā)地面塌陷等。

1.臺(tái)田地水毀及其編號(hào)； 2.坡面水毀及其編號(hào)； 3.河溝道水毀及其編號(hào)； 4.管線及輸氣站； 5.閥室及其編號(hào)； 6.里程樁及其編號(hào)； 7.省道及其編號(hào)； 8.低易發(fā)分區(qū)及其編號(hào)； 9.中易發(fā)分區(qū)及其編號(hào)

1.2 分布特征

臨朐段管道沿線地質(zhì)災(zāi)害分布廣泛，空間特征復(fù)雜，展現(xiàn)出不同地形地貌區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育重點(diǎn)及發(fā)育密度的不均勻性，這與管道所處的地質(zhì)環(huán)境條件密切相關(guān)。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析本次水毀災(zāi)害調(diào)查成果，新發(fā)現(xiàn)的15處水毀災(zāi)害(隱患)中，按照地形地貌及其水毀災(zāi)害發(fā)育特征可劃分為3個(gè)區(qū)段，按樁號(hào)劃分，分別為K147—K180管段、K180—K190管段和K190—K215管段。其中K147—K180管段有7處，K180—K190管段有2處，K190—K215管段有6處。由管道沿線地質(zhì)災(zāi)害空間分布和地質(zhì)災(zāi)害(隱患)點(diǎn)發(fā)育密度統(tǒng)計(jì)表(圖1、表1)可知，K147—K180管段和K190—K215管段地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密度較高。因?yàn)槠涮幱谥械蜕角鹆甑孛?，地質(zhì)環(huán)境條件較復(fù)雜，地形起伏較大，水毀災(zāi)害較發(fā)育。

表1 管線地質(zhì)災(zāi)害(隱患)點(diǎn)發(fā)育密度統(tǒng)計(jì)

2 誘發(fā)因素及危害性

地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生和發(fā)展是環(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)共同作用的動(dòng)態(tài)過(guò)程, 其對(duì)人類(lèi)生活和城市發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響[5]。管道沿線跨越多個(gè)地貌單元，地形地貌、工程地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度有所不同。不同地質(zhì)環(huán)境會(huì)誘發(fā)不同類(lèi)型的地質(zhì)災(zāi)害，其誘發(fā)因素主要包括集中性強(qiáng)降雨、地形地貌、地層結(jié)構(gòu)及巖土體性質(zhì)和人類(lèi)工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等。

不同類(lèi)型的地質(zhì)災(zāi)害有不同的形成條件、孕育過(guò)程、作用方式、致災(zāi)機(jī)理和危害特點(diǎn)，其對(duì)管道的危害方式、危害程度和后果也不盡相同。有的長(zhǎng)期緩慢作用于管道，累進(jìn)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?yàn)?zāi)害體與管道的位置關(guān)系不同，其對(duì)管道的危害方式和危害程度也不同。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查成果，通過(guò)對(duì)臨朐段主要地質(zhì)災(zāi)害與管道的相互關(guān)系、危害方式和危害后果進(jìn)行綜合分析，得到各類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因素和危害性特征(表2)。

表2 臨朐段管道沿線發(fā)育的主要地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型、誘發(fā)因素及危害概況

3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

在管道設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行期間，管道公司會(huì)采用各種技術(shù)措施來(lái)預(yù)防管道事故的發(fā)生。為了更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)管道未來(lái)運(yùn)行狀況，有效防止災(zāi)難性事故的發(fā)生，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)被引入到管道地質(zhì)災(zāi)害管理評(píng)價(jià)中來(lái)[6]。

單體管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)通常采用定量評(píng)價(jià)法、半定量評(píng)價(jià)法和定性評(píng)價(jià)法3套標(biāo)準(zhǔn)。在管道地質(zhì)災(zāi)害整治規(guī)劃階段，宜采用定性評(píng)價(jià)與半定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法。定性評(píng)價(jià)內(nèi)容包括地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、管道易損性以及失效后果的評(píng)價(jià)和分級(jí)，根據(jù)災(zāi)害易發(fā)性、管道易損性和后果分級(jí)結(jié)果綜合確定災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)； 半定量評(píng)價(jià)內(nèi)容包括風(fēng)險(xiǎn)概率和失效后果評(píng)價(jià)。本文先采用定性評(píng)價(jià)法，定性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)主要用于野外調(diào)查和前期資料的整理，野外調(diào)查結(jié)束后，將調(diào)查整理結(jié)果導(dǎo)入中石油管道公司科技研究中心開(kāi)發(fā)的自然與地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，得到評(píng)價(jià)結(jié)果，然后再根據(jù)半定量評(píng)價(jià)法對(duì)定性評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行修正。

3.1 定性評(píng)價(jià)法

根據(jù)《油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》(SY/T 6828—2017)[7]規(guī)定及上述分級(jí)原則，將臨朐段管道沿線致災(zāi)體的穩(wěn)定性或易發(fā)性、管道可能遭受危害的大小及環(huán)境影響、失效后果等因素各自劃分為3級(jí)，從而適用于滑坡、河溝道水毀、坡面水毀、臺(tái)田地水毀等災(zāi)害的定性評(píng)價(jià)。綜合考慮以上影響地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)的因素，且突出管道工程本身的易損性和災(zāi)害體的易發(fā)性，將地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為5級(jí)，詳見(jiàn)表3。

表3 定性評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分級(jí)[7]

3.2 半定量評(píng)價(jià)法

半定量評(píng)價(jià)法主要是利用自然與地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)得出的評(píng)價(jià)結(jié)果，具體是根據(jù)本次地質(zhì)災(zāi)害排查成果信息，以橫軸為后果等級(jí)，縱軸為風(fēng)險(xiǎn)概率，評(píng)價(jià)結(jié)果由系統(tǒng)自動(dòng)生成。半定量評(píng)價(jià)內(nèi)容包括風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)價(jià)和失效后果評(píng)價(jià)，風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)價(jià)由風(fēng)險(xiǎn)概率指數(shù)確定。修正的主要原則為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)就高不就低，分級(jí)原則詳見(jiàn)表4，最終提交綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果。

表4 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)原則

3.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

泰青威干線臨朐段排查共計(jì)發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害15處，采用定性評(píng)價(jià)法對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)結(jié)果經(jīng)調(diào)查人員半定量評(píng)價(jià)修正后得到綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果： 較高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)1處，中等風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)4處，較低風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)10處，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以較低為主。具體(表5)為： 河溝道水毀災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)屬于較高級(jí)別的有1處，中級(jí)別的有2處，較低級(jí)別的有1處； 坡面水毀災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)屬于中級(jí)別的有2處、較低級(jí)別的有4處； 5處臺(tái)田地水毀災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)均屬于較低級(jí)別。

表5 泰青威干線臨朐段地質(zhì)災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)一覽表

4 易發(fā)程度分區(qū)

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)主要依據(jù)災(zāi)害的線密度和危害性，同時(shí)結(jié)合近年來(lái)對(duì)管道沿線地質(zhì)災(zāi)害的治理情況和災(zāi)害發(fā)展變化趨勢(shì)綜合確定。首先根據(jù)管線穿越的地貌單元、地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律等進(jìn)行分段，其次統(tǒng)計(jì)、計(jì)算每段管道沿線地質(zhì)災(zāi)害的線密度，然后再由風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果中高風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)和中風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)之和除以較低風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)之和，得到(高+較高+中)/(較低+低)的比值，最后依據(jù)表6分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分。

表6 輸氣管道地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)[7]

依據(jù)《油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》(SY/T 6828—2017)[7]，易發(fā)程度分區(qū)宜采用1∶50 000或更大比例尺，本文采用1∶50 000數(shù)字化地形圖進(jìn)行分區(qū)。依據(jù)研究區(qū)管道沿線地形地貌，綜合考慮管道地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密度、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等因素，分區(qū)結(jié)果以管道里程為基準(zhǔn)，可得到易發(fā)程度分區(qū)結(jié)果(圖1、表7)。

表7 泰青威干線臨朐段易發(fā)程度分區(qū)情況表

5 防治消減措施

本文在總結(jié)分析已有工程損壞原因的基礎(chǔ)上，以保護(hù)管道安全為根本，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)因素和新技術(shù)應(yīng)用，最終按照災(zāi)害種類(lèi)提出了相應(yīng)的、可行的防治措施與建議。

5.1 巡檢與監(jiān)測(cè)預(yù)警

對(duì)活動(dòng)微弱的災(zāi)害體、有發(fā)展趨勢(shì)的災(zāi)害隱患點(diǎn)等宜采用常態(tài)監(jiān)測(cè)、加強(qiáng)巡護(hù)和預(yù)警等措施，如在大型水庫(kù)泄洪道、高頻發(fā)洪水溝處等地設(shè)立預(yù)警監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行長(zhǎng)期降雨量和水位數(shù)據(jù)收集與測(cè)量，為管道日常監(jiān)測(cè)維護(hù)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供依據(jù)[8]。尤其要注意對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)段和地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行定期巡檢，地質(zhì)災(zāi)害的巡檢可與日常巡檢相結(jié)合[9]。

5.2 工程治理措施

沿線調(diào)查所發(fā)現(xiàn)的相對(duì)活動(dòng)明顯、穩(wěn)定性差的災(zāi)害點(diǎn)應(yīng)采取工程措施進(jìn)行治理，以達(dá)到徹底根治的目的。針對(duì)水毀地質(zhì)災(zāi)害，常用草袋擋土墻、草袋漿砌、漿砌石擋土墻等方式完成對(duì)災(zāi)害的控制，降低對(duì)油氣管道的破壞[10]。

5.2.1 河溝道水毀

臨朐段管道穿越17條河流，主要危害為汛期強(qiáng)降雨引發(fā)洪水，對(duì)河床沖刷，導(dǎo)致河床拓寬、管道埋深不足、露管等。主要防治措施為: 修建漿砌石或石籠護(hù)岸、上游修建齒墻、下游修建防沖墻、上方修建過(guò)水面等。圖3為三岔河河溝道水毀點(diǎn)消減措施示意圖。

圖3 三岔河河溝道水毀點(diǎn)消減措施示意圖

5.2.2 坡面水毀

坡面水毀多是由于坡體原有應(yīng)力平衡狀態(tài)被人工開(kāi)挖敷設(shè)管道破壞，再加上強(qiáng)降雨沖刷、滲透水和侵蝕，從而發(fā)生淺層滑塌、沖溝、落水洞等[1]。油氣管道坡面水毀是一類(lèi)久治不愈的地質(zhì)災(zāi)害[11]。常見(jiàn)措施為素土回填，但因其結(jié)構(gòu)松散，不能在短期內(nèi)固結(jié)，在雨水再次沖刷下容易流失。針對(duì)臨朐段，建議采用的主要防治措施有： 修建截洪溝、導(dǎo)洪溝或采取植物覆蓋等護(hù)坡形式來(lái)?yè)跎彻掏?，使地表徑流速度變緩[12]，并在沖溝的溝源部位進(jìn)行水泥砌護(hù)或種植根蘗性強(qiáng)的植物進(jìn)行固土防失[13]。

5.2.3 臺(tái)田地水毀

降雨或人工灌溉沖刷導(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，造成臺(tái)田地水毀。常見(jiàn)的防治措施有回填、夯實(shí)、支擋、加固等方式[14]。臨朐段管道沿線臺(tái)田地水毀風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均較低或低，因此建議采取“素土夯填+干砌石或漿砌石田坎護(hù)坡”相結(jié)合的防治措施。對(duì)于危害程度輕微的臺(tái)田地水毀區(qū)，建議直接原土夯填。

6 結(jié)論

(1)泰青威干線臨朐段共計(jì)3類(lèi)災(zāi)害15處，其中坡面水毀點(diǎn)6處，河溝道水毀點(diǎn)4處，臺(tái)田地水毀點(diǎn)5處。采用定性與半定量相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法對(duì)15處地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級(jí)。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果以較低為主，其災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)占災(zāi)害點(diǎn)總數(shù)的66.67%； 中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)占災(zāi)害點(diǎn)總數(shù)的26.67%； 較高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)占災(zāi)害點(diǎn)總數(shù)的6.66%。

(2)臨朐段總長(zhǎng)71 km，依據(jù)輸氣管道地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮管道沿線地形地貌、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密度、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等因素，劃分地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)2個(gè)，低易發(fā)區(qū)1個(gè)。地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)累計(jì)長(zhǎng)61 km，占線路總長(zhǎng)度的85.92%； 地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)累計(jì)長(zhǎng)10 km，占線路總長(zhǎng)度的14.08%。臨朐段管道沿線以地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)為主。

(3)根據(jù)臨朐段管道沿線地質(zhì)災(zāi)害的主要類(lèi)型、分布特征及對(duì)油氣管道的危害，針對(duì)性地提出了加強(qiáng)巡檢與監(jiān)測(cè)預(yù)警和實(shí)施草袋擋土墻、干砌、漿砌石擋墻等防治消減措施，可供相關(guān)人員參考借鑒。