黃河下游輸氣管線工程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)問題研究

李良東 趙 量

（1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003）

0 引言

西氣東輸工程分別在河南省的洛陽、鄭州、開封，山東省的濱州、濟(jì)南等地采用頂管方式穿越黃河，輸氣工程穿越黃河的地段大多處于黃河下游河段，由于黃河下游多泥沙、善擺動(dòng)、多流路、寬灘地的獨(dú)特地上懸河特征和復(fù)雜的河流條件，存在黃河輸氣管線工程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)問題［1-2］。因此，研究已經(jīng)建成的西氣東輸工程穿越黃河施工中遇到的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)問題，對(duì)于目前正在進(jìn)行設(shè)計(jì)的魯—豫—皖輸氣穿黃工程及以后的穿黃、跨黃工程的設(shè)計(jì)與施工都具有重要的參考意義。

1 黃河下游地質(zhì)背景

黃河下游的地貌類型按照形態(tài)可劃分為山地、丘陵、平原三大類［3］，其中，洛陽、溫縣一帶的穿黃輸氣管線工程涉及的地貌類型為山地、丘陵，黃河鄭州以下河段的穿黃輸氣管線工程主要涉及的地貌類型為丘陵和平原。

黃河下游地區(qū)位于華北平原區(qū)，第四系地層覆蓋了前第四系基巖地層。由于本區(qū)在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)上處于長期相對(duì)沉降地帶，第四系地層深厚，據(jù)已有的研究成果［4-5］，本區(qū)第四紀(jì)以來沉積了厚330～450 m 的松散土層，其中黃河下游穿黃輸氣管線工程主要涉及地層為Q4、Q3、Q2沖—洪積成因的粉土、粉質(zhì)黏土和粉砂、細(xì)砂、砂礫石、砂卵石地層。

黃河下游地區(qū)在大地構(gòu)造上處于華北斷塊區(qū)內(nèi)的華北平原斷塊凹陷亞區(qū)，與穿黃輸管線有關(guān)的大地構(gòu)造主要是濟(jì)源—開封凹陷、魯西隆起、臨清凹陷、濟(jì)陽凹陷等。黃河下游地區(qū)區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的主要形式是斷塊差異升降運(yùn)動(dòng)、斷裂錯(cuò)動(dòng)、地震等，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)也是控制河流走勢(shì)、流路、沉積、改道的內(nèi)在的一種因素［6］。黃河下游地區(qū)發(fā)育的斷裂均為隱伏斷裂，與穿黃輸氣管線工程相關(guān)的區(qū)域性隱伏斷裂主要為聊城—蘭考斷裂、新鄉(xiāng)—商丘斷裂、長垣斷裂、鳧山斷裂、菏澤斷裂等，這些隱伏斷裂大致為NW 走向和NE 走向。沿聊城—蘭考斷裂、郯城—沭河斷裂曾多次發(fā)生過地震，屬于活動(dòng)性斷裂［7］。

黃河下游地區(qū)淺層地下水主要為第四紀(jì)松散巖類孔隙潛水、承壓水，廣泛分布于黃河河床、黃河南北兩岸灘地。地下水的補(bǔ)給及徑流受黃河水的控制，大氣降水和黃河側(cè)滲為其主要補(bǔ)給來源，黃河為地上懸河，河水常年補(bǔ)給兩岸地下水，地下水與黃河水水力聯(lián)系密切。表1 為黃河下游某穿黃輸氣管線工程兩岸灘地頂管施工場(chǎng)地進(jìn)口、出口處地層抽水試驗(yàn)資料。從表1 可以看出，黃河下游河道兩岸灘地地層透水性總體上屬于中等透水層。

表1 某穿黃輸氣管線工程灘地抽水試驗(yàn)成果表

2 穿黃管線工程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)問題

2.1 穿越河道穩(wěn)定問題

據(jù)史料記載［8］，從周定王五年（公元前602 年）河決改道入渤海，至1938 年鄭州花園口人為決堤改道，黃河共有7 次大的遷徙。在現(xiàn)行下游河道中，桃花峪至東壩頭（銅瓦廂）河段，為明清故道，迄今約有500 多年的歷史。東壩頭以下為清咸豐五年（1855 年）蘭陽銅瓦廂決口改道奪大清河入海形成的河道。由于兩岸堤防形成年代不一，加之自然和人文的因素，現(xiàn)行河道形成了上寬下窄、行洪能力上大下小的顯著特征。

穿黃輸氣管線工程大多采用頂管施工技術(shù)，由于黃河南北兩岸灘地寬闊，一般都要進(jìn)行分段施工，這樣需要在黃河灘地上開辟2～4 個(gè)頂管施工進(jìn)（出）口，以縮短單段頂管施工長度便于工程施工。黃河下游河道從河床過流和行洪的角度，可將黃河下游河道分為游蕩性河段、游蕩性河段向彎曲性河段轉(zhuǎn)變的過渡性河段、彎曲性河段、河口段等，處于不同河段的穿黃輸氣管線工程，要針對(duì)具體穿黃部位的河道特點(diǎn)，結(jié)合黃河控導(dǎo)工程效果進(jìn)行詳細(xì)論證，盡量避開河床變遷頻繁、水流交織、流路多變、南北擺動(dòng)大、灘地不固定的部位，以免黃河洪水上灘危及穿黃管線工程的施工安全。

以開封輸氣管道穿越黃河工程為例，該穿黃工程穿越部位處于黃河下游開封河段，河床普遍高出兩岸地面，是沖淤變化劇烈，水流寬、淺、散、亂的游蕩性河段。黃河北岸河岸在水流沖刷作用下不斷受到侵蝕，沖蝕和坍塌較為嚴(yán)重，為此黃河河務(wù)部門專門修建了控導(dǎo)工程，受府君寺控導(dǎo)—曹崗險(xiǎn)工及其下延控導(dǎo)—常堤控導(dǎo)—?dú)W坦控導(dǎo)—貫臺(tái)控導(dǎo)—夾河灘護(hù)灘控導(dǎo)—東控導(dǎo)等8 處控導(dǎo)控制，該河段河勢(shì)得到有效約束，主溜較小，目前黃河主河道主要穩(wěn)定在府君寺控導(dǎo)工程以南1 200 m 的范圍內(nèi)，北岸灘地相對(duì)穩(wěn)定，工程穿越處北岸黃河大堤依附曹崗險(xiǎn)工，堤防多次進(jìn)行了加固，北岸堤坡穩(wěn)定，適宜布置穿黃施工場(chǎng)地。黃河南岸河床穩(wěn)定，河水流路集中，水流擺動(dòng)幅度小，南岸黃河大堤很少受洪水侵?jǐn)_，并且背河進(jìn)行了淤背，南岸堤坡穩(wěn)定。穿黃管線工程在所選具體穿越部位的場(chǎng)地進(jìn)行黃河穿越工程施工是適宜的。

2.2 洪水揭底沖刷問題

揭底沖刷是汛期水流對(duì)河底所產(chǎn)生的極為強(qiáng)烈的深度沖刷。據(jù)實(shí)測(cè)資料顯示，僅1951—1981年，黃河干流、支流汛期發(fā)生揭底沖刷現(xiàn)象達(dá)15次，順河向沖刷長度最大可達(dá)150 km，揭底深度最大17 m 多。關(guān)于黃河揭底沖刷的機(jī)理，一般認(rèn)為，它是在5～11 m/s 的高強(qiáng)度水流、在500～950 kg/m3高含沙洪水時(shí)黃河形成的復(fù)雜水流對(duì)河床所產(chǎn)生的破壞性作用［9-10］。

揭底沖刷對(duì)于河床和灘地破壞很大，往往順著沖刷坑造成凹陷槽溝性河床，對(duì)于穿黃輸氣管線工程的安全性構(gòu)成很大威脅。所以，在穿黃輸氣管線工程的規(guī)劃和設(shè)計(jì)中必須給予足夠的重視。在穿黃輸氣管線工程設(shè)計(jì)和施工階段，一般要開展專門的防洪專項(xiàng)論證，根據(jù)論證結(jié)論，將穿黃輸氣管線工程穿越層位選擇在黃河沖刷深度之下。

2.3 地震液化與震陷影響問題

黃河下游河床及南北堤防范圍內(nèi)的兩岸灘地，20 m深度范圍內(nèi)一般為第四系全新統(tǒng)沖積物，以黃河濮陽河段穿黃輸氣管線為例，其地層巖性大致劃分為第①層粉土，第②層粉土、泥質(zhì)粉砂、細(xì)砂，第③層粉土、粉質(zhì)黏土夾粉砂、細(xì)砂透鏡體，第④層粉砂、細(xì)砂夾粉土透鏡體，地下水埋深一般為2～8 m。根據(jù)以上基本地質(zhì)條件，第①層粉土、第②層泥質(zhì)粉砂及第④層粉砂、細(xì)砂（包括粉土）可液化土層存在地震液化的可能，經(jīng)過相關(guān)規(guī)范判定方法和經(jīng)驗(yàn)類比法等方法，對(duì)黃河下游河床及南北堤防范圍內(nèi)的兩岸灘地地基土層地震液化問題進(jìn)行了判別，判別結(jié)果表明：在20 m 的判別深度內(nèi)，主河道地基土土層地震液化等級(jí)為中等液化~嚴(yán)重液化，主河道外兩岸灘地地基土層地震液化等級(jí)主要為不液化，局部屬輕微液化或中等液化。液化點(diǎn)主要分布在第①層粉土、第②層粉土、粉砂、細(xì)砂及第④層粉砂、細(xì)砂中，需要進(jìn)行工程處理。

因此，采用定向鉆的施工方式穿越黃河的輸氣管線工程，選擇穿越層位時(shí)，必須選擇處于黃河揭底沖刷高程以下且層位埋深要大于可能發(fā)生地震液化的地層，由此可以避免地震液化和震陷對(duì)黃河下游穿黃輸氣管道的影響。

2.4 黃河根石問題

黃河下游有壩、垛2 萬多道［11］，在壩、垛的設(shè)計(jì)和建設(shè)中，為了保持壩、垛的穩(wěn)定性，均設(shè)計(jì)和修筑有一定深度、厚度和坡度的根石層（見圖1）。然而，由于黃河水流狀態(tài)的多變性和來水來砂條件的多樣性，洪水來臨時(shí)，一定條件下就會(huì)在壩前形成沖刷坑。沖刷坑形成后，含砂水流局部就會(huì)發(fā)生流線變化，一方面形成回流掏蝕河底，另一方面水流集中沖刷能力大大增強(qiáng)，造成根石坍塌。根石在水流作用下有兩種主要運(yùn)動(dòng)方式，一是隨著壩前沖刷坑的形成，根石下蟄，沒有出現(xiàn)明顯水平方向移動(dòng)；二是水流攜帶部分根石脫離壩體并向下游滾動(dòng)，出現(xiàn)一定的移動(dòng)距離。移動(dòng)一定距離的根石會(huì)在河床某一部位沉積下來，散落在河底，后期來水?dāng)y帶的沉落泥沙對(duì)其進(jìn)行自然掩埋，這部分根石就會(huì)埋藏在河道內(nèi)的泥沙地層中，如果發(fā)生河床變遷，河槽擺動(dòng)大，原行水河槽廢棄并經(jīng)泥沙堆積后變成新的灘地，則這類灘地地層中就會(huì)存在根石。

圖1 黃河護(hù)岸工程典型根石層示意圖

黃河根石的存在，給穿黃輸氣管線工程頂管施工帶來很大的影響。在輸氣管線頂管施工過程中，出現(xiàn)了施工碰到埋藏根石無法頂進(jìn)而被迫停工進(jìn)行局部線路調(diào)整的問題。所以，在穿黃輸氣管線工程設(shè)計(jì)和施工過程中要重視黃河根石問題。

2.5 灘地土對(duì)鋼質(zhì)管道的腐蝕性

黃河灘地土對(duì)輸氣鋼質(zhì)管道具有一定的腐蝕性，以黃河洛陽河段穿黃輸氣管線為例，在黃河灘地進(jìn)行了6組視電阻率測(cè)試，測(cè)試成果見表2。

表2 黃河灘區(qū)穿越土壤視電阻率測(cè)試成果表

由表2可知，其中0～9 m深度內(nèi)的土層，基本位于地下水位以上，其電阻率一般為110～210 Ω·m，電阻率相對(duì)較高；9 m以下基本位于地下水位以下，其電阻率從上到下呈逐漸降低的趨勢(shì)，其中9～25 m深度的土層的電阻率一般為55～100 Ω·m，25～35 m深度的土層的電阻率一般為35～40 Ω·m，根據(jù)判別標(biāo)準(zhǔn)［12］，穿黃輸氣管線工程在該河段可供穿越的10～25 m深度的土層土對(duì)鋼質(zhì)管道具弱腐蝕性，可供穿越的25～35 m 深度的土層土對(duì)鋼質(zhì)管道具中等腐蝕性。

2.6 水對(duì)鋼質(zhì)管道的腐蝕性

地下水對(duì)鋼質(zhì)管道的腐蝕性問題需要認(rèn)真研究［13］，以黃河濱州輸氣管線穿越河段為例，在兩岸民用井共取6組地下水及6組黃河水進(jìn)行水質(zhì)分析試驗(yàn)。根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果可知，場(chǎng)區(qū)地下水化學(xué)成分中HCO3-、Ca2+、Mg2+、K＋＋Na＋等離子含量相對(duì)較高 ，pH 值 為 7.12～7.27，總 礦 化 度 為 793.98～944.51 mg/L，總硬度為314.41～487.19 mg/L，地下水的化學(xué)類型為HCO3-—Ca2+·Mg2+·（K＋＋Na＋）型；場(chǎng)區(qū)黃河水化學(xué)成分中HCO3-、Cl-、Ca2+、Mg2+、K＋＋Na＋等離子含量相對(duì)較高，pH值為7.77～7.79，總礦化度為 575.76～604.93 mg/L，總硬度為 341.44～398.60 mg/L，地 下 水 的 化 學(xué) 類 型 為HCO3-·Cl-—Ca2+·Mg2+·（K＋＋Na＋）型。

依據(jù)相關(guān)判別方法［12］，場(chǎng)區(qū)地下水的 pH 為7.12～7.27，Cl-＋SO42-含量為 37.06～133.56 mg/L；場(chǎng)區(qū)黃河水的pH 值為7.77～7.79，場(chǎng)區(qū)黃河水的Cl-＋SO42-含量為182.78～195.26 mg/L，黃河水、灘地區(qū)域地下水對(duì)鋼質(zhì)管道的腐蝕等級(jí)為弱腐蝕。

3 結(jié)語

西氣東輸工程是我國重要的能源輸送通道，輸氣管線頂管穿越黃河時(shí)，需要研究河流環(huán)境頂管工程相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)問題，黃河是世界上著名的地上懸河，與黃河河流環(huán)境相關(guān)的工程風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)問題也有其特殊性和復(fù)雜性。因此，在穿黃輸氣管線工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)中，從河道穩(wěn)定問題、洪水揭底沖刷問題、黃河根石、土水腐蝕性等問題入手，經(jīng)過論證，選擇適宜的穿越河段、設(shè)計(jì)科學(xué)的管道埋深并避開對(duì)管道施工帶來影響的岸灘，節(jié)省工程投資，保護(hù)黃河環(huán)境不受污染，實(shí)現(xiàn)輸氣管線頂管穿黃工程順利施工以及竣工后長期安全運(yùn)營的目標(biāo)。