黃土區(qū)油氣管道水毀機(jī)制及防治對(duì)策★

周欣海，周小鈺

(蘭州工業(yè)學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

0 引言

我國(guó)幅員遼闊,疆域廣大,在西北新疆等地區(qū)有著豐富的油氣資源,但我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省份多處于東南沿海,油氣管道必然要穿越我國(guó)中西部的黃土區(qū),這些油氣長(zhǎng)輸管線在穿越我國(guó)面積達(dá)44萬km2的黃土連續(xù)分布區(qū)時(shí)面臨著一系列的黃土地質(zhì)災(zāi)害。針對(duì)該類災(zāi)害的處置措施,目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已展開相關(guān)研究工作:趙忠剛等[1]對(duì)長(zhǎng)輸管道的地質(zhì)災(zāi)害類型進(jìn)行了較為全面的歸納,并簡(jiǎn)單介紹了防控措施和預(yù)測(cè)方法。黃鵬[2]通過實(shí)地調(diào)查,分析了澀寧蘭全線管道地質(zhì)災(zāi)害的類型。譚超等[3]通過對(duì)馬惠線的黃土災(zāi)害研究,詳細(xì)分析了黃土區(qū)的管道工程地質(zhì)災(zāi)害。馬克鋒等[4]研究了秦巴山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的主要類型、分布特征及成因機(jī)理。梅云新[5]對(duì)馬惠寧輸油管道所處黃土高原的自然環(huán)境、地形、地貌、地質(zhì)、水文氣象進(jìn)行分析,指出了水工保護(hù)工程中的已被實(shí)踐證明的有效方法。李寧[6]總結(jié)歸納了長(zhǎng)輸管道沿線水毀災(zāi)害類型和分布特征,同時(shí)分析得出其各因素與災(zāi)害發(fā)生分布的關(guān)系。付攀升等[7]分析了黃土陷穴發(fā)育規(guī)律及管溝黃土陷穴的成災(zāi)原因、致災(zāi)過程和機(jī)理。王錫軍等[8]現(xiàn)場(chǎng)勘查山區(qū)管道沿線204個(gè)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn),統(tǒng)計(jì)分析得出管道主要地質(zhì)災(zāi)害類型是水毀、滑坡和巖溶塌陷。張海磊[9]建立了考慮滑坡與油氣管道相互作用等評(píng)估指標(biāo),選取了中緬油氣管道典型滑坡災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用分析。

近幾年,我國(guó)在長(zhǎng)輸管道的地質(zhì)災(zāi)害方面取得了許多成果,但還面臨許多問題。目前在各類文獻(xiàn)里和實(shí)際工程中,對(duì)于水毀災(zāi)害的分類多以地形地貌為劃分依據(jù),普遍將水毀災(zāi)害劃分為坡面水毀、河溝道水毀、臺(tái)田地水毀等。但在濕陷性黃土區(qū)未考慮水毀破壞機(jī)制,也帶來了一些問題,例如,目前對(duì)坡面水毀仍以防止沖刷破壞為主,治理措施主要為漿砌石截水墻,在大部分地區(qū)漿砌石截水墻在防沖刷方面都取得了較好的效果,但在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)某處使用漿砌石截水墻攔截水流時(shí),漿砌石截水墻卻與坡面形成了匯水面,黃土在雨水匯聚的浸泡下出現(xiàn)了較大的落水洞,所以對(duì)黃土水毀災(zāi)害的治理應(yīng)從其破壞機(jī)制入手分析,做到對(duì)癥下藥,有針對(duì)性地提出治理對(duì)策。

1 油氣管道水毀情況

本次針對(duì)油氣管道黃土災(zāi)害的調(diào)研主要涉及管線為石蘭線和馬惠線。這兩條管線穿越了隴西、陜北、關(guān)中多個(gè)黃土區(qū)。調(diào)研線路全長(zhǎng)450 km,徒步勘察災(zāi)害典型路段約40 km,所調(diào)研的災(zāi)害點(diǎn)均為巡線過程中發(fā)現(xiàn)的災(zāi)害典型區(qū)段,同時(shí)參觀了該區(qū)域黃土災(zāi)害的工程治理措施。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn),管線的黃土災(zāi)害地域性分布明顯,在隴南天水等地主要以滑坡泥石流為主,治理措施多為攔擋壩或排導(dǎo)渠;青海、新疆、河西地區(qū)等廣泛分布季節(jié)性凍土,凍脹破壞也是造成管溝土松脹的主要原因,治理措施為提高管溝基礎(chǔ)或設(shè)置隔熱層;另外生物致災(zāi)等因素不容小覷,在寧夏中北部,多處管溝因?yàn)閯?dòng)物洞穴造成雨水灌入引發(fā)濕陷(見圖1);黃土區(qū)的管道多沿起伏不平的丘陵和山地敷設(shè),部分管線占用了農(nóng)田、民宅等地,局部穿越河溝、崾峴等不良地質(zhì),由于地形地貌的復(fù)雜多變,加之黃土易流失、易濕陷等特點(diǎn),黃土的水毀災(zāi)害十分嚴(yán)重,多處出現(xiàn)黃土沖溝(見圖2)、黃土濕陷、水土流失等黃土水毀災(zāi)害。

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),黃土的水毀災(zāi)害是各類黃土災(zāi)害中最為嚴(yán)重的災(zāi)害,黃土由于其本身結(jié)構(gòu)松散、水敏性較高、濕陷性黃土區(qū)的油氣管道水毀災(zāi)害分布范圍較廣、災(zāi)害類型多樣、防治成本巨大。

2 濕陷性黃土區(qū)管道水毀破壞機(jī)制的分析

目前對(duì)于油氣管道的黃土水毀災(zāi)害的研究仍處于較初級(jí)的階段。因?yàn)橛蜌夤艿赖狞S土水毀災(zāi)害是一個(gè)復(fù)雜的、受多因素影響的問題,我國(guó)幅員遼闊,地形地貌變化較大,油氣管道作為一種長(zhǎng)距離線性工程,穿越不同地質(zhì)構(gòu)造時(shí),面臨著不同的侵蝕特征,難以用一種統(tǒng)一的對(duì)策去治理不同的水毀災(zāi)害,更不能照搬非黃土地區(qū)對(duì)水毀災(zāi)害的研究和治理。

黃土易流失、易濕陷的特點(diǎn)決定了濕陷性黃土區(qū)的水毀不同于其他地區(qū)的水毀,所以應(yīng)在坡面水毀、河溝道水毀、臺(tái)田地水毀的劃分基礎(chǔ)上對(duì)水毀的破壞機(jī)制進(jìn)行細(xì)分。因此將黃土的水毀災(zāi)害的破壞機(jī)制分為匯流沖刷破壞和匯聚浸泡破壞。以便從其破壞形式和致災(zāi)因素入手,提出針對(duì)性的治理措施。

2.1 匯流沖刷破壞

匯流沖刷破壞多發(fā)生于較陡的坡面、河岸和臺(tái)田地灌溉渠,致災(zāi)因素主要有四點(diǎn):一是水流沖刷速率,其又取決于短時(shí)降雨強(qiáng)度與降雨時(shí)間、河溝道高度落差等;二是雨水匯流的坡降高差,不同的坡面都存在某一個(gè)范圍的臨界角度使其沖刷量達(dá)到最大值[10];三是土體的性質(zhì),黃土的松散結(jié)構(gòu)決定了其極易在沖刷下形成黃土沖溝;四是坡面的植被情況,植被覆蓋率對(duì)土體的抗沖刷性有明顯作用。其破壞形式主要為帶狀形式,多在管溝處形成少至數(shù)十米多至上百米的黃土沖溝,使管道發(fā)生露管或管道懸空,管道在橫坡穿越坡面、河溝道和臺(tái)田地時(shí),也會(huì)在數(shù)米至數(shù)十米的寬度內(nèi)發(fā)生沖蝕,如果任其進(jìn)一步發(fā)展,還會(huì)導(dǎo)致崩塌、滑坡等更為嚴(yán)重的災(zāi)害。

對(duì)于防沖刷的措施可以借鑒其他地區(qū)的成功經(jīng)驗(yàn),一般使用各類攔擋措施攔截水流防止下切沖蝕,例如漿砌石擋墻,格賓壩等。切忌攔截措施形成匯水面,發(fā)生浸泡破壞導(dǎo)致黃土濕陷。

2.2 匯聚浸泡破壞

匯聚浸泡破壞多發(fā)生于坡度較緩或表面不平整的坡面、河溝道凹岸和臺(tái)田地低洼匯水點(diǎn),致災(zāi)因素主要有三點(diǎn):一是黃土本身的濕陷性,濕陷性越強(qiáng)發(fā)生浸泡破壞的程度越嚴(yán)重;二是管道敷設(shè)的地貌特征,黃土區(qū)敷設(shè)的管道應(yīng)盡量避免處于低洼地勢(shì),防止雨水的匯聚;三是管道的施工質(zhì)量,黃土區(qū)的管線施工大多沒有對(duì)其濕陷性進(jìn)行預(yù)處理,施工時(shí)的管道上覆土壓實(shí)度也不足,這也是浸泡破壞的重要致災(zāi)因素。浸泡破壞的破壞形式多為點(diǎn)狀形式,在坡面低洼處形成直徑幾十厘米的落水洞。

黃土作為一種特殊土,因其濕陷性的特點(diǎn)有別于其他土,在水流匯聚浸泡下極易發(fā)生濕陷,使土體失去強(qiáng)度,切忌照搬其他地區(qū)的防治措施。防止浸泡破壞主要以各類導(dǎo)流排水措施為主,例如漿砌石截水墻、梁板式渡槽等,另外還可以結(jié)合灰土改良的方法,消除其濕陷性。

3 油氣管道黃土水毀防治對(duì)策

油氣管道的黃土水毀防治對(duì)策可以分為兩方面。一是防,即主動(dòng)防護(hù)措施,在水毀災(zāi)害發(fā)生前就主動(dòng)采取各類措施預(yù)防水毀災(zāi)害的發(fā)生。二是治,即被動(dòng)防護(hù)措施,在災(zāi)害發(fā)生后采取有效措施對(duì)水毀災(zāi)害進(jìn)行治理[11]。本文主要研究被動(dòng)防護(hù)措施,即防止災(zāi)害進(jìn)一步發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn)削減措施,避免其發(fā)展為更為嚴(yán)重的或不可預(yù)知的災(zāi)害,例如崩塌、滑坡、泥石流等。

目前對(duì)黃土水毀災(zāi)害研究還很不完整,理論深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及實(shí)際應(yīng)用的程度,將實(shí)際應(yīng)用中的防治措施作為研究對(duì)象不失為一種研究方法,因此本文將通過三類黃土水毀災(zāi)害的典型案例,詳細(xì)分析其破壞機(jī)制,并提出普遍性的防治對(duì)策。

3.1 坡面水毀

3.1.1 坡面水毀破壞機(jī)制分析

坡面水毀主要受沖刷破壞。以調(diào)研中發(fā)現(xiàn)的某濕陷性黃土區(qū)的坡面水毀為例,該處坡面的坡度約為20°～30°,水毀是典型的匯流沖刷破壞,管溝土在強(qiáng)降雨作用下崩塌沖蝕,管溝上覆回填土因?yàn)榕c管溝外原土黏聚力不足,在沖刷下形成了一條寬約2 m～3 m,長(zhǎng)約400 m～500 m的大型沖溝(見圖3),沖蝕程度嚴(yán)重。而沖溝的形成又為雨水進(jìn)一步匯流提供了條件,使更多的土體被雨水沖走,多處出現(xiàn)了露管和管道懸空。雖然坡面水毀主要受沖刷破壞,但其中的浸泡破壞也不可忽視。該處坡腳位置坡面角度變緩,約為10°～20°,坡面設(shè)置的兩道截水墻之間仍然出現(xiàn)了較大的落水洞(見圖4),因?yàn)殡m然高側(cè)的截水墻起到了攔截坡面匯流,防止沖刷的作用,但低側(cè)的截水墻又對(duì)管溝形成了匯水面,進(jìn)一步引發(fā)雨水的匯聚和滲入,產(chǎn)生陷穴,水的重力和侵蝕作用使陷穴不斷擴(kuò)大,產(chǎn)生較大的落水洞(見圖5)。另外西南側(cè)的坡面多處受到了雨水匯流沖刷破壞和雨水匯聚浸泡破壞的聯(lián)合作用(見圖6),一方面沖刷破壞形成的沖溝造成了雨水的匯聚,匯聚后的浸泡破壞出現(xiàn)了落水洞,另一方面落水洞的出現(xiàn)迫使匯聚的水流尋找出口,形成新的沖溝,兩種類型的破壞相互作用,愈演愈烈,使得管溝土的破壞十分嚴(yán)重。

3.1.2 坡面水毀的防治對(duì)策

濕陷性黃土區(qū)的坡面水毀防治也應(yīng)在分析破壞機(jī)制的基礎(chǔ)上提出防治措施[12]:

1)對(duì)于坡度較陡、季節(jié)性降雨強(qiáng)度較大、坡面土體松散的坡面應(yīng)以防治沖刷破壞為主,防治對(duì)策以攔截匯流為主,另外還可以采取加固護(hù)坡,放坡削坡和覆蓋植被的方法。攔截匯流主措施為各類截水墻,對(duì)于坡角小于45°的坡面宜使用漿砌石截水墻;對(duì)于坡腳小于30°的坡面,宜使用灰(水泥)土或黏土截水墻,其中灰(水泥)土截水墻常用于黃土地區(qū),加固護(hù)坡以漿塊石護(hù)坡為主;放坡削坡主要是避免坡面角度在沖刷量較大的臨界角度;覆蓋植被一般多在管道上覆土回填中加入草籽,利用植物根部的固結(jié)作用防止坡面沖刷破壞。

2)對(duì)于坡度較緩、常年降雨量較大、坡面不平整或有低洼處的坡面應(yīng)注意防止浸泡破壞。在沖刷作用不強(qiáng)烈的坡面建議將截水墻八字形設(shè)置防止浸泡破壞。坡面的浸泡破壞防治主要以疏導(dǎo)水流為主,另外還可以采用土質(zhì)改良、管溝土夯實(shí)、護(hù)坡防水等措施。雨水匯聚的疏導(dǎo)多使用排水墻或排水溝,將水流疏導(dǎo)至管溝土外。另外也有一些管道在施工時(shí),在保證管溝上覆土壓實(shí)度的同時(shí)對(duì)管溝的回填高于兩邊平地20 cm～30 cm,可以有效防止雨水匯聚;土質(zhì)改良多與管溝土夯實(shí)結(jié)合使用,即使用三七灰土或二八灰土對(duì)黃土坡面管溝土進(jìn)行換填,并進(jìn)行夯實(shí),可基本消除黃土的濕陷性;護(hù)坡防水主要使用各類不透水材料覆蓋坡面,以防止水流入滲。

3.2 河溝道水毀

3.2.1 河溝道水毀破壞機(jī)制分析

河溝道水毀的破壞形式主要以沖刷破壞為主,調(diào)研中發(fā)現(xiàn)某處河溝道水毀位于黃土區(qū)與沙土區(qū)交界處,該地區(qū)濕陷性等級(jí)多為Ⅱ級(jí)—Ⅲ級(jí),管道橫向穿越河溝道,河溝道寬約10 m,此處的年降雨量雖然不多,但過于集中在雨季,因此一旦進(jìn)入雨季,季節(jié)性河流的流量和流速會(huì)出現(xiàn)激增,沖刷破壞作用十分強(qiáng)烈。

該處河岸線分別沿河岸設(shè)置了漿砌石擋墻與格賓石籠擋墻,兩種擋墻相距約200 m,在河流流量及流速幾乎相等的情況下卻出現(xiàn)了完全不同的損毀情況,漿砌石擋墻在一場(chǎng)中雨匯聚的河流沖刷下被徹底沖垮(見圖7),而格賓石籠擋墻幾乎沒有損毀(見圖8)。究其原因,格賓石籠擋墻相較于漿砌石擋墻,重量較大,穩(wěn)定性好,而且由于其對(duì)水流的過濾作用,其防護(hù)效果會(huì)隨著時(shí)間不斷增加。另外格賓石籠此類的柔性支擋結(jié)構(gòu)相較于漿砌石擋墻此類的剛性支擋結(jié)構(gòu)更適用于濕陷性黃土地區(qū),柔性支擋結(jié)構(gòu)在抵御不均勻沉降方面明顯優(yōu)于剛性支擋結(jié)構(gòu)。

3.2.2 河溝道水毀的防治對(duì)策

由不同地形地貌及管道與河溝道的交匯形式,防治對(duì)策主要有以下幾種:

1)管道與河溝道平行,管道在河底敷設(shè),河流坡降較大,流速較快,流量較大,河流下切沖蝕強(qiáng)烈,主要考慮防止沖刷破壞。一般在河溝道設(shè)置多道防沖坎(截水墻),在溝口設(shè)置漿砌石擋墻或格賓石籠擋墻(見圖9)。

2)管道與河溝道平行,管道在河岸曲線外側(cè)敷設(shè),河岸受側(cè)蝕沖刷破壞,伴有水土流失,河岸線不斷外擴(kuò)逼近管道敷設(shè)區(qū)域。一般在河岸曲線外側(cè)設(shè)置漿砌石擋墻或格賓石籠擋墻,于管道逼近區(qū)域下游設(shè)置防沖坎(截水墻)(見圖10)。

3)管道與河溝道垂直,管道在河底敷設(shè),河流流速較快,下切沖蝕強(qiáng)烈,主要以防治沖刷破壞為主。一般沿河岸布置漿砌石擋墻或格賓石籠擋墻,擋墻可起到邊坡穩(wěn)定和防水流沖刷的雙重作用,河底做過水護(hù)坦,下游設(shè)置防沖坎(截水墻)(見圖11)。另外還可以采取跨越的方式,主要做混凝土支墩架設(shè)管道在河溝道上方通過(見圖12),此種方法雖然造價(jià)較高,但可以避免維修和監(jiān)控。

3.3 臺(tái)田地水毀

3.3.1 臺(tái)田地水毀破壞機(jī)制分析

油氣管道的敷設(shè)不可避免地要穿越農(nóng)田,灌溉渠等人類工程活動(dòng),臺(tái)田地水毀的主要影響因素就是人類工程活動(dòng)造成的地貌改變,水毀的主要物質(zhì)來源是農(nóng)田灌溉水,由不同的地貌和破壞機(jī)制可分為兩種類型。

1)油氣管道穿越灌溉渠時(shí)(見圖13),主要受灌溉水匯流沖刷破壞,伴有水土流失,使管道上覆土厚度不足,甚至露管,在濕陷性黃土區(qū)冬季面臨原油凍凝危險(xiǎn),影響管道的正常運(yùn)輸。

2)油氣管道穿越耕地、臺(tái)田埂等低洼地勢(shì),主要受灌溉水匯聚浸泡破壞,形成較大的陷坑或落水洞(見圖14),導(dǎo)致管道上覆土厚度不足甚至局部出露。

3.3.2 臺(tái)田地水毀的防治對(duì)策

臺(tái)田地的水毀也應(yīng)從其不同的破壞機(jī)制入手分析提出不同的破壞防治對(duì)策:

1)對(duì)于受沖刷破壞為主的管道穿越灌溉渠等,一般對(duì)灌溉渠1∶1放坡,渠岸設(shè)置漿砌石護(hù)坡,管道通過的渠底修建漿砌石底部護(hù)坦,對(duì)于坡降較大的灌溉渠還可以在下游設(shè)置防沖坎(截水墻)防治沖刷破壞。另外也可考慮架設(shè)過渠橋。

2)對(duì)于受浸泡破壞為主的管道穿越耕地、田埂等?？紤]到對(duì)農(nóng)作物種植的影響只能使用素土回填塌陷坑,對(duì)田梗修建漿砌石護(hù)坎,防止側(cè)蝕沖刷。

4 結(jié)論

通過本次對(duì)油氣管道水毀的分析研究,主要成果包括以下幾條:

1)通過調(diào)研發(fā)現(xiàn),在黃土區(qū)敷設(shè)的油氣管道普遍面臨多種的黃土災(zāi)害,由于管道多沿丘陵地勢(shì)敷設(shè),加之黃土結(jié)構(gòu)松散、水敏性較高,油氣管道的水毀仍是管線安全運(yùn)營(yíng)面臨的重大威脅。

2)對(duì)濕陷性黃土區(qū)的油氣管道水毀破壞機(jī)制進(jìn)行了細(xì)分,水毀破壞細(xì)分為匯流沖刷破壞和匯聚浸泡破壞,其中匯流沖刷破壞的致災(zāi)因素包括短時(shí)降雨強(qiáng)度與時(shí)間、坡面角度、土體性質(zhì)和植被覆蓋率,破壞形式主要為帶裝形式,浸泡破壞的致災(zāi)因素包括黃土濕陷等級(jí)、低洼地勢(shì)和施工質(zhì)量,破壞形式主要為點(diǎn)狀形式。

3)分析了坡面水毀、河溝道水毀、臺(tái)田地水毀不同破壞機(jī)制的防治方法,并提出了有針對(duì)性的防治對(duì)策。

5 建議

1)管線穿越黃土區(qū)面臨的濕陷性土層厚度一般都較大,最大地區(qū)大于100 m,考慮到經(jīng)濟(jì)造價(jià),長(zhǎng)輸管線的建設(shè)不可能完全消除地基土濕陷性,因此濕陷性黃土區(qū)的水毀災(zāi)害不可避免,治理還是應(yīng)以各類土木工程措施為主。

2)濕陷性黃土區(qū)水毀最關(guān)鍵的因素還是水的侵入和壓力作用,因此做好各類防水措施是水毀治理的關(guān)鍵,防水措施的關(guān)鍵是防止水流的沖刷和浸泡。

3)筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn),一般水毀災(zāi)害大都為黃土回填壓實(shí)度不滿足所致。故建議應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理,確保施工質(zhì)量。

4)濕陷性黃土區(qū)的水毀災(zāi)害治理應(yīng)針對(duì)不同地形地貌、水文條件、管線敷設(shè)形式提出針對(duì)性的措施,切忌千篇一律,照搬其他地區(qū)的治理措施。