山區(qū)管道工程坡面徑流防控設(shè)計及截排水體系

周大淜, 羅 揚, 葛 華, 郭涵宇, 王棠昱

(1.中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司,610095,成都;2.國家管網(wǎng)集團西南管道有限責任公司,610095,成都)

我國地形復(fù)雜、自然災(zāi)害頻繁,水毀災(zāi)害是威脅山區(qū)油氣管道安全最主要的地質(zhì)災(zāi)害類型,約占總災(zāi)害數(shù)量的70%[1-2]。在山區(qū)、丘陵區(qū)、黃土區(qū)建設(shè)的管道水毀現(xiàn)象十分嚴重,尤其在管道剛建成一兩年內(nèi)頻繁發(fā)生[3]。管道施工破壞作業(yè)帶地表植被、土壤結(jié)構(gòu)和坡面水系,導(dǎo)致雨季侵蝕溝在坡面迅速發(fā)育引發(fā)劇烈的土壤侵蝕[4],侵蝕溝持續(xù)發(fā)育最終導(dǎo)致作業(yè)帶構(gòu)筑物損毀甚至管道露空。徑流是導(dǎo)致坡面水毀及水土流失災(zāi)害發(fā)生的主要因素。

胡道華[5]總結(jié)黃土地區(qū)管道工程水工保護實踐經(jīng)驗并提出阻水和疏水的理念——設(shè)置阻水梗、截水溝、灰土擋墻等構(gòu)筑物用于黃土沖溝溝頭治理。李永軍等[6]對靖邊、延川黃土地區(qū)管道沿10°～25°順坡敷設(shè)作業(yè)帶間,隔5～10 m設(shè)置灰土截水墻、灰土排水溝,將坡面徑流引至管線兩側(cè)安全地帶。王鴻等[7]分析山區(qū)管道水土流失原因,采用塑料排水板用于坡面作業(yè)帶排水具有較好的經(jīng)濟效益;還分析土質(zhì)坡面侵蝕機理及對管道的危害,認為采用土工格室治理土質(zhì)坡面,治理水土流失效果良好[8]。林銘玉[9]通過對生態(tài)袋在山區(qū)長輸管道中的應(yīng)用研究,提出順坡敷設(shè)作業(yè)帶及設(shè)“非”字型排水溝將坡面徑流引出作業(yè)帶。

油氣管道行業(yè)已開展了大量坡面徑流防控研究工作。根據(jù)近幾年坡面水毀治理實踐,發(fā)現(xiàn)一些管道區(qū)段存在防護過度,如順坡作業(yè)帶設(shè)置密集的大尺寸阻水梗或截水溝,其過流能力遠超設(shè)計流量;另一些管道區(qū)段防護不足,如作業(yè)帶缺乏必要的截排水設(shè)施,造成坡面劇烈水土流失。筆者對公路、鐵路、市政、水土保持、油氣管道等行業(yè)設(shè)計標準規(guī)范有關(guān)坡面截排水設(shè)計標準、設(shè)計理念、設(shè)計洪水計算方法進行對比研究,并選取南方濕潤地區(qū)8個典型山區(qū)管道作業(yè)帶坡面進行水文計算分析,探討管道工程坡面徑流防護標準,提出管道順坡敷設(shè)、橫坡敷設(shè)截排水體系設(shè)置要點,為山區(qū)管道水工保護及水土保持工程實踐提供參考。

1 坡面徑流防控對標分析

1.1 坡面截排水設(shè)計標準對比分析

筆者對公路、鐵路、市政、水土保持、油氣管道等行業(yè)關(guān)于坡面截排水設(shè)計標準進行統(tǒng)計(表1)。鐵路、公路、市政及水土保持行業(yè)規(guī)范均根據(jù)不同工程等級及防護對象分別制定坡面截排水設(shè)計標準,其主要從工程重要程度、水毀造成的后果、修復(fù)難度以及工程造價等方面進行綜合考慮。根據(jù)規(guī)范,油氣管道工程地表排水設(shè)計降雨重現(xiàn)期宜為15～20 a,防護標準較為單一。

表1 坡面截排水設(shè)計降雨重現(xiàn)期對比表Tab.1 Comparative statement of designing rainfall recurrence interval for slope interception and drainage

管道順坡敷設(shè),坡面截排水溝主要用于控制管道埋設(shè)初期裸露作業(yè)帶坡面水土流失。經(jīng)過2～3 a林草植被恢復(fù)達標后,土壤侵蝕得到控制坡面趨于穩(wěn)定。因此建議坡面截排水設(shè)計降雨重現(xiàn)期取 3～5 a。

管道橫坡、斜切坡敷設(shè),作業(yè)帶施工擾動面將長期受到上坡側(cè)徑流沖刷,對管道安全運行及水土流失均有較大影響,需提高截排水設(shè)計標準。黃土地區(qū)土壤抗蝕抗沖能力差,管道經(jīng)過溝頭、腰峴、高陡邊坡時作業(yè)帶截排水也應(yīng)適當提高設(shè)計標準。國家干線管網(wǎng)事關(guān)能源安全、服役期長、穩(wěn)定性要求高,多采用DN 800～DN 1200大口徑管道,作業(yè)帶寬度 18～32 m,多采用全自動焊接工藝。山丘區(qū)需要修筑施工便道與作業(yè)帶降坡才能滿足焊接設(shè)備正常施工[10],作業(yè)帶擾動面大水土流失風(fēng)險高,建議設(shè)計降雨重現(xiàn)期取20～30 a。供氣支線管道、油氣外輸管道管徑多為DN 200～DN 800,作業(yè)帶寬度12～18 m,出現(xiàn)水毀造成社會影響及危害相對有限,建議設(shè)計降雨重現(xiàn)期取15～20 a。油氣集輸及氣田水管道管徑多為DN 80～DN 200,作業(yè)帶寬度6～14 m,這類小口徑管道施工擾動范圍小破壞程度輕,服役期較短油氣藏枯竭后將停止使用,管道出現(xiàn)水毀后停產(chǎn)維修也較為方便,建議設(shè)計降雨重現(xiàn)期取10～15 a。

1.2 坡面截排水設(shè)計理念對比分析

筆者對公路、鐵路、市政、水土保持、油氣管道等行業(yè)關(guān)于坡面截排水設(shè)計理念進行統(tǒng)計(表2)。公路、鐵路行業(yè)均從地表排水、地下排水、路面排水等方面進行規(guī)定,總體理念是排除地表水、地下水,維持路面、路基及道路邊坡的穩(wěn)定與安全,確保道路正常使用,具有很大的類似性。

表2 坡面截排水設(shè)置理念對比表Tab.2 Comparative statement of design concept for slope interception and drainage

市政行業(yè)旨注重科學(xué)設(shè)計室外排水工程,落實海綿城市建設(shè)理念,防治城市內(nèi)澇災(zāi)害和水污染,改善和保護環(huán)境,促進資源利用。雨水系統(tǒng)和污水系統(tǒng),應(yīng)相互配合、有效銜接,從源頭到末端全過程管控。

水土保持行業(yè)明確流域治理中坡面防護和梯田保護截排水工程設(shè)計要點,強調(diào)根據(jù)氣候條件選擇多蓄少排型、少蓄多排型及全排型坡面截排水體系,合理利用水土資源用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或促進植被恢復(fù)。

油氣管道行業(yè)針對管道工程特點,提出在順坡敷設(shè)、橫坡敷設(shè)的管溝內(nèi)設(shè)置截水墻防治管溝內(nèi)地下潛流侵蝕。對管道橫坡敷設(shè)、順坡敷塹頂坡面及黃土溝頭匯水進行截排,并對截排水構(gòu)筑物做出要求。坡面整治中提出使用水平溝、魚鱗坑、坡面種草、植生帶等措施攔蓄徑流促進植被恢復(fù)減少水土流失。

在具體截排水構(gòu)筑物設(shè)置要求上,各行業(yè)關(guān)于坡面截排水溝的坡比、消能等要求基本一致。鐵路、公路行業(yè)對截排水構(gòu)筑物采用的建筑材料要求相對較高,主要以漿砌石、混凝土等剛性材料為主。水土保持和油氣管道行業(yè)截排水建筑材料更為多樣,除漿砌石、混凝土外還可以采取素土夯實、灰土夯實、生態(tài)袋等形式。

山區(qū)管道敷設(shè)初期裸露作業(yè)帶極易受到徑流沖刷,嵌頂坡面和溝頭截排水溝、管溝截水墻在一定范圍內(nèi)起到防治土壤侵蝕的作用,但對廣泛的作業(yè)帶坡面水土流失而言防護不足。為防治作業(yè)帶植被恢復(fù)前坡面水土流失,為植被恢復(fù)及管道安全運行奠定基礎(chǔ),建議分類明確管道順坡敷設(shè)、橫坡敷設(shè)作業(yè)帶截排水設(shè)置要求,并結(jié)合項目區(qū)降水量采用多蓄少排型和少蓄多排型截排水體系。

1.3 坡面徑流設(shè)計洪水計算方法

小流域及坡面匯流面積較小,一般不具有水文觀測數(shù)據(jù),在工程實踐中通常采用暴雨資料推求設(shè)計洪水。根據(jù)陳楓[11]、伍斌[12]、王博[13]的研究,暴雨資料推求設(shè)計洪水主要有地方單位線法、經(jīng)驗公式法和推理公式法等3種方法。地方單位線法和經(jīng)驗公式法主要由各省市根據(jù)當?shù)乇┯旰樗嗄暧^測資料擬定,以計算中小流域設(shè)計洪水為主,具有較強的地域性,可通過查閱地方水文手冊獲得。TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》、JTGT D33—2012《公路排水設(shè)計規(guī)范》、GB 51018—2014《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》中坡面設(shè)計洪水計算均采用簡化推理公式:

Q=16.67ψqF。

(1)

式中:Q為設(shè)計徑流量,m3/s;ψ為徑流系數(shù);q為設(shè)計重現(xiàn)周期和降雨歷時的平均降雨強度,mm/min;F為匯水面積,km2。

GB 50014—2021《室外排水設(shè)計標準》也采用簡化推理公式計算設(shè)計流量,其形式如下:

Q=q′ψF′。

(2)

式中:q′為設(shè)計暴雨強度,L/hm2·s;F′為匯水面積,hm2。

通過對比可以發(fā)現(xiàn),式(1)、式(2)為簡化推理公式,系數(shù)不同由兩公式變量單位差異導(dǎo)致。該公式核心在于計算設(shè)計暴雨強度q。設(shè)計暴雨強度根據(jù)設(shè)計降雨歷時和重現(xiàn)期通過暴雨圖集、暴雨公式、或?qū)崪y暴雨資料推求。降雨歷時已經(jīng)包含坡面地表覆蓋情況、坡度、坡長等水文要素對匯流的影響,其計算公式如下:

(3)

式中:t為坡面匯流歷時,min;m1為地表粗度系數(shù),可根據(jù)坡面附作物情況查表取得;Ls為坡面流的長度,m;is為坡面的坡度,以小數(shù)計。

SY/T 6793—2018《油氣輸送管道線路工程水工保護設(shè)計規(guī)范》坡面設(shè)計洪水采用推理公式全面匯流條件進行計算,公式如下:

(4)

式中:HD為某設(shè)計頻率的雨力,mm/h;τ為匯流時間,h;n為暴雨遞減指數(shù);μ為損失參數(shù),mm/h。

對于匯流時間τ,按下列公式計算:

北方:

(5)

南方:

(6)

式中:K1,K2,α1,α2,β1均為系數(shù),量綱為1,根據(jù)地理位置表查得;L為主溝長度,km;J為主溝底縱坡,以小數(shù)計。

式(5)、(6)用于計算帶主溝小流域匯流時間τ,不適用于計算坡面匯流歷時t。管道作業(yè)帶坡面徑流無主要溝道、匯流面積小甚至不足1 km2,采用式(1)、式(2)計算設(shè)計徑流量更具合理性。

2 山區(qū)管道坡面截排水體系探討

2.1 典型坡面水文計算

筆者根據(jù)工程建設(shè)實踐選取南方濕潤區(qū)廣東揭陽普寧市粵東LNG一期項目、浙江寧波北侖區(qū)甬紹線管道工程、四川廣元蒼溪縣中貴線與元壩-普光管道聯(lián)絡(luò)線工程、重慶市潼南區(qū)川氣出川二線管道工程等4個工程8個典型作業(yè)帶坡面采用式(1)進行水文計算。首先根據(jù)項目所在地暴雨圖集得出特征暴雨(表3),根據(jù)管道測繪圖整理出典型坡面特征參數(shù)(表4、表5),再計算典型坡面設(shè)計徑流量(表6、表7)。

表3 項目所在地特征暴雨統(tǒng)計Tab.3 Statistics of characteristic rainstorms at the project sites

表4 典型順坡敷設(shè)坡面特征Tab.4 Characteristics of typical along-laying slopes

表5 典型橫坡敷設(shè)坡面特征Tab.5 Characteristics of typical cross-laying slopes

表6 典型順坡敷設(shè)坡面各頻率流量計算Tab.6 Flow calculation of each frequency on typical along-laying slope

表7 典型橫坡敷設(shè)坡面各頻率流量計算Tab.7 Flow calculation of each frequency on typical cross-laying slope

通過特征暴雨分析發(fā)現(xiàn),廣東普寧縣、浙江北侖區(qū)、四川蒼溪縣、重慶潼南區(qū)5 a一遇10 min平均降雨強度分別為2.64、2.56、1.77和2.26 mm/min,這根據(jù)GB 51018—2014《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》附錄A通過內(nèi)插法讀取的值基本一致。根據(jù)規(guī)范查圖北侖區(qū)位于2.0 mm/min等值線附近,但通過浙江省暴雨圖集為2.5～2.6 mm/min,其精度有較大提升,在實際工程中應(yīng)盡量采用當?shù)乇┯陥D集查閱參數(shù)以提高計算精度。

管道順坡敷設(shè)作業(yè)帶坡面徑流垂直等高線向下逐漸匯流,匯水面呈條帶狀受作業(yè)帶寬及坡長控制。四處典順坡匯水面積為0.004 4～0.008 3 km2,P=5%匯流量為0.11～0.20 m3/s,若將坡面按30 m間距設(shè)置截水溝則對應(yīng)流量約為0.01～0.02 m3/s,按照50 m間距設(shè)置截水溝則對應(yīng)流量約為0.02～0.04 m3/s。管道橫坡敷設(shè)作業(yè)帶承接上坡側(cè)匯水,匯水面受管段長度及管道至上坡分水嶺坡長控制,呈面狀。四處典型橫坡匯水面積為0.057～0.128 8 km2,P=5%匯流量為0.84～3.10 m3/s。橫坡作業(yè)帶上坡側(cè)來水在匯流過程中受微地形影響逐漸向坡面低洼地段及微型溝道匯集,30 m長作業(yè)帶控制流量約0.12～0.20 m3/s,50 m長作業(yè)帶控制流量約0.19～0.34 m3/s。管道橫坡敷設(shè)、順坡敷設(shè)等距離分段坡面匯流量相差約8～10倍,這也是管道橫坡敷設(shè)通常造成更為嚴重的水土流失原因之一。

2.2 坡面截排水體系探討

山區(qū)管道作業(yè)帶土壤侵蝕受到坡度、坡長、土石比等下墊面條件以及降雨強度、匯流量等氣象水文因素雙重影響[14]。坡面放水沖刷試驗表明侵蝕量與放水沖刷量之間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)[15],裸露坡面如不及時有效地防護,不僅造成嚴重水土流失還可能誘發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害,對周邊地區(qū)水土資源和工程本體造成巨大危害和破壞[16]。坡面植被恢復(fù)通常需要較長時間,工程建設(shè)初期主要靠坡面截排水措施來控制土壤侵蝕。

史冬梅等[17]、牛耀彬等[18]、丁文斌等[19]通過野外沖刷試驗深入研究紫色土、黃土、煤矸石等工程堆積體坡面徑流對土壤侵蝕的影響。根據(jù)其研究結(jié)論,試驗條件下放水流量10 L/min產(chǎn)沙率較小紫色土地區(qū)大致0～100 g/(m2·min),10～15 L/min放水量產(chǎn)沙率約200～500 g/(m2·min),在20 L/min形成突變產(chǎn)沙率達到1 500～3 000 g/(m2·min),持續(xù)10 min放水便可造成整個坡面劇烈侵蝕,20 L/min放水流量可視為坡面徑流造成土壤侵蝕的拐點。

將典型坡面設(shè)計流量折算到試驗條件下的放水流量,以20 L/min放水流量為拐點探討作業(yè)帶截排水設(shè)施設(shè)置的合理性。順坡敷設(shè)作業(yè)帶按截水間距20、30和50 m將坡面徑流折算為放水流量(表8)。順坡作業(yè)帶主要防治恢復(fù)初期坡面徑流沖刷,設(shè)計頻率宜按照P=33.3%進行控制。經(jīng)計算,截水間距為20 m時折算放水流量為13～19 L/min,間距為30 m時折算放水流量為19～29 L/min,為合理控制坡面徑流,順坡敷設(shè)截水溝間距取25～30 m為宜。間距為50 m時區(qū)間折算放水流量為31～48 L/min,將誘發(fā)作業(yè)帶劇烈土壤侵蝕。截水溝尺寸可按P=5%頻率降雨30 m長作業(yè)帶匯流量0.01～0.02 m3/s進行設(shè)計,一般情況下0.3 m×0.3 m簡易截水溝即可滿足要求。

表8 典型順坡敷設(shè)坡面不同截水間距放水流量折算Tab.8 Conversion of water flows for typical along-laying slope at different intercepting intervals L/min

橫坡作業(yè)帶將長期受到上坡側(cè)徑流沖刷,一般管道設(shè)計洪水頻率可按P=5%進行控制,坡面徑流折算為放水流量(表9)。根據(jù)分析,P=33.3%、P=5%暴雨條件下各坡面折算放水流量均已遠超20 L/min,此時將導(dǎo)致作業(yè)帶產(chǎn)生劇烈水土流失。

表9 典型橫坡坡敷設(shè)坡面放水流量折算Tab.9 Conversion of water flow for typical cross-laying slope L/min

橫坡作業(yè)帶長期受到上游匯水沖刷并在局部匯集,最終可導(dǎo)致作業(yè)帶嚴重水土流失、水工構(gòu)筑物損壞甚至管道露空。因此應(yīng)在作業(yè)帶內(nèi)側(cè)或上坡側(cè)設(shè)置永久性截排水溝,并結(jié)合微地形分段導(dǎo)入下游,斷面尺寸應(yīng)根據(jù)水文計算確定。

綜上,山區(qū)管道順坡敷設(shè)與橫坡敷設(shè)坡面徑流具有較大差異。南方濕潤區(qū)雨量充沛,管道順坡宜間距25～30 m分段設(shè)置水平截水溝、阻水梗截斷坡面徑流,避免匯集造成沖刷。構(gòu)筑物尺寸不宜過大,可采用素土夯實、生態(tài)袋等結(jié)構(gòu)形式,待作業(yè)帶植被恢復(fù)后該類截水設(shè)施將逐漸完成其使命。管道橫坡敷設(shè),作業(yè)帶上側(cè)匯流量大坡度陡沖擊力強,整個管道服役期均受到徑流沖刷。應(yīng)充分考慮坡面徑流的影響,在作業(yè)帶內(nèi)側(cè)設(shè)置截排水溝,將坡面徑流分段引入下坡側(cè)。截排水溝斷面尺寸應(yīng)根據(jù)水文計算確定,并考慮一定耐久性,宜采用漿砌石、混凝土等結(jié)構(gòu)形式。

在北方干旱、半干旱地區(qū)應(yīng)因地制宜,采取多蓄少排型截排水措施體系,采用截水溝、竹節(jié)溝、阻水梗、魚鱗坑、水平階等不同形式,達到阻斷水流的目的。此類截排水措施體系有待進一步根據(jù)工程實踐經(jīng)驗總結(jié)。

3 結(jié)論

1)通過對公路、鐵路、市政、水土保持等行業(yè)規(guī)范坡面徑流防控標準對比分析,提出管道工程坡面徑流防控設(shè)計建議,管道順坡敷設(shè)設(shè)計降雨重現(xiàn)期取3～5 a,管道橫坡敷設(shè)設(shè)計降雨重現(xiàn)期口徑≥DN 800管道取20～30 a,≥DN 200～DN 800中小口徑管道取15～20 a,口徑

2)根據(jù)南方濕潤區(qū)典型坡面水文計算,P=5%頻率降雨在管道順坡敷設(shè)30 m長作業(yè)帶匯流量為0.01～0.02 m3/s,在50 m長作業(yè)帶流量為0.02～0.04 m3/s,管道橫坡敷設(shè)在30 m長作業(yè)帶上坡側(cè)匯流量為0.12～0.20 m3/s,50 m長作業(yè)帶上坡側(cè)匯流量為0.19～0.34 m3/s。典型坡面管道橫坡敷設(shè)、順坡敷設(shè)等距離管段坡面匯流量相差約8～10倍。管道橫坡敷設(shè)受到坡面徑流沖刷影響更大。

3)根據(jù)工程堆積體坡面沖刷試驗相關(guān)文獻及典型管道坡面水文計算分析,南方濕潤區(qū)管道順坡敷設(shè)作業(yè)帶截水溝間距取25～30 m較合理,區(qū)間匯流量約0.01～0.02 m3/s,斷面尺寸較小,耐久性要求低。管道橫坡敷設(shè)匯流量大沖擊力強,應(yīng)根據(jù)水文計算確定截排水措施,并考慮一定耐久性,宜采用漿砌石、混凝土等結(jié)構(gòu)形式。