甘肅東南部長輸管道水毀類型及防治探析

2015-04-13 08:12:16王智博劉小暉

江漢石油職工大學學報 2015年6期

王智博，王任，劉小暉

（1.蘭州石化職業技術學院，甘肅蘭州730000；2.中石油西南管道公司蘭州輸油氣分公司，甘肅蘭州730060）

管道敷設屬于陸地淺表性工程，地球外動力地質作用（水力、風力、重力等）產生的環境演化及地質災害現象是管道工程所面臨的主要問題。管道地質災害是在自然或人為（或綜合作用）作用下形成或誘發的對管道及其附屬構筑物的安全、環境造成破壞，以及對社會經濟造成損失的地質作用（現象）。國內外對管道地質災害的研究，一方面集中于對埋地管線進行荷載的力學分析（事中控制），另一方面專注于管道風險管理和評價（事前控制），但都未形成比較系統的體系，主要還是依托于傳統地質災害的防治研究。目前，管道地質災害的發育機理及其防治措施主要集中于具體管線沿線地質災害的研究，鮮有系統地按區域進行“長輸管道地質災害發育類型和防治”的研究，所以，為確保管道安全，需要結合管道線路資料和生產實際對甘肅東南長輸管道水毀類型及防治措施進行深入細致的探討。

1 甘肅東南部長輸管道概況

甘肅東南部共有三條管道，分別為蘭成管道、蘭成渝管道、蘭鄭長管道。管道大部分敷設于黃土高原地區（蘭州－武山段）及秦嶺山區（武山－康縣段）。其中，敷設于黃土高原地區的管線，大多敷設于淺表層黃土中。該區黃土屬自重濕陷性黃土，厚度在15m以上，地下水埋深較深，濕陷性強，土體粘粒含量較少、較敏感；氣候干旱少雨且降雨集中，降雨利用率低，旱澇災害頻繁，易造成溝岸沖塌、溝谷下切、坡面沖蝕等；坡面植被覆蓋率在20%～30%，坡度多在10°～80°，塬面平緩，在原自然地貌被擾動后，水土流失嚴重。因此，容易致管道管溝塌陷及坡體滑塌，造成管道底部懸空或露管，威脅管道安全。

2 管道地質災害類型

近年來，管道行業結合地質工程學科和管道線狀分布、淺表性和輸送介質易燃易爆的特殊情況，已逐步統一并規范了管道工程地質災害的界定和類別，共包括19種。具體類別為粘土滑坡、碎石土滑坡、黃土滑坡、巖體滑坡、崩塌、泥石流、采空塌陷、坡面水毀、河溝道水毀、臺田地水毀、黃土濕陷、鹽漬土、凍土、巖溶塌陷、地面沉降、地裂縫、地震液化、水化學腐蝕、人類工程活動等。

根據現場實際，將甘肅東南部的管道類型劃分為坡面水毀和河溝道水毀。其中，坡面水毀包含塌陷類和垮塌類，表現為水流的漫流沖刷。其形成的主要原因是由于在較平緩的戈壁、山前傾斜平原區、臺田地地區、山坡坡面地帶等區域地表土體松散、植被稀少，主要特點是改道性、游蕩性強，多成漫流細溝對坡面產生沖刷。河溝道水毀包含河床下切類和河岸側蝕類，一般是由重度小于13kN／m3的洪水造成的，并對溝床產生強烈下切和側蝕作用，在一些地形切割嚴重、溝谷密集的山區較發育。

據不完全統計，在2014年，甘肅東南部管道沿線水毀災害共計126余處。其中：坡面水毀77處，占總數的61%，河溝道水毀49處，占總數的39%；黃土地區水毀災害83處，占總數的66%，秦嶺山區水毀災害43處，占總數的34%（圖1）。

圖1 蘭州輸油氣分公司2014年管道沿線水毀分布柱狀圖

從圖1可知，甘肅省東南部水毀災害主要發生于黃土地區，而黃土地區主要以坡面水毀為主。

3 坡面水毀

坡面水毀主要發生在斜坡坡面上或斜坡田臺地內和坎邊，常表現為坡面土體滑塌、土體塌陷，其形成和發育與土層性質、地質構造、水的活動等因素有關。由于濕陷性黃土具有飽和且結構不穩定的特征，所以，在此區域的水毀是由于地面水在地面凹地積聚、下滲、沖蝕，將土壤顆粒帶走而形成的，局部塌陷是由于回填土未嚴格按照設計密實度和含水量要求進行回填，致使其在自重或附加壓力的作用下，一旦被水集中浸濕結構就會迅速破壞，從而引發顯著下沉。

3.1 塌陷類

塌陷類水毀多發于黃土地區。該黃土區的黃土性質為自重濕陷性黃土，該類黃土在土體飽和下極易在自身重力的作用下產生自穩，從而發生沉降，嚴重時將形成黃土洞穴或黃土通道。因此，當大量的地表水匯集于塌陷區時，水會將管道周圍土體顆粒帶走，導致管溝上方或管道底部土體流失，最終使得管道露管或管道底部懸空，威脅管道安全（圖2、3）。

圖2 管道上方土體流失管道露管

圖3 管道下方土體流失形成落水洞

塌陷類水毀的治理要點在于水的治理。根據現場地形條件采用修建截排水溝的形式將坡面上的地表水進行截流，將地表水引入其他區域，防止地表水對塌陷區造成累進性破壞。截排水溝通常選用漿砌石或混凝土砌筑，其尺寸根據過流量的大小進行選取，坡降根據現場地形以不形成逆流溝為準。對地形坡度較陡和無法修建截排水溝的地段，則采用支擋和堵水的治理措施。挖開塌陷區，找到入水口，采用三七灰土等對其進行回填封堵，同時，為防止地面水滲入管道壁、順管道壁進行竄流，要在管道上方修建一道或多道截水墻。截水墻一般選用三七灰土或混凝土（黃土地區易用三七灰土），其長度要根據塌陷區的大小以兩端伸入穩定土體1～2m為宜。在斜坡上宜采用上窄下寬呈梯形結構的截水墻，在地形較為平緩的地方可采用矩形結構的截水墻。截水墻高度不宜＞3m，頂寬一般為0.5m左右，截水墻底部需低于管道底部（≥0.5m）。在農田地內砌筑灰土截水墻時，其頂寬的0.5m易采用素土進行回填，便于村民耕作。

在水毀災害較為嚴重地區，要根據現場實際情況采取綜合治理措施。

3.2 垮塌類

垮塌類水毀多發于坡面及田坎處。由于管溝開挖回填或伴行路開挖削坡等，導致坡體或田坎原土（巖）體結構發生改變，土（巖）體穩定性減弱，加之局部地段坡體臨空，土體具有向下滑移的臨空條件，在后期降水、地震以及人類工程活動等的影響下，土體飽水，重度增加，在自身重力以及外力沖蝕等的作用下，土（巖）體逐步解體而失穩，最終導致田坎及坡體垮塌，嚴重時演變為滑坡、崩塌等重大地質災害，使得管道露管，同時具有剪斷管道的風險，對管道的安全運營帶來極大威脅。該類水毀在管道全線境內最為發育（圖4、5）。

圖4 管溝連續塌陷

圖5 坡面垮塌

垮塌類水毀的治理要點在于水的排導治理及土（巖）體的支擋穩固治理。一般根據現場地形條件采用修建截排水溝的形式將坡面上的地表水進行截流，將地表水引入其他區域。同時，在垮塌區要采用相應的支擋措施對原土體進行穩固，防止其繼續垮塌，但要根據地形地貌、地形坡度以及災害規模等選用不同的支擋加固措施。常見的加固措施有漿砌石（混凝土）擋墻、護面墻、漿砌石（混凝土）格構滑坡、抗滑樁板墻、樁錨或格錨等。

4 河溝道水毀

河溝道水毀主要發生于河溝道內，其主要表現形式為河床下切、河岸側蝕。河溝道水流的沖刷侵蝕及河道擺動是造成管道水毀的主要動力因素。

4.1 河床下切類

河床下切類水毀為管道垂直或順河水水流方向，在管道穿越主河槽段，管道上覆蓋的土體在水流的沖刷作用下被明顯刷薄，若繼續沖刷下切，可能使管道發生外露。管道一旦外露不僅要受水流的沖擊，而且還要受水流攜帶的大量砂石和漂礫石的沖撞，易損壞防腐層，并可能導致管道彎曲甚至斷裂，嚴重威脅管道運行安全。河流的下切作用對管道沿線原建工程也帶來了極大威脅（圖6、7）。