水毀災(zāi)害—石油管道的危險源

羅守敬，馬志飛

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

0 引言

2010年8月下旬，由于河北省秦皇島市大石河水庫泄洪放水，導(dǎo)致鐵秦線石油管道穿越大石河?xùn)|段出現(xiàn)河床下切，固管樁及石油管道外露，嚴重威脅管道的安全運營。通過對中國石油管道公司秦京線、任京線及東北石油管網(wǎng)等石油管道的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查[1]，發(fā)現(xiàn)水毀災(zāi)害是平原區(qū)影響石油管道安全運營的一種重要災(zāi)害。它不同于崩塌、滑坡、泥石流等常規(guī)地質(zhì)災(zāi)害，現(xiàn)狀條件下它主要表現(xiàn)為在暴雨或洪水情況下，管道附近出現(xiàn)水土流失或者河流溝道堤岸受到破壞從而導(dǎo)致管道覆蓋層變薄、管道露管或者懸空，威脅管道的運營。水毀災(zāi)害是威脅石油管道安全的一種特殊災(zāi)害，必須加以重視。

1 水毀災(zāi)害的類型及發(fā)育特征

1.1 水毀災(zāi)害的類型

根據(jù)管道穿越地區(qū)水毀災(zāi)害發(fā)育的地點、特征及其危害，將水毀災(zāi)害劃分為臺田地水毀、坡面水毀及河溝道水毀三種類型。

1.2 水毀災(zāi)害的發(fā)育特征

（1）臺田地水毀

臺田地水毀一般發(fā)生在臺階式田地的陡坎部位，管道穿越陡坎地段的松散土體時容易受到降雨和地表徑流的沖刷，易在地表形成沖蝕溝，從而導(dǎo)致管道上覆土體流失、變薄。在管道與陡坎距離相對較近時，土體的嚴重流失可能會掏空管道上覆土體，出現(xiàn)露管現(xiàn)象。由于臺田地的整體坡度較緩，臺田地水毀災(zāi)害對管道的危害主要為水土流失、露管或者破壞陡坎處的管道護坡工程，因此臺田地水毀災(zāi)害對管道造成的危害相對較小。

（2）坡面水毀

坡面水毀一般發(fā)生坡體上，坡面水毀主要由坡面水力沖蝕土體引起，而坡面水力沖刷侵蝕的強弱主要取決于邊坡的坡度、坡長、降雨、巖土體的性質(zhì)、地表植被覆蓋及人類工程活動等因素[2]，其中邊坡的坡度、降雨和人類工程活動是影響坡面水毀災(zāi)害的3個主要因素。坡面水毀災(zāi)害發(fā)育的嚴重程度取決于管道的敷設(shè)情況，如管道的埋深、管道上方覆土回填的密實程度等，同時也取決于管道的穿越方式，如管道與坡體是順向穿越、橫向穿越或斜向穿越[2]。一般情況下，坡面土體越松散，坡度越大，降雨強度越大，人類工程活動越頻繁，坡面水毀災(zāi)害發(fā)生的可能性越大，其危害程度越大。坡面水毀的危害程度與臺田地水毀類似，一般不會造成斷管。

（3）河溝道水毀

河溝道水毀一般發(fā)生在管道穿越河流或溝道的地段，是流水沖蝕作用形成的，降雨、上游水庫放水、冰雪融水、地下水等水文變化都可能對河溝道及堤岸產(chǎn)生侵蝕和破壞[3]。在管道穿越河溝道的地方，河溝道水毀的破壞方式主要有以下4類：第一、長期的流水沖蝕可能會掏空以直埋方式穿越河溝道的管道下方的土體而造成管道懸空；第二、石油管道的防腐層外露或者受到破壞；第三、外露的管道可能會繼續(xù)受到河溝道中的流水或者物體撞擊而出現(xiàn)管道凹陷或者斷管；第四、管道穿越河溝道時設(shè)置的防護工程受到破壞（圖1）。河溝道水毀災(zāi)害的發(fā)生，嚴重的結(jié)果是導(dǎo)致石油管道出現(xiàn)露管、斷管，危害管道的安全，如鐵秦線穿越大石河時上游水庫泄洪時的斷管、馬惠寧管道穿越環(huán)江時，汛期曾發(fā)生過斷管等[4]。河溝道水毀災(zāi)害的危害程度相對于其它兩種水毀災(zāi)害，危害程度最大，對管道的破壞最為嚴重。

圖1 管道敷設(shè)剖面示意圖[3]

2 秦京線輸油管道沿線水毀災(zāi)害的影響因素

“秦京線”為秦皇島—北京輸油管道，全長為349.026km，管道管徑為φ529mm，埋深一般1.5～2m，管道外防腐涂層采用石油瀝青防腐層，管道設(shè)計年輸油量750萬t。“秦京線”敷設(shè)地段屬華北平原區(qū)，穿越地區(qū)河流水系發(fā)育，農(nóng)田耕植、取土及河道挖砂等人類工程活動頻繁。據(jù)調(diào)查，“秦京線”沿線共發(fā)育坡面水毀16處，河溝道水毀8處，臺田地水毀3處，水毀災(zāi)害已造成管道露管、支護工程破壞等。

通過調(diào)查分析，影響“秦京線”沿線水毀災(zāi)害發(fā)生的因素主要為地形地貌、地層巖性、降水及地表徑流以及人類工程活動。

2.1 地形地貌

“秦京線”沿線部分地區(qū)斜坡陡坎較多，地形坡度一般大于5°，小型沖溝較發(fā)育。由于地形有起伏，降雨時在坡面上會形成小規(guī)模的洪流，沖刷侵蝕坡面上的土體，地表水土流失嚴重。在臺田地中有一些取土、取砂形成的陡坎地段或者因耕植活動形成的斜坡坡面地段，這些地段易發(fā)生臺田地水毀和坡面水毀災(zāi)害。在河溝道地段，由于地形高差的變化，流水可能會沖蝕河溝道的堤岸或者下切溝底，破壞堤岸的穩(wěn)定從而形成塌岸破壞護堤工程或者導(dǎo)致露管，引發(fā)河溝道水毀災(zāi)害。

2.2 地層巖性

“秦京線”沿線為華北平原區(qū)，管道敷設(shè)地段主要是砂土、粉質(zhì)砂土及粘土等第四系沖洪積物，土體疏松，在降雨或地表徑流的擾動下容易被沖刷，水土流失現(xiàn)象嚴重。對于河堤由砂土、粘土組成的大、中型河流，或者未作護坡護堤工程的河溝渠地段，土體松散，在流水沖刷下堤岸易失穩(wěn)，形成河溝道水毀災(zāi)害；對于砂土分布的農(nóng)田陡坎、臺地及斜坡等地段則易形成臺田地水毀和坡面水毀災(zāi)害。

2.3 降水及地表徑流

水毀災(zāi)害的形成與水關(guān)系十分密切，而大氣降水則是關(guān)系最為密切的“水因素”，同時大氣降水的時空分布對地表徑流的影響極為明顯。強降雨是坡面水毀、河溝道水毀的主要促發(fā)因素，充足的降水使巖、土體處于飽和狀態(tài)，雨水匯集形成的地表徑流則極易引發(fā)坡面水毀或者臺田地水毀；而當(dāng)大雨或暴雨時，絕大部分雨水都會排入河溝道中，加大河流的流量和流速，從而增強河流的側(cè)蝕和底蝕作用，致使河溝道底部不斷下切或沖蝕岸堤，引發(fā)河溝道水毀災(zāi)害的發(fā)生。“秦京線”沿線河流縱橫交錯，沿線河溝的特點是平時水流淺緩，雨季時河水暴漲，下切和側(cè)蝕能力強，由于管道多沿溝底埋設(shè)穿越或上部跨越，因此水毀對管道及其水工保護設(shè)施破壞性強。

2.4 人類工程活動

“秦京線”沿線人類工程活動頻繁，主要為農(nóng)田耕種、采砂、取土、建房、修路、修渠等。人類工程活動的影響主要有：農(nóng)田耕種會擾動管道上覆的土體，造成管道上覆土體變薄、疏松，加劇地表水的入滲，這是誘發(fā)臺田地水毀的主要原因之一；河道內(nèi)的采砂活動可能會改變河道的水文地質(zhì)條件，加劇河道的下切或堤岸側(cè)蝕，甚至出現(xiàn)河流改道現(xiàn)象，并最終降低河溝堤岸的穩(wěn)定性，為河溝道水毀的發(fā)生埋下了隱患；除河道外，農(nóng)田中取土或取砂活動亦十分嚴重，秦京線一處距離管道不足3m的地段仍存在大范圍的人工取土活動，嚴重威脅管道的安全；在一些基礎(chǔ)設(shè)施修建過程中，如鐵路、公路修建時的橋涵（洞）、過水廊道可能會把原來降水時面狀的地表徑流人為地進行匯聚，地表流水在通過橋涵（洞）后變?yōu)榧兴鳎魉亢土魉偌痹觯哟罅肆魉臎_蝕力，在暴雨時易形成坡面水毀或河溝道水毀災(zāi)害，對管道及其伴行道路形成威脅。

3 秦京線輸油管道沿線水毀災(zāi)害實例

水毀災(zāi)害是威脅秦京線管道正常運營的主要災(zāi)害，本文就3種水毀災(zāi)害分別闡述其對管道的危害。

3.1 K173+100m處臺田地水毀

K173+100m處臺田地水毀災(zāi)害發(fā)育在河北省唐山市豐潤區(qū)沙流河鎮(zhèn)，石油管道從沙流河鎮(zhèn)南的水塘邊穿過，管道周邊為村莊和農(nóng)田，地形平坦開闊，地表以粉質(zhì)砂土為主。

管道從水塘堤岸南側(cè)穿行，走向270°，敷設(shè)方式為直埋穿越，埋深1.5～2m。但管道南側(cè)已發(fā)生水土流失并形成一個長約3m、寬約3m的水蝕坑，深度約0.6m（圖2）。管道與水塘堤岸之間修筑有護坡工程，穩(wěn)定性較好，但由于水蝕坑尚未回填，水土流失仍將繼續(xù)發(fā)展，臺田地水毀災(zāi)害威脅仍在。

現(xiàn)狀條件下暫未發(fā)現(xiàn)臺田地水毀災(zāi)害對管道有明顯的破壞，但是在降雨和地表徑流的沖蝕作用下，管道附近水土流失現(xiàn)象將會加劇，臺田地水毀將進一步發(fā)展，對護坡工程造成威脅，影響管道安全運營。建議盡快回填水蝕坑，消除水土流失現(xiàn)象。

圖2 秦京線管道與臺田地水毀相對位置平面圖

3.2 K269-400m處坡面水毀

K269-400m處坡面水毀災(zāi)害位于北京市通州區(qū)馬莊村東500m處，穿越地區(qū)為農(nóng)田及林地，地形起伏小，地表以砂土為主，土體松散。

管道走向270°，敷設(shè)方式為直埋穿越，埋深1.5～2m。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在管道南側(cè)有一長約150m的長條型人工取土坑（圖3），坑深3m，坑壁平均傾角約60°，該取土坑距離管道最近處僅2m（圖4）。坑壁現(xiàn)狀條件下相對穩(wěn)定，但無護坡措施，靠近管道一側(cè)坑壁坡面已發(fā)生坡面水毀災(zāi)害，時有土體坍塌或水土流失現(xiàn)象發(fā)生，微地貌亦發(fā)生改變。

圖3 秦京線管道與人工取土坑的相對位置平面圖

圖4 秦京線管道與人工取土坑的相對位置剖面圖

管道距離取土坑最近僅2m，位于坡面水毀區(qū)的邊緣，現(xiàn)狀條件下未見露管，由于坑壁土體為砂土，松散，穩(wěn)定性差，在降雨情況下易發(fā)生坑壁坍塌，進而不斷向管道埋設(shè)處侵蝕，最終危及管道的安全。建議制止該處取土活動并開展管道一側(cè)坑壁坡面防護工程。

3.3 K144+080m處河溝道水毀

K144+080m處河溝道水毀災(zāi)害位于“秦京線”與陡河交匯處（圖5）。該點位于河北省唐山市豐潤區(qū)銀城鋪鄉(xiāng)國持營村，兩岸地形平坦開闊，地表以粉土和粉質(zhì)粘土為主。陡河寬約30m，水面寬度約15m，平均水深約2m，流速約為2m/s。

圖5 秦京線管道與陡河的相對位置剖面圖

管道以大開挖溝埋方式穿越陡河，走向270°，溝底管道平均埋深約2.5m，穿越處河堤坡度約70°，堤岸無防護工程。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，東側(cè)河堤塌岸現(xiàn)象較為嚴重，堤岸上有數(shù)十條寬約1～3cm的小裂縫，部分河堤已經(jīng)坍塌至河中，管道北側(cè)8m處的河堤出現(xiàn)一個半徑約2m的半圓形侵蝕坑，堤岸穩(wěn)定性差，在水位升高和流速加大時堤岸坍塌現(xiàn)象將加劇。由于陡河上游有水庫，水流的特征受水庫調(diào)節(jié)，水流速度平時較緩，上游水庫放水時水流流速增快，流水沖蝕作用加劇，加速塌岸災(zāi)害的發(fā)生。該處河道微地貌有明顯改變，坍塌、堤岸后退等水毀現(xiàn)象發(fā)育且具備一定規(guī)模，河溝槽擺動明顯，暫未出現(xiàn)露管、管道漂浮等現(xiàn)象，水毀災(zāi)害仍在發(fā)展中。

由于陡河穿越處管道埋深為2.5m，根據(jù)《秦京線安全性改造工程陡河穿越水文分析及沖刷深度報告》提供的數(shù)據(jù)[5]，管道穿越斷面處百年一遇設(shè)計洪峰流量為162m3/s，設(shè)計最高洪水位為40.0m，最大水面流速為3.78m/s，設(shè)計河床最大沖刷深度計算值為4.06m，大于管道2.5m的埋深，因此該河溝道水毀災(zāi)害嚴重時會對管道安全造成較大的威脅。

4 防治建議

“秦京線”沿線共發(fā)育水毀災(zāi)害27處，引發(fā)水毀災(zāi)害的主要原因是降雨及地表徑流沖刷以及人類工程活動，因此水毀災(zāi)害的防治應(yīng)從以下5個方面入手。

（1）修建截排水溝

修建截排水溝主要是針對臺田地水毀、坡面水毀災(zāi)害的，通過截排水溝工程減少流水對管道穿越地段的沖刷，減少水土流失，從而避免水毀災(zāi)害的發(fā)生。

（2）嚴格控制管道周邊采砂取土活動

人類工程活動是水毀災(zāi)害發(fā)生的主要原因之一，采砂取土活動破壞了管道穿越地段土體的穩(wěn)定性，在降雨或流水沖刷下易形成水毀災(zāi)害，因此應(yīng)嚴格控制管道周邊的采砂取土等人類工程活動。

（3）河溝道穿越處修建堤岸防護工程

河溝道水毀災(zāi)害的發(fā)生大多由于流水沖刷河溝堤岸導(dǎo)致其失穩(wěn)形成的，因此在管道穿越河溝時應(yīng)做好堤岸防護工程，減緩流水的沖刷側(cè)蝕，避免因水毀導(dǎo)致塌岸，破壞管道的正常運營[6]。

（4）回填管道近處的水蝕坑洞

水毀災(zāi)害的成災(zāi)時間相對緩慢，如坡面水毀、臺田地水毀，大多是穿越地段水土逐漸流失形成，因此對于管道近處的一些水土流失侵蝕坑洞應(yīng)及時回填，避免其形成危害。

（5）人工巡查

由于管道穿越地區(qū)廣，跨度大，要摸清管道是否遭受水毀災(zāi)害，人工巡查是極其重要的一個措施。通過人工巡查可以調(diào)查管道可能遭受的水毀災(zāi)害，也可以查清管道周邊的異常情況，為下一步的防治工作做好準備。

5 結(jié)論

（1）水毀災(zāi)害是一種間接危害管道安全的特殊災(zāi)害，它不同于崩滑流等常規(guī)地質(zhì)災(zāi)害造成瞬間、劇烈的破壞，水毀災(zāi)害往往導(dǎo)致管道上覆土體被沖蝕或管道護坡工程破壞倒塌，會逐漸造成管道外露，暴露于空氣中的管道易于遭受腐蝕以及人為破壞等。

（2）水毀災(zāi)害成災(zāi)時間一般相對緩慢，但水毀災(zāi)害受降雨及地表徑流的影響大，災(zāi)害大多發(fā)生在降雨雨強較大、地表徑流量大或者河溝道流水急增的情況下，水毀災(zāi)害的破壞亦具有很強的突發(fā)性，為避免突發(fā)的水毀災(zāi)害危害管道的安全運營，須提前做好防護措施。

（3）建議針對管道沿線水毀災(zāi)害的發(fā)育特征，評價其對管道危害的風(fēng)險等級，然后根據(jù)災(zāi)害的風(fēng)險等級及其它因素，制定合適的防治規(guī)劃，開展有針對性的防治工程，確保管道安全的運營。

[1]中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京市地質(zhì)研究所.秦京線、裝船線原油管道地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查及整治規(guī)劃[R].2010.

[2]吳 迪.西氣東輸管道沿線水毀災(zāi)害評價方法體系[D].西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文.2008:19~21.

[3]李成軍，李新生.西氣東輸工程管道水毀類型及發(fā)育特點[J].黑龍江科技信息，2008（8）:49.

[4]梅云新.馬惠寧管道地質(zhì)災(zāi)害類型及水工保護問題[J].油氣儲運，2003，22(11):35~38.

[5]中油四維工程勘察有限公司.秦京線安全性改造工程陡河穿越水文分析及沖刷深度報告 [R].2006.

[6]黃金池，孟國忠.管道穿河工程水毀災(zāi)害分析[J].泥沙研究，1998(2):42~49.