濕陷黃土地區煤層氣集輸管道水工保護技術

萬濤 張炳俊

【摘要】：煤層氣是重要的非常規能源，目前我國已投入開發的煤層氣田多分布在濕陷性黃土地區，生態環境脆弱，水土流失嚴重，集氣管道建設面臨水土防護難題。本文結合延川南氣田集輸管線雨季水毀情況，從幾個方面分析了集氣管線水力破壞原理與危害類型。針對集氣管道水力破壞原理以及現場經驗提出了幾種適合于不同條件的水工保護方式。

【關鍵詞】：濕陷性黃土； 煤層氣； 集氣管線； 防護結構； 水工保護

中圖分類號：TD84 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（a）-0000-00

中國的黃土分布面積西起甘肅祁連山脈東段，東至太行山脈，北起長城，南到秦嶺，地跨220多個縣市，面積約63萬多平方公里，其中濕陷性黃土面積約占27萬多平方公里，在山西、陜西、寧夏等省區均有廣泛分布。我國煤層氣資源主要分布在鄂爾多斯、沁水和滇東黔西等8個盆地，其中埋深2000米以淺的煤層氣資源量約為36.81×1012m3，與國內陸上天然氣儲量相當[1]。目前國內投入開發的煤層氣田主要位于鄂爾多斯盆地與沁水盆地，恰是濕陷性黃土的主要分布區，水土流失十分嚴重。

以延川南煤層氣田地面工程建設過程中的水土防護經驗與教訓為例，分析濕陷性黃土地區煤層氣集氣管線水力破壞形式以及危害，并提出相應的管道防護措施。

1 濕陷性黃土的特征

濕陷性黃土顆粒間中存在毛細孔隙，顆粒依靠毛細張力膠結在一起。在毛細孔隙中懸浮有黃土小顆粒，當空隙中水分蒸發時顆粒間毛細水彎液面會發生退縮，在黃土顆粒周圍產生絮凝作用，給顆粒以支撐作用。但當水進入土中時，連接力大大減小，支托也會分散，黃土顆粒間聯結作用顯著減弱，產生濕陷效應[2]。

濕陷性黃土屬于弱聯結的粘性土壤，在含水量較低時具有較高的強度，在雨水沖刷條件下很容易造成水土流失。滲透性極差，雨水難以滲透到土層下蓄積，即使較小的雨量也可以形成較大的沖蝕災害。黃土在干燥狀態下具有很強的立壁性和吸水性。

2 濕陷黃土地區煤層氣集氣管線水土防護特點

2.1 氣田黃土情況

延川南煤層氣田位于山西省臨汾市境內，黃土厚度介于8m到24m之間，屬于II～III級自重濕陷性黃土。其自重濕陷量介于158mm到400mm之間，總濕陷量介于246mm到690mm之間，濕陷起始壓力不大于162kPa。氣田黃土含水量約為13%，天然重度γ約為16kN/m3。從力學性質分析，氣田所在地黃土屬中-低壓縮性黃土，地基承載力特征值約為150kPa[3]。

根據黃土的濕陷系數δs，可以將黃土濕陷性分為四類[4]：

<0.015，為非濕陷性黃土；0.015≤≤0.03，輕微濕陷性；

0.03<<0.07 中等濕陷性；>0.07 強烈濕陷性。

延川南氣田黃土濕陷系數與深度的關系如圖1所示，該地區屬中等濕陷性黃土地區。

2.2 煤層氣生產及水土防護特點

煤層氣是以吸附狀態儲存的非常規天然氣，其生產及水土防護具有以下特點：

（1）單井產能低（～1350m？/d），大規模的井網部署造成單位面積管道密度大（約為1.6～2.4km/km2）。黃土高原地區溝壑密度約為2.7～3.2km/km2，水工保護工作量大；

（2）煤層氣產建屬于低成本工程，水工保護工作也需要遵循低成本原則；

（3）煤層氣井排采見氣周期長（180d以上），生產壓力低，集氣管道主要采用高密度聚乙烯（PE）管材。管道壓力等級低、管材強度低。

3集氣管線水力破壞原理與危害形式

因黃土高原地形影響，集氣管道水毀的主要動力因素為水力侵蝕和土壤失陷。濕陷性黃土地區集氣管線遭受水力損害主要分為暗流侵蝕，山洪沖刷、泥石流以及山壁垮塌幾種形式。

（1）管道沿程某處水流垂直侵蝕（或下切侵蝕）到管道外側，水流在覆土之下沿著管道向下流動，形成暗流對管周黃土沖刷侵蝕，造成管道懸空。當暗流侵蝕到一定程度后，表層黃土由于重力作用產生塌陷，直接作用在管道上，造成管道的機械損傷[5]。

（2）在山區遭遇大雨后，雨水沿著山谷、溝壑匯集聚結，形成暴漲洪水，對管線進行強烈的沖刷。極易造成管線的露管甚至被沖刷斷裂。

（3）具有濕陷性的黃土在遭遇大面積強降雨時，穩定性遭遇嚴重破壞。大量的水體將黃土浸透，形成松軟的泥水混合物，流動沿途中沖擊并吸收各種固體堆積物質，體積不斷變大。飽含水分的固體堆積物在重力作用下發生高速運動，對管道會產生強烈的沖擊作用，導致管道損傷[6]。

（4）濕陷性黃土的立壁性在干燥條件下強度較好，在遭遇雨水浸泡后，雨水垂直滲入黃土中的縱向裂縫中，黃土的立壁性會遭到破壞，發生山壁的整體垮塌。會將管線拉扯變形甚至斷裂或可能導致管道的機械損傷。

4 管線水土防護措施

濕陷性黃土地區集氣管道的水土保護工程按照施工形式可以分為：夯筑、砌筑、澆筑、混凝土現澆、樁柱防護等。延川南煤層氣管線水保措施主要采用了消能臺階、草袋防護、箱涵、護岸護坡、擋土墻等。

4.1 消能臺階

據統計，黃土高于地區接近60%的土地為大于7°的山坡地區（緩坡）。在此類山坡上每隔一定距離建消能臺階，將雨水涵養在消能臺階上，使從坡上流下的沖刷雨水勢能歸零。不但減少了對管溝的沖刷也對雨水起了一定蓄積作用。

4.2 草袋防護

在不適合設置消能臺階的陡峭山坡，可采用素土夯實外加草袋裝土堆砌的方式做好對集氣管道的防護。草袋應注意采用適當的堆砌方式并適應山坡的坡度，在草袋中裝土過程中播撒一定的野草種子，雨季過后野草長出，增強了草袋防護的強度。素土草袋容易施工，是較好的防護手段。

4.3 澆筑箱涵

處于溝谷底部以及陡峭山坡的集氣管道容易遭受山洪、泥石流的沖刷，須采用箱涵防護。將管周虛土碎石清除至露出基巖（硬土）后，可以利用模具進行箱涵的澆筑。箱涵澆筑一般采用C20混凝土以及Φ7的螺紋鋼筋。混凝土以及鋼筋用量可根據管道大小以及山洪強度頻率現場調整。

4.4 漿砌護坡

對于常年有水流過、季節性洪水沖刷嚴重以及坡度較大的陡峭地段，集氣管道防護方式主要為漿砌護坡。采用2：8灰土將地基夯實后，用漿砌石和水泥砂漿砌筑護坡。水泥砂漿強度不宜小于M5，漿砌石強度不小于MU20。漿砌護坡具有美觀大方，堅固持久，抗沖刷能力強等優點。

4.5 鋼樁擋土墻

針對沿邊坡或者陡崖公路邊通過的集氣管線，宜采用鋼樁擋土墻。砌筑前需間隔1.5～2.5米打鋼樁（入土深度不小于2米），并將鋼樁之間用鋼片連接，鋼樁內側采用2：8灰土裝填草袋壓實。 集氣管道在草袋內側敷設，管道回填土須分層夯實。

4.6 漫水公路

在管線穿越小型河流時可采用漫水公路防護。漫水公路鋪設前需先在基巖上開槽敷設管道，管道四周采用細沙壓實，公路路面宜采用C20混凝土，鋼筋宜采用Φ12的螺紋鋼。漫水公路防護效果好，抗沖擊能力強，但造價高，施工復雜。

5 結論

采取相應的防護措施后，延川南煤層氣田集氣管道雨季受損現象得到了很大改觀，水土保持工作取得了良好的效果。根據延川南煤層氣田實際情況，本文總結了濕陷性黃土特點、煤層氣水工保護的特點、集氣管線水利破壞的原理和危害以及相應的水土防護措施，得出以下結論：

（1）濕陷性黃土具有滲透性差、抗侵蝕能力弱、遇水濕陷崩解的特點。

（2）水流對濕陷性黃土的危害主要為侵蝕、沖刷及垮塌幾種方式。

（3）各類水保結構均有不同的特點和防護效果，應該根據現場條件因地制宜，選取合適的防護方式。

參考文獻：

[1] 劉成林，朱杰，車長波，等. 新一輪全國煤層氣資源評價方法與結果[J] 天然氣工業 2009，29（11）：130～132

[2]穆斯塔法耶夫，A.A，濕陷性黃土地基與基礎的計算[M]. 北京：水利水電出版社，1984

[3]趙環. 晉南黃土的濕陷特征及其巖土特性評價[D]. 昆明：昆明理工大學地質工程專業，2009

[4]張俊義，杜景水. 洪水造成管道斷裂的事故分析[J].油氣儲運，2000，19（1）：16～19

[5]郝世英，蘇勇，常宏，等. 黃土高原長輸管道生態型水土保護技術[J]. 石油工程建設，2004，30（1）：31～34

[6]王慧智，杜景水，徐衛中.黃土高原油氣管道的水工保護[J].石油工程建設，1996，22（3）：31～33