沖積扇上油氣管道水工保護措施及破壞類型

王生新，周 剛，徐 震，王鵬飛

1.蘭州大學西部災害與環境力學教育部重點實驗室，甘肅蘭州 730000

2.甘肅省科學院地質自然災害防治研究所，甘肅蘭州 730000

3.中國石油西部管道公司，新疆烏魯木齊 830013

沖積扇上油氣管道水工保護措施及破壞類型

王生新1，周 剛2，徐 震3，王鵬飛3

1.蘭州大學西部災害與環境力學教育部重點實驗室，甘肅蘭州 730000

2.甘肅省科學院地質自然災害防治研究所，甘肅蘭州 730000

3.中國石油西部管道公司，新疆烏魯木齊 830013

沖積扇是山地河流在出山口形成的扇形堆積體，由于沖積扇的坡度和物質組成極易在沖積扇上形成匯水沖蝕，使通過此地區的油氣管道產生變形、失穩或露管等水毀災害，因此沖積扇上的水工保護措施對管道的安全運營有重要意義。總結了防沖墻、截水墻、截排水渠、護岸、過水面和護坦等沖積扇常用水工保護措施及其破壞類型，并分析了產生這些破壞的原因，對應各類破壞形式提出改進建議。最后指出：水工保護措施對油氣管道的安全運營意義重大，應將其與管道工程視為同等重要；需對管道周圍的地形、地貌以及當地的水害現象有一個全面的了解和掌握，以選擇合適的水工保護措施。

沖積扇；水毀災害；水工保護措施；破壞類型

沖積扇是山地匯水水流在出山口形成的扇形堆積體，主要發育在地勢起伏較大且沉積物豐富的地區。當暫時性洪流攜帶大量碎屑風化物流出山口時，坡度變緩，水流擺脫峽谷的束縛向四方散開，使水流流速驟減，同時大量碎屑物質堆積形成沖積扇。由于組成沖積扇的物質粒度粗、分選差、滲透性強，同時坡度大、坡面凹凸不平，極易形成匯流沖蝕土體，使油氣管道產生變形、失穩或露管等水毀災害，因此研究沖積扇上的水工保護措施對管道的安全運營有重要意義。

表1給出了澀寧蘭輸氣管道遭受的地質災害統計，其中由水導致的河溝道水毀、坡面水毀、泥石流和臺田地水毀是數量最多的災害。油氣管道多布置在沖積扇的中前緣，通常為橫坡或順坡敷設，沖積扇上沖溝與油氣管道關系如圖1所示。

表1 澀寧蘭管道遭受的地質災害統計

水流在沖積扇坡面產生匯流，沿沖積扇坡向流動，并形成沖溝，與橫向敷設的管道相交，危害管道安全運營。

圖1 沖積扇上沖溝與油氣管道關系

管道水工保護（以下簡稱水保）措施就是針對管道存在的安全問題設置的油氣管道配套設施，從而減小水毀對油氣管道的不利影響，確保油氣管道的安全性和穩定性。由于管道災害頻發，對管道的安全防護也越來越引起人們的重視，不同作者從不同角度闡述了防護措施的關系。李亮亮等[1]針對河溝道水毀對管道的危害形式將河溝道管道水毀的工程防護結構分為直接型和間接型兩大類，并總結了不同水保類型的適用條件及防護目標。趙忠剛等[2]結合工程案例對長輸管道地質災害的類型、防控措施及監測方法進行了定性的分類論述。李寧等[3]根據油氣管道工程沿線大量水毀災害的調查，對長輸管道的水毀災害分布特征及其影響因素進行了分析研究，總結了長輸管道沿線水毀災害類型和分布特征。趙應奎[4]對西氣東輸管道線路的地質災害和防治對策進行了定性分析。王鴻捷[5]總結了澀寧蘭水保措施中使用的新技術新工藝。王智博等[6]通過對甘肅東南部三條長輸管道的調查，總結坡面水毀主要類型有塌陷類和垮塌類，河溝道水毀主要類型有河床下切類、河岸側蝕類和溯源侵蝕類。李智毅等[7]論述了在不同地質環境條件下管道災害的發育特征。王惠智等[8]總結了黃土地區水毀特點及常用水保措施，并提出治理原則。李旦杰[9]則結合西南地區地質構造特點，提出了水土保持與管道保護相結合、工程措施與生物措施相結合、恢復利用與生態優先相結合和水土保持與地方經濟發展相結合的綜合防治水毀措施。

本文通過對高臺、山丹、茶卡和鄯善等地的沖積扇上油氣管道水保措施的實地調查，總結了沖積扇上幾種常用水保措施的破壞形式并分析其產生破壞原因，提出整改建議。

1 常用水保措施類型

水是沖積扇上各種災害的主要誘因，水在管道擾動區域更易引起坡面沖蝕、河溝道下切、河流改道等變化，進而導致管道變形、失穩或露管，對管道安全產生危害。水保措施的最主要目的就是對管道本體進行水害防治，應具有較高的穩定性、強度和耐久性。從水保措施的作用看，可以分為兩類：一類是管溝回填土的保持，如護岸、防沖墻、過水面等；另一類是地表水排導水措施，如截水墻、截排水溝等。常用水保措施有六種。

1.1 防沖墻

防沖墻對防止河床的下切效果明顯，是廣泛使用的一種過水面措施。防沖墻能夠降低水流流速，使水流中攜帶的泥沙產生沉積，并能減弱上游河床的下切作用。防沖墻通常置于管道穿越段下游5～10 m范圍內，兩端應嵌入岸堤一定深度，并與水流方向垂直，避免水流在一側匯集沖刷溝岸。當河床比降較大時，應設置多級防沖墻護底，降低水流流速對溝道底的下切。

1.2 截水墻

油氣管道敷設時，當管溝回填土的密實度等物理力學性質降低時，抗沖蝕能力會減弱。因此在管道順坡敷設時，在坡面徑流的沖刷下，易引起管溝回填土流失形成溝蝕，最終造成整個管溝回填土全部流失，使管道暴露甚至懸空。截水墻能對坡面匯水引起的管溝覆土的沖蝕起到消能保土作用，截水墻基底置于管溝溝底，其頂面宜與原自然地面齊平。截水墻一方面對地表徑流下滲形成的地下潛流起到消能的作用，另一方面減少了由降雨形成的坡面匯水沿管溝沖刷造成的管溝內回填土流失。因而截水墻也是管道行業中應用最廣泛、最成功的坡面防護措施之一。

1.3 截排水渠

截排水渠是為防止坡面匯水對管溝回填土造成沖蝕，根據地形、地貌、匯水面積等情況設置的防護措施。設計截排水溝時需考慮地質條件、邊坡坡度、匯水面積及排水功能。截排水渠設計應能使水流順利流入渠道匯集水流，同時斷面設計尺寸應能夠及時排走全部水流而不溢出。

1.4 護岸

護岸是通過對岸堤的加固來防止岸坡的沖刷、侵蝕和掏蝕。按護岸受土壓力作用類型可分為擋墻式護岸和坡式護岸。護岸應根據水流性質、河道地質地貌等因素，結合防護位置，選用合適的護岸類型，如拋石護岸、石籠護岸、漿砌石護岸等。由于長輸管道所通過的水域溝道較多且復雜，絕大多數溝道不具備水文資料，突發性洪水的水力參數收集困難，因此管道水保護岸工程通常采用設防等級較高的漿砌石護岸。同時為保證護岸的穩定性和耐久性，需對護岸高程和護岸形式進行合理設計，護岸頂面高程應高于設防水位并有一定的安全高度，同時對于護岸基礎淘刷要有相應的應對措施。

1.5 過水面

管道穿越河溝道時，開挖施工破壞了原河床的穩定地層，而管溝回填土的密實程度、抗沖蝕程度均比原河床未擾動土弱，因此管道覆土更容易被水流沖刷而流失。過水面是設置在管道位置或管道下游河溝道的構筑物，可以有效防止管道覆土流失和河、溝床沖刷下切。過水面的長度應覆蓋管道穿越段長度且嵌入兩側河溝岸，寬度不宜小于管溝上口寬度。為保證河溝道的行洪，過水面頂部一般不高于原溝道床面。過水面的材料選用應根據河溝床的水文、地質條件及施工材料等綜合考慮。

1.6 護坦

護坦設置在泄水建筑物下游，保護溝道免受水流的沖刷，具有消能防沖的作用。沖積扇上常用護坦有鉛絲石籠護坦和漿砌石護坦。護坦常與過水面配合使用，能夠保護過水面后土的沖刷，延緩構筑物的破壞。石籠為柔性結構，允許一定的不均勻沉降，設置方便，抗沖擊能力強，不易沖散。缺點是鐵絲易腐蝕斷絲，耐久性差。漿砌石護坦為剛性結構，用于跌水能量較大情況，通常設置為一級或多級護坦形式，能夠減小水流對溝道的沖擊，多用于流速快、跌水高差大的溝道。

2 水保破壞類型

2.1 截水墻與防沖墻的破壞

圖2是截水墻的側蝕破壞現場。由于管道回填土的抗沖蝕性能弱，坡面匯水沿管道流動形成沖溝；同時在修建截水墻時，截水墻對截水墻周邊土也產生擾動，易于沖刷，當遭遇強降水時，水流匯集順坡沖刷，破壞截水墻，沖蝕管溝回填土。

圖2 截水墻側蝕破壞

防沖墻與截水墻的構造形式和作用相似，同樣具有相似的破壞形式。圖3顯示了防沖墻側蝕破壞，水流繞流。這是由于防沖墻嵌入岸堤深度較淺，水流與防沖墻斜交，形成了水流的集中頂沖作用，不斷側蝕嵌入的深度，最終沖毀，使防沖墻失去作用。因此在設計施工時截水墻和防沖墻應與水流正交，對回填土采取夯實等加固措施，在不能保證防沖墻與水流正交時，可設置護岸，減少水流對岸堤的侵蝕。

圖3 防沖墻側蝕破壞

由于水流的沖刷和回填土的沉降，截水墻或防沖墻墻頂通常高于河溝道面，水流下跌對河溝道造成沖擊，同時水流也對河溝道造成沖蝕下切。圖4展示了水流對截水墻或防沖墻的沖刷掏蝕破壞。水流對河床的下切沖蝕使墻體全部出露，同時由于朔源侵蝕，對于埋置較淺的墻體基底產生掏蝕，對截水墻和防沖墻的穩定性產生影響，繼續發展可能會使墻體產生傾覆。在對防沖墻和截水墻設計施工時，應盡量減少對現有流水形態的影響，截水墻應與地面齊平，防沖墻不應高于現有河床面并對回填土進行加固。當墻頂高于河溝道面時，應設置護腳或護坦等消能保護措施，減緩對河溝道的侵蝕。

圖4 截水墻與防沖墻的沖刷掏蝕破壞

2.2 截排水渠的破壞

圖5是截排水渠的常見破壞形式，水流沒有按照設計預期匯入截排水渠并從截排水渠中排走，而是沿截排水渠外側順坡流走。這是由于在截排水渠施工過程中對周圍土體產生擾動，導致土體不密實，抗沖蝕能力差，降雨和流水對導流渠周邊土體產生侵蝕，使截排水渠高于周圍土體，因而水流不能匯入截排水渠，而是沿截排水渠順坡流走。因此設計施工時導流渠不應高于周圍地面，并對導流渠周邊土體進行加固。加強導流渠的匯水口的設計，選擇合理的渠道截面，加強匯水導流能力。

圖5 截排水渠的破壞

2.3 護岸的破壞

圖6為擋墻式護岸在管道通過處的裂縫和變形破壞。由于管道回填土相較于未擾動的土體能使水更易滲入，墻后土壓力增大，導致護岸出現裂縫變形。因此在進行護岸的設計施工時應按浸水擋土墻進行設計，在缺乏相關設計資料時，應參考附近相似工程進行施工，并使用耐久性長、強度大的材料，提高設防等級。

圖6 護岸的墻體破壞

圖7為護岸砌石的脫落現場，由于護岸埋置較淺，河床面下切，露出護岸基底。在水位高度下護岸的漿砌石水泥勾縫磨蝕嚴重，同時護岸基礎有掏蝕現象，使石塊在重力作用下掉落，對護岸的穩定性產生影響。為避免護岸基礎的破壞，可以將護岸的基礎設在沖刷深度以下，使基底不受沖刷；或為護岸設置防掏蝕措施，例如下游設防沖墻，墻角設拋石、石籠等護腳。

圖7 護岸的基底破壞

圖8為坡式護岸在管道通過處的塌陷。由于管道回填土自身的沉降或水流對回填土的侵蝕導致護岸懸空，在護岸自身重力下產生塌陷。對于這種破壞可以通過夯實回填土，減少回填土的沉降和侵蝕，或采用整體性護岸材料，避免護岸的局部塌陷。

圖8 護岸的塌陷

2.4 過水面的破壞

由于漿砌石灰縫飽和度達不到標準，水流可從漿砌石縫隙間流入過水面基底，對基底產生掏刷，漿砌石在重力作用下產生塌陷破壞（見圖9），因此保證漿砌石灰縫的飽和度對過水面的耐久性有重要作用。

圖9 過水面塌陷破壞

由于水流攜帶的泥沙、石塊對過水面表面水泥抹面有磨蝕作用，導致過水面表面支離破碎。當地形地貌發生改變，水流也改變了原先的流動方向，部分或全部水流從過水面的一端流過，侵蝕管道上方土體，使過水面失去防護作用。面對此種情況，應及時對缺口進行填補，同時在上游設置導流墻等導流措施，約束水流方向。

圖10展示了水流沖蝕下切河溝道面，同時朔源侵蝕、掏蝕過水面基底，使過水面懸空導致塌陷，致使過水面縮短。對于這種情況應設置相應的消能措施，減小對河床的侵蝕。

圖10 過水面基底侵蝕

2.5 護坦的破壞

鉛絲石籠是油氣管道水保最常用的消能防護措施。水流流經鉛絲石籠時，水流通過石塊空隙流入石籠基底，沖蝕石籠下土體，導致鉛絲石籠產生不同程度的塌陷，最終石塊在重力下破壞鉛絲，導致鉛絲石籠完全破壞，如圖11所示。

圖11 鉛絲石籠塌陷及破壞

由于處在室外環境中，自然條件惡劣及水流中泥沙的沖擊磨蝕，導致鉛絲石籠的鐵絲銹蝕斷裂，石塊從中散落出來，如圖12所示。

圖12 鉛絲石籠鉛絲銹蝕破壞

河床的下切沖蝕嚴重，同時水流朔源侵蝕，使護坦懸空，在重力作用下，部分漿砌石護坦掏蝕而破壞（見圖13），產生塌陷。部分區域由于水流中攜帶泥沙、石塊沖擊漿砌石護坦，導致其破壞，如圖14所示。

圖13 漿砌石護坦掏蝕破壞

圖14 漿砌石護坦沖擊破壞

3 水保防護措施工程現狀

沖積扇管道的防護重在治水，通過在管道易發生水毀破壞處有針對性地設置水保措施來保護管道。在實踐活動中雖然也積累了一定的管道水保經驗，但尚未形成充分的理論依據和適用的指導原則。在此方面還有待于進一步加強研究和探索，通過實地勘察發現，現有水保措施存在以下問題。

3.1 水保措施數量不足

現有水保措施主要設置在溝道較大、沖刷明顯且對管道有明顯威脅的位置。而在較小的溝道、沖刷不明顯的位置沒有采取任何措施，任由這些災害點的發展將會對管道產生威脅。

3.2 現有水保措施損毀嚴重

由于自然條件惡劣，修建時間較長，維護不及時，現有水保措施普遍存在著不同程度的損毀，有的甚至已經失去防護作用；因此應加強對防護措施的巡查，及時維護水保措施。

3.3 水保措施防護效果差

由于油氣管道距離長，沿程災害數量眾多，缺乏防護設計的相關資料，不能做到每個災害點都進行合理設計施工。同時水保措施設防標準不足，如溝道的過水面尺寸明顯偏小，不能保障管道的安全。水保措施不完善，如過水面工程兩側側墻沒有設置，難以使洪水匯集，遇較大暴雨時水流有可能從過水面兩側進行沖刷而導致工程損壞。

4 結束語

管道敷設及水保措施施工時，對周圍土體產生擾動，造成土體性質發生變化，使擾動土體極易被沖刷，導致水流形態產生變化，溝道沖蝕下切，造成構筑物塌陷，使水保措施防護效果減弱或完全失去作用，這是水保措施破壞的主要原因。同時自然環境、水流流速及水流中泥沙沖擊也是造成水保措施破壞的原因。水保措施的主要破壞類型有水保措施基底的掏蝕懸空、水流繞流、水保措施局部塌陷等。水保措施對油氣管道的安全運營意義重大，應將水保措施與管道工程視為同等重要的工程。要保護好管道，就需要對管道周圍的地形地貌以及當地的水害現象有一個全面的了解和掌握，選擇合適的水保措施。

[1]李亮亮，鄧清祿，余偉，等.長輸油氣管道河溝段水毀危害特征與防護結構[J].油氣儲運，2012（12）：945-949，966.

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[3]李寧，傅榮華，譚超.某長輸管道水毀災害分布特征及其影響因素研究[J].甘肅水利水電技術，2015（7）：35-37，46.

[4]趙應奎.西氣東輸工程管道線路地質災害及其防治對策[J].天然氣與石油，2002，20（1）：44-48.

[5]李智毅，顏宇森，雷海英.西氣東輸工程建設用地區的地質災害[J].地質力學學報，2004，10（3）：253-259.

[6]王智博，王任，劉小暉.甘肅東南部長輸管道水毀類型及防治探析[J].江漢石油職工大學學報，2015（6）：47-50.

[7]王鴻捷.澀寧蘭輸氣管道線路工程水保[J].天然氣與石油，2003（1）：10-13.

[8]王惠智，杜景水，徐衛中.黃土高原油氣管道的水保[J].石油工程建設，1996，22（3）：31-33.

[9]李旦杰.西南成品油管道地質災害影響及防治措施[J].石油化工安全環保技術，2008（6）：35-38.

Hydraulicprotectionmeasuresanddamagetypesofoilandgaspipelinesonalluvialfan

WANG Shengxin1，ZHOU Gang2，XU Zhen3，WANG Pengfei3
1.Key Laboratory of Western Disaster and Environment Mechanics，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China
2.GeologicalHazards Research and Prevention Institute，Gansu Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China
3.PetroChina West Pipeline Company，Urumqi830013，China

The alluvial fan is the fan-shaped accumulation in the mountain pass caused by rivers passing through mountains.Because of the slope and materialcomposition of the alluvialfan.It is easy to form the catchment erosion on the alluvial fan，producing water damages such as deformation，instability，baring of pipeline in this area.Therefore，water conservation measures have important significance to the safe operation of the pipeline on the alluvial fan.Through the actual investigation，this paper introduces the hydraulic protection measures commonly used on alluvial fan，such as anti-scour wall，cut-off wall，intercepting drain，revetment，flowsurface and apron，summarizes the destruction types of hydraulic protection，analyzes the destruction causes，and puts forward some suggestions for improvement.

alluvialfan；water damage；hydraulic protection measure；destruction type

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.05.001

中國石油天然氣股份有限公司西部管道分公司科技開發項目（XG-2015-001）。

王生新（1966-），男，甘肅靖遠人，研究員，2005年畢業于蘭州大學，博士，現主要從事黃土地基處理與地質災害方面的研究。Email：wsx5003@163.com

2017-04-10