長輸管道復雜地質段地質條件評價及應對措施

雷中華

長輸管道復雜地質段的施工,易造成地表植被的破壞、擾動地表土層,改變現有地基土的穩定狀態,容易誘發施工滑坡等地質災害問題;在管道水工保護及運行維護期間也會因地形地貌、巖土性質等地質條件影響,對管道自身造成安全威脅。通過復雜地質段的專項地質評價,才能更好地論證管道路由線路定線、設計的技術可能性與經濟合理性。因此,在前期勘察和設計階段,對復雜地質段進行專題分析與評價也顯得重要而迫切。本文選取西鄉至安康輸氣管道工程(以下簡稱西康線)勘察中遇到的復雜地質問題進行專題評價的案例,對設計和施工中易發的地質問題提出相應的處理措施,為今后復雜地質段的選線工作以及工程地質評價提供相關經驗。

1 復雜地質段的工程特性

1)高填方區。西康線由于受到地形地物的限制,需經過兩處高速公路施工棄土的高填方區。高填方區表層為新近人工填土,屬欠壓實的拋填土,厚度4.5 m～11.0m。根據擾動土重塑試驗成果,其粉質粘土的壓縮模量Es=3.45MPa,屬高壓縮性土,具有結構松散、變形量大、濕陷性、自重壓密性和沉降不均勻的特點,達到穩定狀態的自然沉降周期較長,不能直接作為管道的埋管層位。若采用大開挖方式埋置到下部穩定層位,施工開挖作業時管溝壁的不穩定性也是其主要的工程地質問題。2)高陡邊坡。西康線的關溝口高陡邊坡勘察中,在西側的巖質陡坡,其邊坡高度高,傾角大,有的巖體呈垂直甚至臨空狀態,具有自重慣性力的作用,沿著原有的不連續面發生拉張開裂和錯動,具有下滑的趨勢。另外,在上部坡體的擠壓下,坡腳巖性相對軟弱的巖層產生較大的流變并向坡面產生一定的擠出,從而使坡腳產生壓密和坡體上部產生拉張變形。高陡邊坡東側接近沖溝段為崩坡積土質邊坡,地表坡角為30°～45°,坡體由粉質粘土夾塊石組成,鉆孔揭露土層厚度達10.10m,塊石含量約為25%,通過工程地質調繪和實際鉆孔,推測下伏基巖面坡角約 25°～35°。3)滑坡。滑坡對管道危害的大小取決于管道與滑坡的相對位置,而滑坡對管道的危害可分為兩種形式:a.直接威脅管道安全;b.威脅管道附屬設施。當管道位于滑坡體內,或者位于滑坡前緣推覆與掩埋地段,以及滑坡后緣拉裂區時,一旦滑坡失穩都會對管道本身產生直接威脅,一方面可以直接剪斷與拉裂管道,另一方面還可以造成管道懸空暴露或掩埋。滑坡失穩在直接對管道自身產生威脅的同時,還會對其附屬設施產生破壞,如對管道邊坡護坡、擋土墻、混凝土蓋板、岸坡護堤等,進而威脅到管道安全。

2 復雜地質段的地質條件評價

2.1 高填方區

表1 填土垂直邊坡自穩高度計算表

從表1可以看出,填土垂直邊坡的自穩高度天然狀態下為3.65 m,飽和狀態下為2.54 m,而管道通過段填土的實際厚度為4.50m～11.00m,大于其垂直邊坡的自穩高度。

2.2 高陡邊坡

對西康線中關溝口高陡邊坡石質邊坡的評價,主要采用工程地質綜合分析法。影響邊坡穩定性的主要因素是巖體的完整性、結構面的結合能力與結構面的產狀。在自然狀態下關溝口高陡邊坡的石質邊坡段,基巖主要為震旦系下統耀嶺群(Zsyl)石英片巖、二云石英片巖,局部見脈狀花崗巖,巖體完整性較好,片理傾向為北,傾角 30°～ 35°,管道走向為 103°～ 124°,沖溝兩側坡向分別為 116°和297°,二者與巖層傾向均成大角度相交,邊坡的穩定性較好。

對關溝口高陡邊坡東側的土質高陡坡的地基穩定性評價,采用折線形滑面傳遞系數法進行穩定性計算。管道走向與斜坡最大推力方向基本一致,根據勘察現場的實際情況,以管道中線剖面作為計算模型。土體重度(γ),根據土樣室內試驗成果,結合野外觀察、鉆探揭露的情況,按綜合土石比 0.75∶0.25確定,土體綜合天然重度取20.5 kN/m3,飽和重度取 21.85 kN/m3;土體抗剪強度取天然狀態 C=28 kPa,φ=14.3°,飽和狀態 C=20 kPa,φ=12°;地表附加荷載為天然氣管道自重,按5 kN/m取值。

按不同工況對關溝口東側土質邊坡進行穩定性計算,結果如表2所示。

表2 關溝口東側土質邊坡穩定性計算結果一覽表

2.3 滑坡

對于長輸管道滑坡的勘察,主要利用 1∶10000地形圖和 1∶2000放大圖,采用工程地質調查的方法評價滑坡對管道的影響。

按照不同的分類標準,將滑坡進行歸類。根據滑體形成的原因、物質組成進行分類,沿線滑坡類型大多屬于坡積層滑坡,少量屬于殘積層滑坡和人工堆積層滑坡;根據滑體厚度分類,大多屬于滑坡體影響深度小于6m的淺層滑坡;根據滑坡體體積分類,多數屬于體積小于3萬m3的小型滑坡,少量屬于3萬 m3～50萬m3的中型滑坡。

3 工程處理建議措施

3.1 高填方區

對于管道的設計方案,我們建議可采用溝埋敷設(開挖)方式通過,將管道埋置于穩定的粉質粘土層中,但直立開挖情況下的管溝壁是不穩定的,必須進行放坡處理。填方區新近填土結構松散,且賦存上層滯水,管溝開挖應采取排水和臨時支護措施。

如果管道需要從填土層通過,也可采取地基處理措施,可采用換填法,分層夯實換填土層,同時做好填土區的地面排水措施,防止周圍填土因地表水滲入影響換填土區域的穩定。

當采用短樁方案,可設計排樁,樁頂可連接成梁,樁尖置于穩定的粉質粘土層不小于2 m,管道置于樁頂梁之上。若采用該方案,設計時應進行相關穩定性計算。同時做好填土區的地面排水措施,防止周圍填土因地表水滲入影響場區穩定。

3.2 高陡邊坡

根據本段管道沿線地基土的巖性、結構與工程性狀,建議將管道嵌入強風化石英片巖一定深度,兩側陡坡段需采取條石堡坎沿管線護坡,必要時可采用固定墩穩管;過溝段管道宜適當深埋,并應采取防浮、防沖刷穩管措施;東側土質邊坡開挖條件下處欠穩定～不穩定狀態,需作繞避處理或進行抗滑治理。

3.3 滑坡

通過西康線沿線調查和統計,處于滑動或滑動臨界狀態的滑坡有23處;沿線存在局部不穩定的地段,如果管溝開挖過程中,受施工不當或支護措施不到位等因素影響,可能導致滑坡或坍塌等地質災害的地段有16處。

由于受管道沿線滑坡及潛在滑坡等影響,勘察專業及時與設計溝通,對管道線路進行了局部改線或調整,改線的地方有22處。對管道距滑坡有足夠安全距離的地段未進行改線;對線路繞避難度較大,提出了可選擇滑坡體后緣并設置永久性擋墻的措施;對管道影響不大的滑坡,建議采取坡體削坡,管道深埋,地表水的疏導,或設置永久性擋墻,加強施工期間的支護措施或選擇合適地方穿越,采取進一步勘察和處理建議及措施。

4 結語

1)復雜地段的專題分析評價,能較好地解決長輸管道勘察中易忽視的重點和難點問題,對存在的不良地質作用、地質災害等問題及時發現,以便對選定的線路路由進行調整或進一步論證技術方案、路徑的經濟合理性;2)在管道設計前期應對復雜地質段有充分的了解,對選線時未能發現的地質問題,宜在勘察時進行分析評價,并做好整治方案;3)復雜地段的專題分析可提前對施工和管道運營中出現的工程地質問題進行分析和預測,可有效減小施工發生次生地質災害的概率和管道運營中的成本;4)在進行復雜地質段地質條件評價時,要注意多種因素的獨立作用與相互作用,并應從成因、特點、防治措施及措施效果等多方面綜合考慮。要不斷總結工程實例中的經驗,為日后的地質條件評價工作提供可靠依據。

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