埋地管道系統地下水毀類型及其辨識

李又綠，關惠平，蔣宏業，尹 平

(1.西南石油大學石油工程學院，四川 成都 610500;2.成都大學 城鄉建設學院，四川 成都 610106;

3.中國石油西南油氣田公司，四川 成都 610051)

埋地管道系統地下水毀類型及其辨識

李又綠1，關惠平2，蔣宏業1，尹 平3

(1.西南石油大學石油工程學院，四川 成都 610500;2.成都大學 城鄉建設學院，四川 成都 610106;

3.中國石油西南油氣田公司，四川 成都 610051)

水毀是埋地管道系統一種常見的環境及地質災害，包括地面水毀和地下水毀2種基本作用形式.相對于地面水毀，地下水毀因其所具有的隱蔽性和顯露于地表的滯后性，對管道系統的安全完整性構成了更高風險.根據管周土體內地下水的流態形式，將管道地下水毀劃分為管道滲流水毀和管底槽流水毀2個亞類，分別闡述了它們的致災機理及其影響因素，最后給出了辨識標志.

埋地管道系統;安全完整性管理;地下水毀類型;辨識標志

0 引言

作為埋地輸流管道系統的重要組成部分，管周巖土體的性狀必然受到來自地表水和地下水的機械侵蝕作用.按照動力介質的賦存和運動規律以及水毀發生部位，可將埋地輸流管道水毀劃分為地面水毀和地下水毀2種基本類型［1－2］.目前，對埋地輸流管道水毀的研究主要集中在地面水毀［3－5］，而對其地下水毀致災機理及其工程防控的專門研究則不多見.地下水流對埋地輸流管道系統的破壞發生于地下，不但可向地下更深處發展，還可通過其他環境及地質災害形式，如地面沉降和地面塌陷，波及或暴露于地表.由于管道地下水毀發生及其發展的隱蔽性和波及或顯露于地表的滯后性，常不為巡線人員所發現.當地下水毀顯露于地表時，其造成的管道系統的安全風險通常已達到中等程度以上，給管道安全完整性管理帶來了巨大的困難.

1 管道地下水毀類型及其特點

地下水流對埋地管道系統的機械破壞作用主要是通過改變和破壞管周巖土體的性狀來實現的.地下水流態形式的不同，具有對管周巖土體性狀不同的破壞與改造作用;反之，管周巖土體性狀的不同，也可使地下水流具有不同的流態形式.根據工程實際，管道地下水毀可劃分為管道滲流水毀和管底槽流水毀.

1.1 管道滲流水毀及其特點

管道本體的不透水性，使非平行于管道的滲流圍繞管道本體做繞流運動.當滲流速度不大(低雷諾數，Re?1)時，管周上下游的滲流場流線大致對稱，且其影響范圍可達較遠;當滲流速度較大(高雷諾數，Re≥10)時，管周上下游滲流場流線的對稱性基本喪失，其對下游的影響范圍也遠比上游的更大(見圖1).在滲流量和管道上方的地下水位基本不變的情況下，因管周滲流的過水斷面已被壓縮，導致滲流的實際流速增大，提高了滲流路徑(管道)起動和挾帶巖土顆粒能力，從而逐步改變了管周巖土體的密實性和壓縮性.

圖1 管周巖土體內滲流的高速繞流運動(Re≥10)

1.2 管底槽流水毀及其特點

因輸流管道激勵振動和管溝挖填施工等原因，不但破壞了管周巖土體原有的性狀及其與自然因素之間已經達成的平衡狀態，而且在管道本體與管周巖土體之間接觸面易形成縫隙，其對管周地下滲流具有一定程度的集流功能，使部分滲流極易在管底縫隙處匯集形成集束狀(股狀)地下逕流，且當其以一定的流速沿管道底部的間隙持續流動時，可對管底巖土體產生沖刷，并可沿管道走向逐漸形成和擴大管底溝槽(見圖2).因此，管底槽流水毀是特定條件下管道滲流水毀進一步發展的必然結果.

圖2 管底溝槽式地下逕流運動示意圖

2 管道地下水毀致災機理及影響因素

2.1 管道滲流水毀致災機理及其影響因素

2.1.1 管道滲流水毀致災機理.

管周巖土體的滲流破壞實際上就是通過滲流及其水動力特性引起管周巖土體性狀的改變而導致其結構發生變形甚至破壞來實現的.當滲流路徑與管道走向基本一致時，可使管道本體沿滲流路徑發生持續沉降(見圖3)，并逐步改變局段管道本體的應力狀態;當滲流路徑斜交于管道走向時，可在通過管道處出現陷穴(見圖4)或使局段管道本體與巖土體之間出現虛脫.

圖3 管道順向滲流引發管溝沉降

圖4 管道斜向滲流引發陷穴

2.1.2 管道滲流水毀影響因素.

管道滲流水毀的發生及其發育程度與滲流特性密切相關.除水動力因素外，影響著滲流特性的因素還有很多，其中最為重要的因素是巖土體的透水性.對土體而言，土體內孔隙裂隙的大小、多少、形狀、分布以及土顆粒的粒徑、形狀、均勻程度、排列方式等均是滲流特性的影響因素.在特定條件下，水的粘滯性對其滲透能力也有相當重要的影響.

2.2 管底槽流水毀致災機理及其影響因素

2.2.1 管底槽流水毀致災機理.

管底槽流對管溝及其基底巖土體的持續沖刷，可使其快速出現大形變甚至完全被破壞，導致管道本體底部長距離懸空(見圖5)，出現沿管道走向的串珠狀陷穴(見圖6)或線狀地面塌陷(見圖7)，并削弱或減少管道激勵振動約束，使管道本體應力狀態發生改變和加速管道疲勞.因此，管底槽流水毀對埋地管道系統的安全完整性最具威脅.

圖5 管底槽流造成管道懸空

圖6 管底槽流引發沿管道走向的串珠狀陷穴

圖7 管底槽流引發沿管線走向的線狀地面塌陷

2.2.2 管底槽流水毀致災影響因素.

由于在管底形成并逐步發展的溝槽具有槽壁透水，且溝槽性狀常隨滲流沖刷發生變化以及溝槽內水流具有挾帶泥沙能力等特點.因此，管底溝槽的形態是槽內水流與溝槽相互作用的結果，即管底溝槽既對槽內水流起著邊界控制作用，同時又被槽內水流不斷改變其形態.故，管底槽流水毀的發生與發展主要是受控于溝槽槽壁的泥沙起動條件和溝槽水流所具有的挾沙能力.

3 管道地下水毀類型的辨識要素

管道系統地下水毀具有隱蔽性和顯露于地表的滯后性，因此，在工程堪探過程中，除采取工程物探法外，在現場還可根據辨識標志對其進行初步辨識和預判，具體如表1所示.

表1 管道地下水毀辨識要素

對于管道滲流水毀，大多出現在地形較為平緩、細粒土及碎石土體的管段，當滲流路徑平行于管道走向時，其水毀形式多表現為長距離管溝沉降;當滲流路徑斜交于管道走向時，在滲流通過管道處形成陷穴是其水毀形式.對于管底槽流水毀，大多出現在坡地和臺田地、細粒土體的管段，其水毀辨識標志為沿管道走向出現串珠狀陷穴和線狀地面塌陷.在北方旱地改為水澆地的管段，上述地下水毀辨識要素普遍存在.

4 結論

管道系統地下水毀是極為特殊的水毀形式.由于其隱蔽性強，地表辨識難以把握而不易被發現，常為巡線人員及管道運營單位所遺漏.正因為如此，管道系統地下水毀對管道安全完整性管理更加具有風險性.因此，掌握管道系統地下水毀的辨識標志自然成為了管道安全完整性管理工作極其重要的工作要求之一，而科學正確、實際合理地建立管道系統地下水毀的辨識要素及其地面辨識標志，對于管道系統的安全完整性管理和工程緩解方案的制定，以及工程措施的選用，均具有極為重要的現實意義.

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Classification and Identification of Groundwater Damage in Buried Pipeline System

LI Youlu1，GUAN Huiping2，JIANG Hongye1，YIN Ping3
(1.School of Petroleum Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China;2.School of Urban and Rural Construction，Chengdu University，Chengdu 610106，China;3.Southwest Oil and Gas Field Company of CNPC，Chengdu 610051，China)

Water damage is one of the most common environmental and geological disasters in the buried pipeline system，and the surface water damage and the groundwater damage are the two basic forms.With respect to the surface water damage，the groundwater damage has higher risk for the safety and integrity of the pipeline system because of its concealment and the time lag revealed on the surface.According to the groundwater flow pattern in the soil around the pipeline，the groundwater damage is subclassified into the seepage damage and the groove-stream damage at the pipeline bottom.This paper expounds the damage mechanism and the influencing factors，and presents the identification mark.

buried pipeline system;safety and integrity management;type of groundwater damage;identification mark

TE832.2;TE88

A

1004－5422(2014)01－0089－03

2013－11－11.

李又綠(1973—)，男，講師，從事油氣管道與站庫的風險評價與完整性管理研究.