新疆天山地區管道工程水工保護徑流調控新模式

2018-05-10 03:20:51蘇溥雅靳孟理周利軍賈春磊

中國水土保持 2018年4期

蘇溥雅，齊實，靳孟理，周利軍，賈春磊

(1.國家林業局水土保持與荒漠化防治重點實驗室，北京 100083；2.北京市水土保持工程技術研究中心，北京 100083；3.長江水利委員會水土保持監測中心站，湖北武漢 430010；4.中石化石油工程設計有限公司，山東東營 257026)

隨著國內外經濟社會的飛速發展，管道建設工程也越來越多。對于管道工程的安全運營來說，管道敷設區環境對工程的安全威脅不容小覷，由水土流失災害導致的管道事故時常發生，極大地影響和威脅到管道的安全運營，因此進行水土保持水工徑流調控措施研究對于管道工程建設安全保障具有重要的現實意義。

研究人員在我國西部地區管道工程水土流失災害防治管理理念、手段和應用技術、經驗等方面均有研究，包括：管道在建設期采用多管并行、同隧、同跨、同溝等設計技術以減少土地擾動；黃土高原區斜井穿越技術的論證；戈壁區礫石覆蓋厚度的研究等[1]。從水土流失危害和管道保護的研究來看，一般包括兩個方面：一是研究管道工程造成的水土流失及其治理，如李斌斌等[2]通過動態監測西氣東輸二線工程的三處重點地段，發現工程建設加劇了項目區水土流失，之后的研究開始針對不同管道工程提出水土流失防治措施；鄭錕[3]針對新疆油氣管道工程，結合不同立地類型區，從植物措施入手進行了管道水土保持研究。二是研究水土流失(尤其是水蝕)對管道工程造成的影響，而水土流失災害的工程防治措施統一稱作“水工保護”，李景陽[4]以沙坡地段高陡邊坡為例，對高陡邊坡管道工程進行了水工保護的設計研究；李瑞鑫[5]對油氣輸送管道穿越沖積平原、水網地段、山地和河道區段分別進行了水工保護的相關設計。

上述研究的水工保護措施主要目的是穩定管線工程，多采用一對一的水工保護措施，措施大多較為單一。鑒于此，我們以新疆天山地區為例，分別從坡面工程段、沖積扇工程段和河溝道工程段開展研究，分析水土流失對管道工程的影響及其成因，結合相關原則提出相對應的以徑流調控為目標的水工保護措施體系，以期為管道工程安全運行提供水土保持技術保障。

1 研究區概況

1.1 新疆天山地區自然及水土流失概況

新疆天山地區屬溫帶大陸性氣候區，干旱少雨，年均降水量112～358 mm，年均蒸發量2 141～3 700 mm，是年降水量的10倍以上，年均溫度4.5～10 ℃，年均風速2.9 m/s，凍土深度0.7～1.4 m。土壤類型主要有灰鈣土和灰漠土，旱灰鈣土和灌溉灰鈣土土壤抗蝕性中等，灰漠土抗蝕性弱。區內河流大多為季節性、間歇性河流，流程短，上游水量大，下游河谷淺、水量小。蒸發量大，降水量小且集中，汛期山前洪積扇易產生水土流失，部分河流在流入盆地途中干涸[6]。植被主要為干旱荒漠落葉闊葉植被類型，以干旱灌木-半灌木荒漠植被為主。

天山地區水土流失類型主要為水力侵蝕。新疆天山地區水土流失面積達2 460.77 hm2，平均土壤侵蝕模數為4 600 t/(km2·a)，土壤容許流失量約為1 000 t/(km2·a)[7]。

1.2 新疆天山地區水土流失對管道工程造成的危害

根據對近20年的西部地區管道工程事故的調查，西氣東輸管道新疆段沿線發育有洪水沖蝕水毀災害點93處、泥石流災害點3處、風沙災害點7處、鹽漬土災害點2處，總計105處，其中水毀災害點占到88.6%[8]；澀寧蘭輸氣管線沿線發生管溝塌陷災害100余處，由溝谷洪水沖刷產生的裸管現象嚴重，伴隨著管溝滑塌15起，水毀災害點占比接近80%[9]；輪南—鄯善段3條長輸油(氣)管線沿線發育有災害點191處，其中水毀災害點178處，占全部災害點的93.2%[10]。

2 新疆天山地區管道工程水土流失危害的成因分析

2.1 管道敷設于山區時水土流失災害的成因

2.1.1 橫坡敷設

山區橫坡敷設是指管道在山區敷設時多以基本平行于等高線的方式通過坡面。管道橫坡敷設水土流失災害的主要形式和成因為：①在持續的降雨或短期大暴雨發生時，降水強度遠大于土壤的入滲速率，雨水來不及入滲進土壤，加之新疆天山地區的灰漠土持水性差，其土壤本身的抗蝕和抗沖性很弱，這種情況下極易產生坡面徑流，對管溝內松散的回填土進行沖刷，造成回填土流失、管道裸露；②在陡坎陡坡處，由于開挖斜坡的坡腳填土較原狀土壤而言密度不均，在水流侵蝕沖掏和重力的雙重作用下，斜坡土體失穩，形成大范圍坍塌使管道裸露。

2.1.2 縱坡敷設

山區縱坡敷設是指管道在山區敷設時以近乎與等高線垂直交叉的方式通過坡面。管道縱坡敷設在山區比橫坡敷設更容易遭遇坡面沖蝕。管道建設破壞了原來坡面的地表土層和植被，在短歷時暴雨或坡頂長時間匯水作用下，水流在坡面快速流過帶走表層泥沙。管溝中回填土密度不均，在股流快速沖刷的作用下更易被侵蝕，出現裸管。

2.2 管道敷設于戈壁沖積扇區時水土流失災害的成因

管道在沖洪積扇上敷設多與水流方向垂直或形成夾角。管道會遭受下切沖蝕，出現浮管甚至位移。戈壁沖積扇為產生溝蝕提供了絕佳的匯水面積，從坡面匯集下來的水流在沖積扇處有足夠大的面積下切并發育成淺溝。一般根據水土流失災害分為兩種情況：①分散過水侵蝕。新疆天山地區土壤持水性差，從山區坡面流下的融雪水和暴雨徑流，流入沖洪積扇產生蓄滿產流，形成分散漫流。管道工程擾動原地表導致土壤抗蝕抗沖性弱，管道敷設區是最易受到侵蝕的區域。②集中過水侵蝕。當分散過水的地表下切到一定程度會出現侵蝕溝擴張的現象，分散的侵蝕溝會逐漸合并，因管道敷設區地表土壤受擾動后抗蝕性較差，故大沖溝發生在此區域的概率最大。水量過大的時候會沖毀管堤、中斷交通，甚至會出現沖溝內積水，造成浮管，危害管道及輸送安全。

2.3 管道敷設于河溝道時水土流失災害的成因

2.3.1 管道與河溝道交叉敷設

管道與河流、溝道交叉敷設是指管道會穿越河流溝底，與河流方向垂直或者形成夾角。管道主要災害表現為浮管或裸管，重則出現管道斷裂。新疆天山地區多為季節性河流，枯水期和汛期河水流量差距很大，不同年份流量也會因為降水量的不同而變化較大，加之水文資料難以獲取，所以將管道穿越此類河流時一般會選擇在枯水期通過，水土流失災害的嚴重性往往被忽視，日后極易出現浮管裸露現象。究其原因，季節性河溝道內土壤松散，河道上游的不確定來水充滿河道后，水流的沖刷作用主要表現在對溝岸及溝床的下切。當河床和溝岸被持續沖刷下切時，原來埋設在河床下面的管道有可能裸露甚至懸空。

2.3.2 管道順河溝岸邊敷設

管道順河溝岸邊敷設是指管道與河流方向平行地敷設于河岸邊。管道可能會因岸坡遭受掏蝕或者坍塌而受到影響。汛期來水量不同會使得水流方向在某一個時期、某一個地段發生變化，這種變化會造成河流態勢發生變化，造成河流頂沖點位置前移或后退，其結果是原河岸形態被破壞，原先不直接遭受水流沖擊的岸坡開始受沖刷，若頂沖作用對岸坡的作用點急劇后退，逐漸造成回填土流失，則水流進一步沖刷會引發漂管事故，嚴重危害管道安全。

3 典型地段管道工程的水工保護徑流調控措施體系

根據新疆天山地區管道工程作業帶所處的不同位置和地貌，以及不同穿越區易發水土流失危害類型，結合安全性、生態性和徑流調控三大原則，提出適用于該地區典型地段管道工程的水工保護徑流調控措施體系。

3.1 坡面徑流調節工程體系——以天山地區山地亞區為例

3.1.1 橫坡敷設徑流調控模式——“上截下攔”模式

管道橫坡敷設于坡面工程建設完成后，將管道作業帶經過的整個坡面修建為梯級緩坡，水工保護措施由五部分組成(見圖1)。由于降雨或大暴雨在上邊坡產生徑流，會造成山體或巖土濕潤甚至變成流狀，故在管溝作業帶上方設置護坡以減少徑流對坡面土壤的沖刷，緊接設置的漿砌石截排水渠或截水墻等措施及時將水排出避免山體松軟，這是“上截”部分模式的體現；而陡坎陡坡處由于工程的建設使土體失重，在水力作用下很容易造成滑坡或塌方，所以在管溝作業帶的緩坡下側修建擋渣墻穩定坡體，這是“下攔”部分模式的體現；中部作業帶采取植物措施恢復生態，在管道穿越帶植草、在穿越區和擋墻中間地帶種植灌木，將徑流調控模式中的安全性和生態性有機結合。

圖1 橫坡敷設“上截下攔”模式3D示意注：①—漿砌石護坡；②—漿砌石截排水渠；③—人工植草；④—人工種植灌木；⑤—擋渣墻

3.1.2 縱坡敷設徑流調控模式——“側排中擋”模式

管道縱坡敷設于坡面工程建設完成后，措施在坡面、管溝等各部位分為四部分來達到水工保護徑流調控的目的(見圖2)。水力作用會沖刷坡面形成沖溝，管溝回填土很大程度上會受到坡面匯水的沖蝕而流失，結合徑流調控的原則，在作業帶上方每隔一段距離沿山體等高線修土砌擋水埂(間距由管線管徑確定)，并于管溝內布設一定長度的地下截水墻(注意管道必須穿越截水墻)，阻擋管頂覆土流失，減少坡面侵蝕，這是“中擋”部分模式的體現；另外在沿作業帶兩側修建漿砌石排水溝，兩側外沿修建漿砌石護坡，將坡面徑流按照人為的方向排出，是“側排”部分模式的體現。

圖2 縱坡敷設“側排中擋”模式3D示意注：①—漿砌石排水溝；②—漿砌石護坡；③—土砌擋水埂；④—地下截水墻；⑤—人工植草

3.2 戈壁沖積扇徑流調節工程體系——以天山地區平原亞區為例

管道敷設在戈壁沖積扇區的徑流調控模式總結為“以擋為主，以導為輔”，其區域水土流失按水流形態的不同區分為兩種：分散過水處的沖積扇遭水流下切易形成沖溝，破壞管溝回填土；集中過水處的沖積扇下切強烈，水流易沖毀管堤甚至造成浮管。根據戈壁沖積扇區域下墊面情況和水流形態的不同，把管道敷設區可能遭受的水土流失情形及其對應治理的措施整理如圖3所示。

圖3 沖洪積扇處管道徑流調控措施布局分類

以“沖洪積扇在分散過水情況下，有嚴重下切”的徑流調控布設為例，模式由四部分組成(見圖4)。戈壁沖洪積扇洪水在管堤上方分散過水，經常會引發多條沖溝下切，形成大沖溝沖毀管溝回填土。以安全為原則，修筑漿砌石過水面，并在管道穿越區下部加設地下截水墻，緊接著在截水墻低地勢過水面加設齒墻，這三部分措施可以有力攔擋水力侵蝕下切，阻止徑流沖刷回填土，充分體現了“以擋為主”部分的模式；相應地，在過水路面兩邊配合修建一對導流堤，將分散水流以人工規劃的方向統一匯流，是“以導為輔”部分模式的體現。

圖4 沖積扇戈壁區敷設“以擋為主，以導為輔”模式3D示意注：①—導流堤；②—漿砌石過水面；③—地下截水墻；④—齒墻

3.3 河(溝)道徑流防護工程體系——以天山地區平原亞區為例

管道敷設于河(溝)道的徑流調控體系總結為“防沖護岸”模式。根據工程類型的不同，把水工保護措施分為河岸河腳工程、河床工程和臨時工程。根據每種工程防護目的的不同又可以分為多種具體措施(見圖5)。結合實際情況有機組合可以達到對管道工程區徑流調控的目的。

由于管道工程敷設于河(溝)段的情況較為復雜，因此必須在考慮建設完成后河(溝)道“防沖護岸”徑流調控措施體系的同時，考慮施工過程中的臨時水工防護措施。本模式一般由“7+1”個部分組成，“1”是建設中遇雨季施工時設置的圍堰和導流堤，“7”指當管道建設完成后設置的徑流調控措施體系(見圖6和圖7)。河溝道中的水流對河岸和河底的沖刷作用非常強烈，水土流失成因也不盡相同，可能是回填土流失引發的漂管事故，可能是水流浸泡造成的土體松軟岸坡坍塌，也可能是河流下切造成的岸坡重力式失穩崩塌等。鑒于此，為保障工程安全，必須從整體入手細致考慮每一部分如何應對水蝕對管道工程造成的危害：在河溝道凹岸處設置凹岸防沖墻和丁壩改變水流流向，減輕水流對凹岸處邊坡的沖刷；在管道穿越段的上游河岸設防汛擋墻阻擋高位水流，減緩流速；在河底鋪設漿砌石過水面，結合穿越段下游設置漿砌石地下防沖墻，阻止水流對河底垂直方向的下切作用并減緩流速，這是“防沖”部分模式的體現。邊坡底部設置的漿砌石坡式護岸，阻止水流對岸坡兩側方向的沖刷和掏蝕作用；另外考慮到生態性的原則，應該于坡式護岸上端設置植生帶護坡，涵養水源并固定岸坡表土，這是“護岸”部分模式的體現。