西北黃土濕陷性地區管道地質災害類型分析

李昌文 王寶成 馮帥

（1 甘肅省遠大路業集團有限公司，甘肅 蘭州 730030；2 甘肅暢隴公路養護技術研究院，甘肅 蘭州 730030；3 西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川 成都 611756）

1 引 言

隨著我國的經濟快速發展，長距離的輸油氣管道不斷的建設并投入運營，長管道不可避免的要穿越一些地質條件復雜的區域，由此伴隨著的地質災害正在不斷的引起人們廣泛的認識和關注。西北地區的濕陷性黃土多屬于第四紀形成的陸相黃色粉砂質土狀堆積物，土質較均勻、結構疏松、孔隙發育，粉末性是黃土顆粒組成的最大特征之一。粉末性表明黃土粉末顆粒間的相互結合是不夠緊密的，所以每當土層浸濕時或在重力作用的影響下，黃土層本身就失去了它的固結的性能，因而也就常常引起強烈的沉陷和變形。通過現場調研和相關資料的查閱，在所有長距離輸氣管道的地質災害中，水毀災害是經濟損失最嚴重和社會影響最大的自然災害之一。

國內的相關專家和學者對管道的水毀災害進行了大量的研究。 其中一些學者[1-3]等對西氣東輸工程管道遇到的地質災害進行了分析和總結并提出相關的防治措施。孟國忠[4]研究了油氣管道穿越我國復雜山區時遭受的地質災害及相應的防治措施。鐘威[5]等對崩塌、滑坡、泥石流3 種典型的地質災害影響因素進行辨識、分類總結，充分考慮影響因素的相對權重，由此建立了油氣管道典型地質災害危險性評價指標體系。王磊[6]等專門研究了滑坡與管道常見位置關系及其相互作用機制，建立了力學計算模型并討論了相關影響因素對管道力學性狀的影響。李佳駿[7]等鑒于管道穿越地震帶所遭受荷載情況的復雜性，提出了建立應力分析模型及邊界條件的簡化處理方法。李亮亮[8]等提出水毀災害表現形式可分為漂管危害、懸跨危害、推移危害和撞擊危害4 類，分析了其各自的特征并提出相應的防護結構。吳迪[9]系統闡述了管道水毀的地質環境條件、形成機理、發育類型及分布特征，提出了沿線水毀災害評價方法體系。梅云新[10]結合馬惠寧輸油管道所處的自然環境、地形、地貌、地質和水文氣象條件對管道所遭受的水毀災害類型進行了總結，提出有效的水工防護措施。但是目前關于西北地區油氣管道遇到的地質災害研究不是很多，本文將針對管道穿越西北濕陷性黃土的地質災害類型進行闡述，并對一些現場災害類型進行分析。

2 西北地區地質災害類型

由于西北地區全年雨量很少，但是雨量集中在7 ～9月份，導致濕陷性黃土極其易塌滑，同時溝道由于雨量的突然增大導致下切深度和側向侵蝕加劇，基于此管道常遇到的地質災害類型主要包括滑坡、崩塌、泥石流、黃土濕陷和水毀等5 類災害。

2.1 崩塌對管道的危害

西北地區的濕陷性黃土，在雨季的沖刷下，黃土坡面被侵蝕，形成許多線狀的溝蝕，同時許多大大小的柱狀的落水洞，隨著雨水的不斷沖刷，溝蝕下切深度加劇，落水洞逐漸向下貫通，旱季時，坡面在陽光的暴曬下又會出現眾多的龜裂，進一步加劇坡體的松散程度。雨季和旱季的來回交替、周而復始，臨空面的危巖體與母巖剝離開來，在重力作用下形成崩塌。崩塌對管道的危害大致可以分為兩類，一類是崩塌體撞擊地面形成巨大沖擊荷載，然后沖擊荷載再作用于管道及其周圍土體，致使管道被壓彎，埋深比較淺的情況下容易造成管道被砸斷，如圖1所示。另一類是崩塌體被剝離母巖使得管道出現懸掛的危險，其形式類似于簡支梁，如果管道的懸掛跨度較大懸掛管道中部會出現嚴重彎曲變形，甚至發生折斷，如圖2所示。

圖1 崩塌體墜落沖擊管道

圖2 崩塌體墜落管道懸掛

2.2 滑坡對管道的危害

由于一些客觀原因，管道無法繞避必須穿越滑坡地區時，根據管道穿越方式與滑坡的滑動方向，分為橫向、縱向和斜向穿越三種方式，其中尤以橫向穿越危害最大，如圖3所示。

圖3 管道橫向穿越滑坡

圖4 管道被滑坡沖毀

圖5 滑坡滑落管道懸掛

以橫向管道為例，當滑坡發生滑動變形時，滑坡的下滑推力將直接作用于管道，在滑坡蠕變期，下滑力相對較小，管道產生相應的彎曲、剪切、拉壓等彈性變形；隨著變形的增大，坡體開始滑動，下滑力增大，管道變形將由彈性變形逐漸向塑性變形發展，最終管道被剪斷或者折斷，如圖4所示。另外一種情況如圖5所示，由于滑坡脫離母巖，管道出現懸掛的危險，破壞形式大致與圖2所示的情況一致。

2.3 黃土濕陷對管道的危害

油氣管道采用大開挖直埋式，當回填不夠密實造成的土質疏松，再加上西北黃土的濕陷性，在暴雨情況下黃土的濕陷性表現的異常明顯，形成許多濕陷裂縫和細小的落水洞，極易造成地面的下陷，而且雨水的流動還會剝蝕地面松散的土質。連續或周期性降雨條件下，裂縫不斷的向下延伸和向四周擴大，最后裂縫之間相互貫通，造成地面塌陷，導致管道覆蓋層變薄或者外露，如圖6所示。

圖6 黃土濕陷示意圖

2.4 泥石流對管道的危害

泥石流是一種由大量液相（泥沙等）和固相（石塊等）構成的特殊洪流，具有突然性以及流速快，流量大，物質容量大和破壞力強等特點。泥石流對坡面的破壞主要是下切侵蝕和溝岸侵蝕，西北地區坡面溝壑縱橫，大小沖溝不計其數，雨季泥石流爆發的時候，會沿著這些沖溝向下運動，液相物質會不斷的侵蝕沖溝，固相物質會不停的撞擊沖溝，導致沖溝失穩擴大，沖溝逐漸變深變寬，最后各沖溝聯系到一起。一次次的泥石流使得坡面不斷的被沖刷，下切深度和寬度不斷的加大，管道距破面的垂直距離不斷的減小，覆蓋層厚度變薄，進一步管道外漏，最終導致管道懸空，發展到最后管道被折斷，泄露造成不可逆的生態污染，如圖7所示。

圖7 泥石流侵蝕坡面

2.5 河溝段水毀災害對管道的危害

2.5.1 河溝段水毀災害主要作用方式

水毀災害是長距離油氣管道沿線普遍

存在、發生頻率最高、危害巨大、貫穿全線的地質災害。河溝段水毀主要表現為下切作用和河岸侵蝕作用，如圖8和圖9所示。

圖8 河流下切示意圖

圖9 河岸侵蝕示意圖

河溝段的下切作用使得管道的覆蓋層不斷的變薄，若繼續沖刷下去會出現管道外漏甚至懸空，這時河流以及攜帶的卵石、漂石等就會持續的撞擊管道，導致管道出現嚴重的彎曲變形甚至斷裂。河岸侵蝕作用使得溝河不斷的變道使得凹岸處的管道覆蓋層被不斷的侵蝕，最終管道出現漂管、懸掛、推移等危害。

2.5.2 河溝段水毀災害主要類型

由于河溝段的下切作用和河岸侵作用，水毀形式主要表現為漂管、懸掛、推移等3 類形式。

2.5.2.1 漂管危害

漂管是指采用大開挖直埋方式穿越河溝段的油氣管道，由于降雨水位高漲、各種沖刷和侵蝕等作用導致管道上覆土層不斷的被削方，最終由于覆蓋層厚度不夠管道外露出現漂管的現象。當管道外露長度到某一臨界值時，管道將發生彎曲變形，若變形超過其屈服極限，將引起管道機械損壞，釀成事故。同時河溝水流的沖刷侵蝕不僅引起管道的裸露，而且其攜帶的砂卵石等將直接撞擊管道，甚至會砸斷管道，尤其當管道長距離裸露時，更容易出現事故，造成嚴重后果，如圖10 和圖11 所示。

圖10 忠武管道某河道漂管災害圖

圖11 漂管示意圖

2.5.2.2 懸掛危害

漂管是指采用大開挖直埋方式穿越河溝段的油氣管道與河床面不直接接觸而出現懸掛的現象。當水流的漩渦自激頻率與管道的固有頻率一致時，就會發生使管道破壞性的共振，為此要嚴格控制水下管道的懸空長度，避免發生共振。如圖12 所示，其中橫向振動對管道的影響較小，但是順向振動與管道固有頻率一致時會引發管道的共振，將會使管道出現剪切破壞。

圖12 旋渦引起的共振示意圖

2.5.2.3 推移危害

若油氣管道在河溝段埋深比較淺，短時強降雨（或者泥石流的等災害）使得河水下切作用急劇增大，管道覆蓋層不斷被沖向下游，管道逐漸外露，在河水及其攜帶砂卵石沖擊下管道向下游方向彎曲，同時卵石、快石等不斷補充管道彎曲留下的空間，如此下去管道屈服位移不斷的增大，當屈服變形達到管道極限強度時，管道會發生管損事故，甚至管道被折斷。

圖13 管道推移示意圖

3 部分實例分析

3.1 漂管危害

蘭成線甘肅某處輸油管道沿沖溝溝底走向鋪設，埋深約2m，實地考察時發現，溝底距地表面高度1.5m-2m，沖溝下切量較大，若沖溝繼續下切極易使管道外露造成破壞，如圖14 所示。

圖14 蘭成線某河溝段水毀

蘭成渝線甘肅某處輸油管道沿坡體走向，下穿河道，埋深2.0m，坡體未見明顯變形跡象，屬于穩定坡體。河道由于雨水的匯集對溝底沖刷嚴重，下切速率快。如不及時采取措施，極易造成管道外露，危險性高，如圖15 所示。

圖15 蘭成渝線某河溝段水毀

3.2 崩塌危害

蘭鄭長線蘭州某處輸油管道埋深1.5m-2.5m，與山體走向呈90°，山體坡度60°。埋管處兩側坡體表面雨水沖刷侵蝕嚴重，土體較為松散，為第四系大孔隙濕陷性黃土，坡面存在不同程度的落水洞，局部土體有開裂滑落等情況發生。坡腳處受洪水威脅，一旦爆發山洪對坡腳侵蝕嚴重極易發生坡體滑落、崩塌等災害，對輸油管道存在極大威脅。坡腳處原有漿砌石擋土墻底部已被水侵蝕破壞嚴重，不能提供足夠有力支撐，需要立刻進行加固，如圖16 所示。

圖16 蘭鄭長線某處崩坍

蘭成線某處輸油管道埋深1.5m-2.0m，管道距山體臨空面3m-4m，管道走向為順山體走向略有彎曲，坡腳處為一條省級公路。由于山體常年受雨水侵蝕，大型落水洞較多，有明顯開裂及山體滑塌現象，山頂較路面高30m，潛在崩塌體高度5-10m，長度30m，存在崩塌滑動雙重威脅。此處由于管道距開裂體較近，一旦崩塌或滑動管道容易外露或撕裂，此災害點對管道危險性高，亟待解決，如圖17 所示。

圖17 蘭成線某處崩坍

4 結語

隨著許多長距離的油氣管道的建設和運營，其中管道遇到的地質災害正在不斷的引起人的認識和研究，本文針對管道穿越西北濕陷性黃土地區所遇到地質災害進行簡單的總結，并結合甘肅地區遇到的一些地質問題進行分析，得出以下結論：

1）西北地區管道地質災害類型主要包括滑坡、崩塌、泥石流、黃土濕陷和水毀等5 類災害，其中水毀最為嚴重；

2）水毀主要的作用方式包括河溝段下切作用和河岸侵蝕作用；

3）由于河溝段的下切作用和河岸侵作用，水毀形式主要表現為漂管、懸掛、推移等3 類形式。