黃土區油氣管道水毀機制及防治對策★

周欣海，周小鈺

(蘭州工業學院,甘肅 蘭州 730050)

0 引言

我國幅員遼闊,疆域廣大,在西北新疆等地區有著豐富的油氣資源,但我國的經濟發達省份多處于東南沿海,油氣管道必然要穿越我國中西部的黃土區,這些油氣長輸管線在穿越我國面積達44萬km2的黃土連續分布區時面臨著一系列的黃土地質災害。針對該類災害的處置措施,目前國內外學者已展開相關研究工作:趙忠剛等[1]對長輸管道的地質災害類型進行了較為全面的歸納,并簡單介紹了防控措施和預測方法。黃鵬[2]通過實地調查,分析了澀寧蘭全線管道地質災害的類型。譚超等[3]通過對馬惠線的黃土災害研究,詳細分析了黃土區的管道工程地質災害。馬克鋒等[4]研究了秦巴山區地質災害的主要類型、分布特征及成因機理。梅云新[5]對馬惠寧輸油管道所處黃土高原的自然環境、地形、地貌、地質、水文氣象進行分析,指出了水工保護工程中的已被實踐證明的有效方法。李寧[6]總結歸納了長輸管道沿線水毀災害類型和分布特征,同時分析得出其各因素與災害發生分布的關系。付攀升等[7]分析了黃土陷穴發育規律及管溝黃土陷穴的成災原因、致災過程和機理。王錫軍等[8]現場勘查山區管道沿線204個地質災害點,統計分析得出管道主要地質災害類型是水毀、滑坡和巖溶塌陷。張海磊[9]建立了考慮滑坡與油氣管道相互作用等評估指標,選取了中緬油氣管道典型滑坡災害點進行應用分析。

近幾年,我國在長輸管道的地質災害方面取得了許多成果,但還面臨許多問題。目前在各類文獻里和實際工程中,對于水毀災害的分類多以地形地貌為劃分依據,普遍將水毀災害劃分為坡面水毀、河溝道水毀、臺田地水毀等。但在濕陷性黃土區未考慮水毀破壞機制,也帶來了一些問題,例如,目前對坡面水毀仍以防止沖刷破壞為主,治理措施主要為漿砌石截水墻,在大部分地區漿砌石截水墻在防沖刷方面都取得了較好的效果,但在調研中發現某處使用漿砌石截水墻攔截水流時,漿砌石截水墻卻與坡面形成了匯水面,黃土在雨水匯聚的浸泡下出現了較大的落水洞,所以對黃土水毀災害的治理應從其破壞機制入手分析,做到對癥下藥,有針對性地提出治理對策。

1 油氣管道水毀情況

本次針對油氣管道黃土災害的調研主要涉及管線為石蘭線和馬惠線。這兩條管線穿越了隴西、陜北、關中多個黃土區。調研線路全長450 km,徒步勘察災害典型路段約40 km,所調研的災害點均為巡線過程中發現的災害典型區段,同時參觀了該區域黃土災害的工程治理措施。

通過調研發現,管線的黃土災害地域性分布明顯,在隴南天水等地主要以滑坡泥石流為主,治理措施多為攔擋壩或排導渠;青海、新疆、河西地區等廣泛分布季節性凍土,凍脹破壞也是造成管溝土松脹的主要原因,治理措施為提高管溝基礎或設置隔熱層;另外生物致災等因素不容小覷,在寧夏中北部,多處管溝因為動物洞穴造成雨水灌入引發濕陷(見圖1);黃土區的管道多沿起伏不平的丘陵和山地敷設,部分管線占用了農田、民宅等地,局部穿越河溝、崾峴等不良地質,由于地形地貌的復雜多變,加之黃土易流失、易濕陷等特點,黃土的水毀災害十分嚴重,多處出現黃土沖溝(見圖2)、黃土濕陷、水土流失等黃土水毀災害。

通過現場調研發現,黃土的水毀災害是各類黃土災害中最為嚴重的災害,黃土由于其本身結構松散、水敏性較高、濕陷性黃土區的油氣管道水毀災害分布范圍較廣、災害類型多樣、防治成本巨大。

2 濕陷性黃土區管道水毀破壞機制的分析

目前對于油氣管道的黃土水毀災害的研究仍處于較初級的階段。因為油氣管道的黃土水毀災害是一個復雜的、受多因素影響的問題,我國幅員遼闊,地形地貌變化較大,油氣管道作為一種長距離線性工程,穿越不同地質構造時,面臨著不同的侵蝕特征,難以用一種統一的對策去治理不同的水毀災害,更不能照搬非黃土地區對水毀災害的研究和治理。

黃土易流失、易濕陷的特點決定了濕陷性黃土區的水毀不同于其他地區的水毀,所以應在坡面水毀、河溝道水毀、臺田地水毀的劃分基礎上對水毀的破壞機制進行細分。因此將黃土的水毀災害的破壞機制分為匯流沖刷破壞和匯聚浸泡破壞。以便從其破壞形式和致災因素入手,提出針對性的治理措施。

2.1 匯流沖刷破壞

匯流沖刷破壞多發生于較陡的坡面、河岸和臺田地灌溉渠,致災因素主要有四點:一是水流沖刷速率,其又取決于短時降雨強度與降雨時間、河溝道高度落差等;二是雨水匯流的坡降高差,不同的坡面都存在某一個范圍的臨界角度使其沖刷量達到最大值[10];三是土體的性質,黃土的松散結構決定了其極易在沖刷下形成黃土沖溝;四是坡面的植被情況,植被覆蓋率對土體的抗沖刷性有明顯作用。其破壞形式主要為帶狀形式,多在管溝處形成少至數十米多至上百米的黃土沖溝,使管道發生露管或管道懸空,管道在橫坡穿越坡面、河溝道和臺田地時,也會在數米至數十米的寬度內發生沖蝕,如果任其進一步發展,還會導致崩塌、滑坡等更為嚴重的災害。

對于防沖刷的措施可以借鑒其他地區的成功經驗,一般使用各類攔擋措施攔截水流防止下切沖蝕,例如漿砌石擋墻,格賓壩等。切忌攔截措施形成匯水面,發生浸泡破壞導致黃土濕陷。

2.2 匯聚浸泡破壞

匯聚浸泡破壞多發生于坡度較緩或表面不平整的坡面、河溝道凹岸和臺田地低洼匯水點,致災因素主要有三點:一是黃土本身的濕陷性,濕陷性越強發生浸泡破壞的程度越嚴重;二是管道敷設的地貌特征,黃土區敷設的管道應盡量避免處于低洼地勢,防止雨水的匯聚;三是管道的施工質量,黃土區的管線施工大多沒有對其濕陷性進行預處理,施工時的管道上覆土壓實度也不足,這也是浸泡破壞的重要致災因素。浸泡破壞的破壞形式多為點狀形式,在坡面低洼處形成直徑幾十厘米的落水洞。

黃土作為一種特殊土,因其濕陷性的特點有別于其他土,在水流匯聚浸泡下極易發生濕陷,使土體失去強度,切忌照搬其他地區的防治措施。防止浸泡破壞主要以各類導流排水措施為主,例如漿砌石截水墻、梁板式渡槽等,另外還可以結合灰土改良的方法,消除其濕陷性。

3 油氣管道黃土水毀防治對策

油氣管道的黃土水毀防治對策可以分為兩方面。一是防,即主動防護措施,在水毀災害發生前就主動采取各類措施預防水毀災害的發生。二是治,即被動防護措施,在災害發生后采取有效措施對水毀災害進行治理[11]。本文主要研究被動防護措施,即防止災害進一步發展的風險削減措施,避免其發展為更為嚴重的或不可預知的災害,例如崩塌、滑坡、泥石流等。

目前對黃土水毀災害研究還很不完整,理論深度遠遠不及實際應用的程度,將實際應用中的防治措施作為研究對象不失為一種研究方法,因此本文將通過三類黃土水毀災害的典型案例,詳細分析其破壞機制,并提出普遍性的防治對策。

3.1 坡面水毀

3.1.1 坡面水毀破壞機制分析

坡面水毀主要受沖刷破壞。以調研中發現的某濕陷性黃土區的坡面水毀為例,該處坡面的坡度約為20°～30°,水毀是典型的匯流沖刷破壞,管溝土在強降雨作用下崩塌沖蝕,管溝上覆回填土因為與管溝外原土黏聚力不足,在沖刷下形成了一條寬約2 m～3 m,長約400 m～500 m的大型沖溝(見圖3),沖蝕程度嚴重。而沖溝的形成又為雨水進一步匯流提供了條件,使更多的土體被雨水沖走,多處出現了露管和管道懸空。雖然坡面水毀主要受沖刷破壞,但其中的浸泡破壞也不可忽視。該處坡腳位置坡面角度變緩,約為10°～20°,坡面設置的兩道截水墻之間仍然出現了較大的落水洞(見圖4),因為雖然高側的截水墻起到了攔截坡面匯流,防止沖刷的作用,但低側的截水墻又對管溝形成了匯水面,進一步引發雨水的匯聚和滲入,產生陷穴,水的重力和侵蝕作用使陷穴不斷擴大,產生較大的落水洞(見圖5)。另外西南側的坡面多處受到了雨水匯流沖刷破壞和雨水匯聚浸泡破壞的聯合作用(見圖6),一方面沖刷破壞形成的沖溝造成了雨水的匯聚,匯聚后的浸泡破壞出現了落水洞,另一方面落水洞的出現迫使匯聚的水流尋找出口,形成新的沖溝,兩種類型的破壞相互作用,愈演愈烈,使得管溝土的破壞十分嚴重。

3.1.2 坡面水毀的防治對策

濕陷性黃土區的坡面水毀防治也應在分析破壞機制的基礎上提出防治措施[12]:

1)對于坡度較陡、季節性降雨強度較大、坡面土體松散的坡面應以防治沖刷破壞為主,防治對策以攔截匯流為主,另外還可以采取加固護坡,放坡削坡和覆蓋植被的方法。攔截匯流主措施為各類截水墻,對于坡角小于45°的坡面宜使用漿砌石截水墻;對于坡腳小于30°的坡面,宜使用灰(水泥)土或黏土截水墻,其中灰(水泥)土截水墻常用于黃土地區,加固護坡以漿塊石護坡為主;放坡削坡主要是避免坡面角度在沖刷量較大的臨界角度;覆蓋植被一般多在管道上覆土回填中加入草籽,利用植物根部的固結作用防止坡面沖刷破壞。

2)對于坡度較緩、常年降雨量較大、坡面不平整或有低洼處的坡面應注意防止浸泡破壞。在沖刷作用不強烈的坡面建議將截水墻八字形設置防止浸泡破壞。坡面的浸泡破壞防治主要以疏導水流為主,另外還可以采用土質改良、管溝土夯實、護坡防水等措施。雨水匯聚的疏導多使用排水墻或排水溝,將水流疏導至管溝土外。另外也有一些管道在施工時,在保證管溝上覆土壓實度的同時對管溝的回填高于兩邊平地20 cm～30 cm,可以有效防止雨水匯聚;土質改良多與管溝土夯實結合使用,即使用三七灰土或二八灰土對黃土坡面管溝土進行換填,并進行夯實,可基本消除黃土的濕陷性;護坡防水主要使用各類不透水材料覆蓋坡面,以防止水流入滲。

3.2 河溝道水毀

3.2.1 河溝道水毀破壞機制分析

河溝道水毀的破壞形式主要以沖刷破壞為主,調研中發現某處河溝道水毀位于黃土區與沙土區交界處,該地區濕陷性等級多為Ⅱ級—Ⅲ級,管道橫向穿越河溝道,河溝道寬約10 m,此處的年降雨量雖然不多,但過于集中在雨季,因此一旦進入雨季,季節性河流的流量和流速會出現激增,沖刷破壞作用十分強烈。

該處河岸線分別沿河岸設置了漿砌石擋墻與格賓石籠擋墻,兩種擋墻相距約200 m,在河流流量及流速幾乎相等的情況下卻出現了完全不同的損毀情況,漿砌石擋墻在一場中雨匯聚的河流沖刷下被徹底沖垮(見圖7),而格賓石籠擋墻幾乎沒有損毀(見圖8)。究其原因,格賓石籠擋墻相較于漿砌石擋墻,重量較大,穩定性好,而且由于其對水流的過濾作用,其防護效果會隨著時間不斷增加。另外格賓石籠此類的柔性支擋結構相較于漿砌石擋墻此類的剛性支擋結構更適用于濕陷性黃土地區,柔性支擋結構在抵御不均勻沉降方面明顯優于剛性支擋結構。

3.2.2 河溝道水毀的防治對策

由不同地形地貌及管道與河溝道的交匯形式,防治對策主要有以下幾種:

1)管道與河溝道平行,管道在河底敷設,河流坡降較大,流速較快,流量較大,河流下切沖蝕強烈,主要考慮防止沖刷破壞。一般在河溝道設置多道防沖坎(截水墻),在溝口設置漿砌石擋墻或格賓石籠擋墻(見圖9)。

2)管道與河溝道平行,管道在河岸曲線外側敷設,河岸受側蝕沖刷破壞,伴有水土流失,河岸線不斷外擴逼近管道敷設區域。一般在河岸曲線外側設置漿砌石擋墻或格賓石籠擋墻,于管道逼近區域下游設置防沖坎(截水墻)(見圖10)。

3)管道與河溝道垂直,管道在河底敷設,河流流速較快,下切沖蝕強烈,主要以防治沖刷破壞為主。一般沿河岸布置漿砌石擋墻或格賓石籠擋墻,擋墻可起到邊坡穩定和防水流沖刷的雙重作用,河底做過水護坦,下游設置防沖坎(截水墻)(見圖11)。另外還可以采取跨越的方式,主要做混凝土支墩架設管道在河溝道上方通過(見圖12),此種方法雖然造價較高,但可以避免維修和監控。

3.3 臺田地水毀

3.3.1 臺田地水毀破壞機制分析

油氣管道的敷設不可避免地要穿越農田,灌溉渠等人類工程活動,臺田地水毀的主要影響因素就是人類工程活動造成的地貌改變,水毀的主要物質來源是農田灌溉水,由不同的地貌和破壞機制可分為兩種類型。

1)油氣管道穿越灌溉渠時(見圖13),主要受灌溉水匯流沖刷破壞,伴有水土流失,使管道上覆土厚度不足,甚至露管,在濕陷性黃土區冬季面臨原油凍凝危險,影響管道的正常運輸。

2)油氣管道穿越耕地、臺田埂等低洼地勢,主要受灌溉水匯聚浸泡破壞,形成較大的陷坑或落水洞(見圖14),導致管道上覆土厚度不足甚至局部出露。

3.3.2 臺田地水毀的防治對策

臺田地的水毀也應從其不同的破壞機制入手分析提出不同的破壞防治對策:

1)對于受沖刷破壞為主的管道穿越灌溉渠等,一般對灌溉渠1∶1放坡,渠岸設置漿砌石護坡,管道通過的渠底修建漿砌石底部護坦,對于坡降較大的灌溉渠還可以在下游設置防沖坎(截水墻)防治沖刷破壞。另外也可考慮架設過渠橋。

2)對于受浸泡破壞為主的管道穿越耕地、田埂等。考慮到對農作物種植的影響只能使用素土回填塌陷坑,對田梗修建漿砌石護坎,防止側蝕沖刷。

4 結論

通過本次對油氣管道水毀的分析研究,主要成果包括以下幾條:

1)通過調研發現,在黃土區敷設的油氣管道普遍面臨多種的黃土災害,由于管道多沿丘陵地勢敷設,加之黃土結構松散、水敏性較高,油氣管道的水毀仍是管線安全運營面臨的重大威脅。

2)對濕陷性黃土區的油氣管道水毀破壞機制進行了細分,水毀破壞細分為匯流沖刷破壞和匯聚浸泡破壞,其中匯流沖刷破壞的致災因素包括短時降雨強度與時間、坡面角度、土體性質和植被覆蓋率,破壞形式主要為帶裝形式,浸泡破壞的致災因素包括黃土濕陷等級、低洼地勢和施工質量,破壞形式主要為點狀形式。

3)分析了坡面水毀、河溝道水毀、臺田地水毀不同破壞機制的防治方法,并提出了有針對性的防治對策。

5 建議

1)管線穿越黃土區面臨的濕陷性土層厚度一般都較大,最大地區大于100 m,考慮到經濟造價,長輸管線的建設不可能完全消除地基土濕陷性,因此濕陷性黃土區的水毀災害不可避免,治理還是應以各類土木工程措施為主。

2)濕陷性黃土區水毀最關鍵的因素還是水的侵入和壓力作用,因此做好各類防水措施是水毀治理的關鍵,防水措施的關鍵是防止水流的沖刷和浸泡。

3)筆者調研發現,一般水毀災害大都為黃土回填壓實度不滿足所致。故建議應加強現場監理,確保施工質量。

4)濕陷性黃土區的水毀災害治理應針對不同地形地貌、水文條件、管線敷設形式提出針對性的措施,切忌千篇一律,照搬其他地區的治理措施。