长输管道复杂地质段地质条件评价及应对措施

雷中华

长输管道复杂地质段的施工,易造成地表植被的破坏、扰动地表土层,改变现有地基土的稳定状态,容易诱发施工滑坡等地质灾害问题;在管道水工保护及运行维护期间也会因地形地貌、岩土性质等地质条件影响,对管道自身造成安全威胁。通过复杂地质段的专项地质评价,才能更好地论证管道路由线路定线、设计的技术可能性与经济合理性。因此,在前期勘察和设计阶段,对复杂地质段进行专题分析与评价也显得重要而迫切。本文选取西乡至安康输气管道工程(以下简称西康线)勘察中遇到的复杂地质问题进行专题评价的案例,对设计和施工中易发的地质问题提出相应的处理措施,为今后复杂地质段的选线工作以及工程地质评价提供相关经验。

1 复杂地质段的工程特性

1)高填方区。西康线由于受到地形地物的限制,需经过两处高速公路施工弃土的高填方区。高填方区表层为新近人工填土,属欠压实的抛填土,厚度4.5 m～11.0m。根据扰动土重塑试验成果,其粉质粘土的压缩模量Es=3.45MPa,属高压缩性土,具有结构松散、变形量大、湿陷性、自重压密性和沉降不均匀的特点,达到稳定状态的自然沉降周期较长,不能直接作为管道的埋管层位。若采用大开挖方式埋置到下部稳定层位,施工开挖作业时管沟壁的不稳定性也是其主要的工程地质问题。2)高陡边坡。西康线的关沟口高陡边坡勘察中,在西侧的岩质陡坡,其边坡高度高,倾角大,有的岩体呈垂直甚至临空状态,具有自重惯性力的作用,沿着原有的不连续面发生拉张开裂和错动,具有下滑的趋势。另外,在上部坡体的挤压下,坡脚岩性相对软弱的岩层产生较大的流变并向坡面产生一定的挤出,从而使坡脚产生压密和坡体上部产生拉张变形。高陡边坡东侧接近冲沟段为崩坡积土质边坡,地表坡角为30°～45°,坡体由粉质粘土夹块石组成,钻孔揭露土层厚度达10.10m,块石含量约为25%,通过工程地质调绘和实际钻孔,推测下伏基岩面坡角约 25°～35°。3)滑坡。滑坡对管道危害的大小取决于管道与滑坡的相对位置,而滑坡对管道的危害可分为两种形式:a.直接威胁管道安全;b.威胁管道附属设施。当管道位于滑坡体内,或者位于滑坡前缘推覆与掩埋地段,以及滑坡后缘拉裂区时,一旦滑坡失稳都会对管道本身产生直接威胁,一方面可以直接剪断与拉裂管道,另一方面还可以造成管道悬空暴露或掩埋。滑坡失稳在直接对管道自身产生威胁的同时,还会对其附属设施产生破坏,如对管道边坡护坡、挡土墙、混凝土盖板、岸坡护堤等,进而威胁到管道安全。

2 复杂地质段的地质条件评价

2.1 高填方区

表1 填土垂直边坡自稳高度计算表

从表1可以看出,填土垂直边坡的自稳高度天然状态下为3.65 m,饱和状态下为2.54 m,而管道通过段填土的实际厚度为4.50m～11.00m,大于其垂直边坡的自稳高度。

2.2 高陡边坡

对西康线中关沟口高陡边坡石质边坡的评价,主要采用工程地质综合分析法。影响边坡稳定性的主要因素是岩体的完整性、结构面的结合能力与结构面的产状。在自然状态下关沟口高陡边坡的石质边坡段,基岩主要为震旦系下统耀岭群(Zsyl)石英片岩、二云石英片岩,局部见脉状花岗岩,岩体完整性较好,片理倾向为北,倾角 30°～ 35°,管道走向为 103°～ 124°,冲沟两侧坡向分别为 116°和297°,二者与岩层倾向均成大角度相交,边坡的稳定性较好。

对关沟口高陡边坡东侧的土质高陡坡的地基稳定性评价,采用折线形滑面传递系数法进行稳定性计算。管道走向与斜坡最大推力方向基本一致,根据勘察现场的实际情况,以管道中线剖面作为计算模型。土体重度(γ),根据土样室内试验成果,结合野外观察、钻探揭露的情况,按综合土石比 0.75∶0.25确定,土体综合天然重度取20.5 kN/m3,饱和重度取 21.85 kN/m3;土体抗剪强度取天然状态 C=28 kPa,φ=14.3°,饱和状态 C=20 kPa,φ=12°;地表附加荷载为天然气管道自重,按5 kN/m取值。

按不同工况对关沟口东侧土质边坡进行稳定性计算,结果如表2所示。

表2 关沟口东侧土质边坡稳定性计算结果一览表

2.3 滑坡

对于长输管道滑坡的勘察,主要利用 1∶10000地形图和 1∶2000放大图,采用工程地质调查的方法评价滑坡对管道的影响。

按照不同的分类标准,将滑坡进行归类。根据滑体形成的原因、物质组成进行分类,沿线滑坡类型大多属于坡积层滑坡,少量属于残积层滑坡和人工堆积层滑坡;根据滑体厚度分类,大多属于滑坡体影响深度小于6m的浅层滑坡;根据滑坡体体积分类,多数属于体积小于3万m3的小型滑坡,少量属于3万 m3～50万m3的中型滑坡。

3 工程处理建议措施

3.1 高填方区

对于管道的设计方案,我们建议可采用沟埋敷设(开挖)方式通过,将管道埋置于稳定的粉质粘土层中,但直立开挖情况下的管沟壁是不稳定的,必须进行放坡处理。填方区新近填土结构松散,且赋存上层滞水,管沟开挖应采取排水和临时支护措施。

如果管道需要从填土层通过,也可采取地基处理措施,可采用换填法,分层夯实换填土层,同时做好填土区的地面排水措施,防止周围填土因地表水渗入影响换填土区域的稳定。

当采用短桩方案,可设计排桩,桩顶可连接成梁,桩尖置于稳定的粉质粘土层不小于2 m,管道置于桩顶梁之上。若采用该方案,设计时应进行相关稳定性计算。同时做好填土区的地面排水措施,防止周围填土因地表水渗入影响场区稳定。

3.2 高陡边坡

根据本段管道沿线地基土的岩性、结构与工程性状,建议将管道嵌入强风化石英片岩一定深度,两侧陡坡段需采取条石堡坎沿管线护坡,必要时可采用固定墩稳管;过沟段管道宜适当深埋,并应采取防浮、防冲刷稳管措施;东侧土质边坡开挖条件下处欠稳定～不稳定状态,需作绕避处理或进行抗滑治理。

3.3 滑坡

通过西康线沿线调查和统计,处于滑动或滑动临界状态的滑坡有23处;沿线存在局部不稳定的地段,如果管沟开挖过程中,受施工不当或支护措施不到位等因素影响,可能导致滑坡或坍塌等地质灾害的地段有16处。

由于受管道沿线滑坡及潜在滑坡等影响,勘察专业及时与设计沟通,对管道线路进行了局部改线或调整,改线的地方有22处。对管道距滑坡有足够安全距离的地段未进行改线;对线路绕避难度较大,提出了可选择滑坡体后缘并设置永久性挡墙的措施;对管道影响不大的滑坡,建议采取坡体削坡,管道深埋,地表水的疏导,或设置永久性挡墙,加强施工期间的支护措施或选择合适地方穿越,采取进一步勘察和处理建议及措施。

4 结语

1)复杂地段的专题分析评价,能较好地解决长输管道勘察中易忽视的重点和难点问题,对存在的不良地质作用、地质灾害等问题及时发现,以便对选定的线路路由进行调整或进一步论证技术方案、路径的经济合理性;2)在管道设计前期应对复杂地质段有充分的了解,对选线时未能发现的地质问题,宜在勘察时进行分析评价,并做好整治方案;3)复杂地段的专题分析可提前对施工和管道运营中出现的工程地质问题进行分析和预测,可有效减小施工发生次生地质灾害的概率和管道运营中的成本;4)在进行复杂地质段地质条件评价时,要注意多种因素的独立作用与相互作用,并应从成因、特点、防治措施及措施效果等多方面综合考虑。要不断总结工程实例中的经验,为日后的地质条件评价工作提供可靠依据。

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