埋地管道系统地下水毁类型及其辨识

李又绿，关惠平，蒋宏业，尹 平

(1.西南石油大学石油工程学院，四川 成都 610500;2.成都大学 城乡建设学院，四川 成都 610106;

3.中国石油西南油气田公司，四川 成都 610051)

埋地管道系统地下水毁类型及其辨识

李又绿1，关惠平2，蒋宏业1，尹 平3

(1.西南石油大学石油工程学院，四川 成都 610500;2.成都大学 城乡建设学院，四川 成都 610106;

3.中国石油西南油气田公司，四川 成都 610051)

水毁是埋地管道系统一种常见的环境及地质灾害，包括地面水毁和地下水毁2种基本作用形式.相对于地面水毁，地下水毁因其所具有的隐蔽性和显露于地表的滞后性，对管道系统的安全完整性构成了更高风险.根据管周土体内地下水的流态形式，将管道地下水毁划分为管道渗流水毁和管底槽流水毁2个亚类，分别阐述了它们的致灾机理及其影响因素，最后给出了辨识标志.

埋地管道系统;安全完整性管理;地下水毁类型;辨识标志

0 引言

作为埋地输流管道系统的重要组成部分，管周岩土体的性状必然受到来自地表水和地下水的机械侵蚀作用.按照动力介质的赋存和运动规律以及水毁发生部位，可将埋地输流管道水毁划分为地面水毁和地下水毁2种基本类型［1－2］.目前，对埋地输流管道水毁的研究主要集中在地面水毁［3－5］，而对其地下水毁致灾机理及其工程防控的专门研究则不多见.地下水流对埋地输流管道系统的破坏发生于地下，不但可向地下更深处发展，还可通过其他环境及地质灾害形式，如地面沉降和地面塌陷，波及或暴露于地表.由于管道地下水毁发生及其发展的隐蔽性和波及或显露于地表的滞后性，常不为巡线人员所发现.当地下水毁显露于地表时，其造成的管道系统的安全风险通常已达到中等程度以上，给管道安全完整性管理带来了巨大的困难.

1 管道地下水毁类型及其特点

地下水流对埋地管道系统的机械破坏作用主要是通过改变和破坏管周岩土体的性状来实现的.地下水流态形式的不同，具有对管周岩土体性状不同的破坏与改造作用;反之，管周岩土体性状的不同，也可使地下水流具有不同的流态形式.根据工程实际，管道地下水毁可划分为管道渗流水毁和管底槽流水毁.

1.1 管道渗流水毁及其特点

管道本体的不透水性，使非平行于管道的渗流围绕管道本体做绕流运动.当渗流速度不大(低雷诺数，Re≪1)时，管周上下游的渗流场流线大致对称，且其影响范围可达较远;当渗流速度较大(高雷诺数，Re≥10)时，管周上下游渗流场流线的对称性基本丧失，其对下游的影响范围也远比上游的更大(见图1).在渗流量和管道上方的地下水位基本不变的情况下，因管周渗流的过水断面已被压缩，导致渗流的实际流速增大，提高了渗流路径(管道)起动和挟带岩土颗粒能力，从而逐步改变了管周岩土体的密实性和压缩性.

图1 管周岩土体内渗流的高速绕流运动(Re≥10)

1.2 管底槽流水毁及其特点

因输流管道激励振动和管沟挖填施工等原因，不但破坏了管周岩土体原有的性状及其与自然因素之间已经达成的平衡状态，而且在管道本体与管周岩土体之间接触面易形成缝隙，其对管周地下渗流具有一定程度的集流功能，使部分渗流极易在管底缝隙处汇集形成集束状(股状)地下迳流，且当其以一定的流速沿管道底部的间隙持续流动时，可对管底岩土体产生冲刷，并可沿管道走向逐渐形成和扩大管底沟槽(见图2).因此，管底槽流水毁是特定条件下管道渗流水毁进一步发展的必然结果.

图2 管底沟槽式地下迳流运动示意图

2 管道地下水毁致灾机理及影响因素

2.1 管道渗流水毁致灾机理及其影响因素

2.1.1 管道渗流水毁致灾机理.

管周岩土体的渗流破坏实际上就是通过渗流及其水动力特性引起管周岩土体性状的改变而导致其结构发生变形甚至破坏来实现的.当渗流路径与管道走向基本一致时，可使管道本体沿渗流路径发生持续沉降(见图3)，并逐步改变局段管道本体的应力状态;当渗流路径斜交于管道走向时，可在通过管道处出现陷穴(见图4)或使局段管道本体与岩土体之间出现虚脱.

图3 管道顺向渗流引发管沟沉降

图4 管道斜向渗流引发陷穴

2.1.2 管道渗流水毁影响因素.

管道渗流水毁的发生及其发育程度与渗流特性密切相关.除水动力因素外，影响着渗流特性的因素还有很多，其中最为重要的因素是岩土体的透水性.对土体而言，土体内孔隙裂隙的大小、多少、形状、分布以及土颗粒的粒径、形状、均匀程度、排列方式等均是渗流特性的影响因素.在特定条件下，水的粘滞性对其渗透能力也有相当重要的影响.

2.2 管底槽流水毁致灾机理及其影响因素

2.2.1 管底槽流水毁致灾机理.

管底槽流对管沟及其基底岩土体的持续冲刷，可使其快速出现大形变甚至完全被破坏，导致管道本体底部长距离悬空(见图5)，出现沿管道走向的串珠状陷穴(见图6)或线状地面塌陷(见图7)，并削弱或减少管道激励振动约束，使管道本体应力状态发生改变和加速管道疲劳.因此，管底槽流水毁对埋地管道系统的安全完整性最具威胁.

图5 管底槽流造成管道悬空

图6 管底槽流引发沿管道走向的串珠状陷穴

图7 管底槽流引发沿管线走向的线状地面塌陷

2.2.2 管底槽流水毁致灾影响因素.

由于在管底形成并逐步发展的沟槽具有槽壁透水，且沟槽性状常随渗流冲刷发生变化以及沟槽内水流具有挟带泥沙能力等特点.因此，管底沟槽的形态是槽内水流与沟槽相互作用的结果，即管底沟槽既对槽内水流起着边界控制作用，同时又被槽内水流不断改变其形态.故，管底槽流水毁的发生与发展主要是受控于沟槽槽壁的泥沙起动条件和沟槽水流所具有的挟沙能力.

3 管道地下水毁类型的辨识要素

管道系统地下水毁具有隐蔽性和显露于地表的滞后性，因此，在工程堪探过程中，除采取工程物探法外，在现场还可根据辨识标志对其进行初步辨识和预判，具体如表1所示.

表1 管道地下水毁辨识要素

对于管道渗流水毁，大多出现在地形较为平缓、细粒土及碎石土体的管段，当渗流路径平行于管道走向时，其水毁形式多表现为长距离管沟沉降;当渗流路径斜交于管道走向时，在渗流通过管道处形成陷穴是其水毁形式.对于管底槽流水毁，大多出现在坡地和台田地、细粒土体的管段，其水毁辨识标志为沿管道走向出现串珠状陷穴和线状地面塌陷.在北方旱地改为水浇地的管段，上述地下水毁辨识要素普遍存在.

4 结论

管道系统地下水毁是极为特殊的水毁形式.由于其隐蔽性强，地表辨识难以把握而不易被发现，常为巡线人员及管道运营单位所遗漏.正因为如此，管道系统地下水毁对管道安全完整性管理更加具有风险性.因此，掌握管道系统地下水毁的辨识标志自然成为了管道安全完整性管理工作极其重要的工作要求之一，而科学正确、实际合理地建立管道系统地下水毁的辨识要素及其地面辨识标志，对于管道系统的安全完整性管理和工程缓解方案的制定，以及工程措施的选用，均具有极为重要的现实意义.

［1］帅建.美国油气管道事故及其启示［J］.油气储运，2010，34(11):806－809+795.

［2］种红文.靖西天然气长输管道水害及综合治理措施［J］.天然气技术，2007，23(1):81 －85.

［3］荆宏远.管道地质灾害风险半定量评价方法与应用［J］.油气储运，2011，34(7):497 －500+474.

［4］魏红军.输油气管道工程建设生态环境影响与水土保持防治初步分析［J］.长江科学院院报，2010，27(11):89－93.

［5］林铭玉，李又绿.输气管道环境及地质灾害风险评估模型［J］.油气田地面工程，2011，34(1):27 －29.

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.

李又绿(1973—)，男，讲师，从事油气管道与站库的风险评价与完整性管理研究.