西南地区成品油管道山地灾害发育特点与防治

孔纪名 邱洪志 张引

①研究员，②③博士研究生，中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041

西南地区成品油管道山地灾害发育特点与防治

孔纪名①邱洪志②张引③

①研究员，②③博士研究生，中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041

成品油管道；山地灾害；灾害防治

成品油管道作为一种线性工程，具有孕灾环境复杂、人为干扰多、灾害点多且分散等特点，灾害发育易受到自然条件改变与人类活动的影响。受山地灾害治理费用的限制，大量的灾害点不可能都进行防治。管道建设用地为临时征地，这就要求管道治理工程对土地的占用最小，用尽可能小的工程措施达到管道保护的最佳效果。基于以上管道建设独特的工程特征与管道山地灾害的防治要求，建立一套与管道工程环境相适应的山地灾害早期判识、成灾类型确定、预防和治理技术就显得十分重要。在多年山地灾害防治理论方法与技术研究的基础上，结合西南山区管道建设的实践，形成一整套山区管道山地灾害治理的理论方法与关键技术，并成功示范应用于中石化多条成品油管道的建设和运营中，保证了山区成品油管的安全。

成品油管道是一个国家生命线工程的重要组成部分，在国民经济中占有十分重要的地位。随着近年来西部大开发的不断推进，中国西部对能源的需求日益凸显，成品油管道已成为西部地区能源供应的主要方式之一。然而，西部地区是中国山地分布最集中，山地灾害最频发、多发的区域。在这样复杂的地质、地貌环境下进行管道建设、运营和管理，不可避免地会遇到各种各样的山地灾害问题，由于管道大多采用地下浅埋的方式敷设，一旦发生山地灾害引起管道变形和破坏，将造成严重后果和重大损失。因此，西部山区成品油管道的建设和运营管理过程中，必须高度重视山地灾害的防治问题。

管道山地灾害防治具有其自身独特的“管道性”特征。一方面，管道工程作为一种线性工程，涉及的孕灾环境复杂，人为干扰多，管道山地灾害点多而分散，灾害发育易受到自然条件改变的影响。受山地灾害治理费用的限制，大量的灾害点不可能都进行防治。另一方面，管道建设为临时用地，这种方式本身就要求管道灾害治理时将尽量减少占地的范围，用尽可能小的工程措施达到管道保护的最佳效果。基于以上管道建设独特的工程特征和管道山地灾害的防治要求，建立一套与管道线性工程环境相适应的灾害早期判识、成灾方式确定、预防和治理技术就显得十分重要。纵观国内外管道山地灾害治理技术方面的研究和实践，还存在治理方法过于复杂导致操作性不强、前期判识不足造成后期工程投入过大等问题。基于中国西部山区管道建设的防灾需求，在多年山地灾害防治理论方法与技术研发的基础上，我们结合西南山区管道建设实践，形成一整套山区管道山地灾害治理的理论方法与关键技术，构建山区管道山地灾害的治理模式，并成功示范应用于中国石油化工集团公司的多条成品油管道的建设和运营过程中，保证了山区成品油管的安全。同时，也可以为今后管道山区选线设计、施工和防灾等提供借鉴。

1 管道山地灾害特点

西南管道东起粤西，经桂北、贵州、云南区域，沿线主要是以山地、丘陵和高原地形为主。在管道工程建设中，管道多穿越于河谷山川之间，通常要开挖大量的边坡，管沟开挖改变了原有的地貌条件，并严重地破坏了地表植被，导致大量的水土流失，诱发滑坡、崩塌等山地灾害，直接威胁到管道的正常运行。由于管道建设大多采用开挖作业的方式，作业带一般为10～20 m，管道埋深一般小于2 m，因此，在管道施工和运营阶段触发的山地灾害具有以下4个特点。

(1) 山地灾害规模较小、数量多。2006—2007年的调查表明，西南管道主要灾害点共149处(表1)，灾害点多，规模大多在几百立方米左右。

表1 管道山地灾害调查表

(2) 灾害类型多样。西南管道建设和投产后爆发的山地灾害类型有滑坡、崩塌、泥石流、岩溶塌陷、坡面侵蚀地表开裂等。对管道危害最大的是滑坡、岩溶塌陷、坡面侵蚀、水毁等4类灾害，占总灾害数的90.6%，其中滑坡以浅层滑坡为主。

(3) 灾害主要沿管道分布。由于管道工程施工作业带的特点，灾害的发生与管道施工开挖、回填、防护技术措施不合理等有关，管道灾害的分布具有明显的区域集中性。

(4) 灾害一旦发生，危害严重。管道灾害都直接作用在管道上，灾害发生将导致管道破坏，引发成品油泄漏，甚至爆炸，后果不堪设想。

2 管道山地灾害的成因与发展趋势

山地灾害是中国山区常见的自然灾害现象，管道山地灾害的发育分布及其危害程度与管道敷设地区的地质环境背景条件、气象水文条件、工程建设活动及其强度等有着极其紧密的联系，其中不良气候条件是山地灾害频繁爆发的最主要触发因素，不合理的管道工程建设活动加剧了山地灾害发生的频率和成灾强度。西南管道山地灾害多次爆发，说明该地区具备了灾害发生的地形、地貌、岩性及诱发因素条件。

西南管道经过的地区地形复杂多样，这些地区处于中国地势的二三阶梯过渡地带。地形总的趋势是北西高、东南低，呈阶梯状分布的地貌特征。较大的地形起伏，使这一区域普遍具有山地灾害发生的地貌条件，也是中国山地灾害极易发生和较易发生的地区。

西南管道敷设地区的地质环境比较复杂。根据地质钻探资料，西南管道沿线出露的地层除寒武系以前的老地层未出露外，其他地层均有出露。此外，管道通过区域普遍存在易滑地层(如煤系地层，第四系残坡积、冲洪积松散地层)广布于基岩上和河流两岸等。大量开挖管沟，破坏了易滑地层的极限平衡状态，以及在施工时没有及时做好开挖边坡的支护工作，触发了大量的滑坡。贵州段管道大部分敷设在石灰岩地层上，加上地下水很发育，导致这一地区的岩溶塌陷非常多，管道通过部位时常出现岩溶塌陷，危及管道的安全。粤西管道沿线普遍出露地层为第四系残坡积、冲洪积层，山区出露基岩以花岗岩、泥灰岩、石英砂岩为主。由于物理风化作用强烈，花岗岩风化壳比较厚，地表岩土极不稳定，强降雨天气诱发了严重的沟道和坡面侵蚀灾害，造成大量管道露管，局部地段甚至引发挡土墙破坏、失效。

西南管道受降雨的影响明显，管道经过区几乎全是多雨区，但降雨量分布不均，具有降雨多、降雨强度大等特点。调查表明，由于管道埋深浅，地表扰动后土层松散，在连续降雨之后，往往诱发滑坡、山洪、泥石流等山地灾害。

管道工程建设是诱发山地灾害的一个重要因素。首先，由于管道建设过程中对山地环境的保护不合理，处置不当，工程防护措施滞后，形成一些潜在的山地灾害隐患。降雨量丰富的雨季，容易诱发山地灾害，危及管道的安全。其次，人为的不合理的削坡、堆载加速了斜坡的变形。再次，由于管沟回填土回填不到位，改变了管道敷设地的地貌，人为制造了大量的积水坑和洼地，也为水土流失起到了促进作用。

山地灾害的孕育、发生、发展是一个逐步演变的过程，山区管道工程的环境条件普遍具备山地灾害形成的基本条件。表现为：①管道建设破坏了原地貌形态。在管道作业带范围内堆积了较多的松散堆积物，甚至形成陡坎，成为潜在的灾害隐患。②改变原斜坡的地表径流状态。由于地貌恢复不好，使得地表形成洼地或径流侵蚀冲沟，导致地表汇流后侵蚀作用增强，形成对管道的冲蚀；同时，地表水汇集并渗入土层，增加了坡体失稳的可能性。③管道由于线路长，可能发生的灾害点多，防治工程仅对一些危害大并且急迫的灾点进行治理，大部分管线段都是采用地貌恢复、逐渐稳定的处理办法。因此，在管道建成后的相当一段时间内，山地灾害和管道作业带都将处于灾害较易发生时段。据调查，西南管道在建设和运营中也逐渐暴露出了许多山地灾害问题。2006年，贵州省降雨量较往年偏少，但一次强降雨触发了许多严重危害管道的滑坡灾害。这与管道建设改变地貌条件和保护措施不当有密切的关系。2007年汛期，贵州省降雨充沛，由于前期管道防护工程的陆续完工并且发挥了重要作用，虽然降雨触发了一些新增加的管道山地灾害，但是成灾的数量和规模较以往均有不同程度的降低。

3 管道典型山地灾害的防治方法

山区管道由于普遍具有山地灾害发生的条件，一些存在潜在隐患的地段，当出现诱发因素时，管道山地灾害仍将继续发生，防灾是一项长期的工作。因此，在山地灾害危险程度高的地区，做好山地灾害防治，对保护管道安全具有重要意义。根据山区地貌条件，管道建设容易发生山地灾害的主要有两类地貌类型：一是斜坡地貌，二是沟道。因此，管道山地灾害防治模式主要针对这两种类型。

3.1 管道沿斜坡敷设的山地灾害防治

斜坡上发生的山地灾害的类型主要有两类方式：一是滑坡或坡体变形，二是坡面侵蚀(坡面泥石流)。由于管道通过斜坡的方式有垂直等高线和平行(斜交)等高线两种，不同的通过方式承受斜坡上滑坡、坡面侵蚀等灾害的作用方式不一样。滑坡的作用力可以使管道变形或断裂；侵蚀可使管道露管，破坏管道保护层，最终导致管道破坏。根据管道沿斜坡的不同敷设方式和灾害发生形式，采用两类管道滑坡防治方法。

3.1.1 管道垂直等高线敷设

垂直等高线敷设是山区管道所处地貌中最普遍的一种方式，这种方式敷设极易产生滑坡和坡面侵蚀。由于管道延伸方向与坡体的重力方向近于平行，管道施工对坡体的扰动容易产生坡体滑动；同时，管沟处的坡体被扰动也极易形成管沟侵蚀，危害管道安全。根据滑坡下滑力与管道之间的相互作用机理，垂直等高线敷设管道的灾害防治主要采用抗滑挡土墙、截水挡土墙、截排水沟的形式进行防治。

抗滑挡土墙一般建在坡脚和斜坡地貌转折的部位，通过建抗滑挡土墙，起到稳定坡体，防治滑坡发生。截水挡土墙建在斜坡坡面管沟内，通常有两个作用：一是稳定管沟的坡体；二是使坡面水土分离，防治管沟侵蚀。多道截水挡土墙的修建还能起到降低斜坡坡度，使斜坡稳定(图1)。抗滑挡土墙和截水挡土墙在管道延伸方向定距离修建，最终使斜坡被扰动坡体逐渐趋于稳定，保护管道的安全。截、排水沟一般建在坡面，截、排斜坡上部的地表水，减少地表水进入管沟，也避免坡面形成较大的径流，减少侵蚀。

图1 垂直等高线埋设管道截水墙的布置示意图

管道垂直等高线敷设另一个极易产生的灾害是沿管沟侵蚀。管沟侵蚀与水土流失形成的原因通常是管道建设破坏了原地表的径流状态；同时，管道施工扰动了原坡面岩土体，植被破坏形成裸地。在降雨条件下导致管沟处水流集中，覆土大量流失，甚至露管，极大地危及管道的安全运营。对管沟侵蚀的防治，主要采用截水挡土墙、截排水沟和植物措施进行防治。截水挡土墙和截排水沟的建设方式与坡面岩土体变形的防治相同，一种措施产生多重作用。

植被恢复措施是控制侵蚀和稳定边坡的一个有效辅助措施[2]。管道建设开挖斜坡形成的坡面浅表层不稳定，植被对于稳定这类斜坡具有很大优势[3]。工程实践表明，管道植被恢复主要选用草灌混栽的方式。由于草本植物具有繁殖快、生长迅速的优点，能对管道施工扰动裸地进行快速覆盖，减少地表的侵蚀和防治水土流失；同时，灌木根系发育好，对稳定浅层坡体有利。

3.1.2 管道平行(含斜交)等高线敷设

管道平行(或斜交)等高线敷设是山区建设最不利于稳定的一种方式。由于管道沿等高线建设对斜坡的开挖面大，易于诱发坡体失稳；同时，使坡体变形或发生滑坡产生的作用力直接作用在管道承受外力最差的方向上，极易引起管道变形破坏。下面就管道平行(或斜交)等高线敷设的防治方法展开讨论。

(1) 滑动面剪出口在管沟以下(图2(a))，管道将随滑坡一直滑动，滑坡的大部分，甚至全部推力作用在管道上，对管道将产生毁灭性的危害，使管道弯曲，甚至剪断。由于管道滑坡灾害的规模一般很小，治理此类滑坡可以采用抗滑桩支护结构，结合管道工程实际情况，抗滑桩的材料可以采用钢管桩或型钢，甚至可采用钢轨。

(2) 滑动面剪出口通过管沟(图2(b))，管道将承受滑坡的推力而弯曲，甚至推断，毁损。由于管道离滑动面剪出口较近，如施工场地比较宽敞的话，采用抗滑挡墙支护，如施工场地狭小可以采用抗滑桩支护。

图2 管道平行等高线滑坡防治示意图：(a) 滑动面剪出口在管道下方； (b) 滑动面剪出口通过管道

(3) 滑动面剪出口在管道之上，滑下来的岩土堆在管沟回填土以上，起到一个反压坡脚的作用，对管道无明显的危害，但对管道内侧边坡的有一定的影响，需要加强地面巡视力度，针对边坡破坏情况，适当修建挡土墙维持斜坡稳定，避免管道保护层被破坏。

(4) 管沟外侧弃土堆积层滑坡，由于弃土与原始地面间为软弱结构面，极易发生弃土堆积层沿此软弱结构面滑动，甚至牵引下覆原始松散土层一起滑坡。此时管道处于危险境地，悬空，甚至一起滑动破坏。在实际的管道施工中，遇到管道从滑坡体后缘通过，并且在管道的外侧存在既有公路，为了不破坏公路结构，需要在公路内缘一侧采用稳管墩这一新的支护方式来保护管道，同时需要在公路路基外侧修建抗滑桩。

3.2 管道沿沟道敷设的山地灾害防治

3.2.1 沟道山地灾害防治模式

管道沿沟道敷设是山区常见的一种形式，主要危害为山洪、泥石流侵蚀与冲击，造成管道露管或损坏。2006年贵州省关岭县北盘江的一个支沟发生泥石流，使顺沟敷设的管道被冲蚀，管道发生严重变形，严重影响管道安全。研究表明，管道沿沟道敷设可能遇到的灾害中，水是诱发山地灾害的主要因素。产生山地灾害的原因：沟道水流对管道的侵蚀冲刷，因施工扰动，在沟道内堆积了较多的松散物质，沟道侵蚀使得沟道两侧斜坡发生滑坡，为沟道泥石流灾害的发生提供了物质条件。在这些因素中，水的作用是产生沟道山洪、泥石流灾害的最主要因素。因此，根据沟道发生山地灾害的特点，针对灾害产生的主要原因，建立了“导水—拦渣—稳坡—固床”的沟道山地灾害防治模式。在这个模式中，导水是通过采取排水、引水和滞水等工程与生物措施，减少沟道水流对管道的冲刷。其作用：一是引走水流，做到水石分离；二是减少径流水，改变沟道的水动力条件。拦渣是通过建立小型拦渣坝，拦挡沟中堆积物，减少发生泥石流的可能性；同时，堆积在沟内的物质也可起到压脚稳坡效果。稳坡是对沟道斜坡上可能为沟道提供物质的地段，采用抗滑支挡、坡面护坡等措施，防治坡体滑动，减少产生泥石流的物质条件。固床是采用谷坊、固床坝等工程措施，起到稳定沟道、控制侵蚀，从而保护管道的安全。管道建设的工程实践表明，在沿沟道敷设管道的山地灾害防治中，灾害防治模式起到了很好的作用。

3.2.2 沟道山地灾害主要防治措施

管道沿沟道敷设的山地灾害防治模式中，导水、拦渣、稳坡采用的防治技术措施包括前面提到的排水、稳坡抗滑等共同防治措施；沟道山地灾害防治的措施有防冲(侵蚀)墙、固床坝、谷坊。

(1) 防冲(侵蚀)墙

墙体的基本形式为重力式挡墙，建在管道的靠沟一侧，沿沟修建，墙体的基础埋深应在沟道的最大冲刷线以下。作用主要是防冲蚀，排导水流，改变水流流向，保护管道安全(图3)。防冲(侵蚀)墙也可用于管道穿越沟道时的岸坡失稳的防治。

图3 沟道防冲(侵蚀)墙示意图：(a)平面布置示意图；(b)剖面示意图

(2) 固床坝

固床坝的基本形式为重力式坝体，横建在沟道中，可连续修建多道，起到稳定沟道、控制侵蚀的作用(图4)。固床坝体的基础埋深应在沟道的最大冲刷线以下，坝体一般仅高出沟道底面15～20 cm，两端嵌入沟道岸坡。工程实践表明，固床坝的使用一般要求比降小于7‰的小型沟道，如沟道比降大，则不能使用固床坝，改为谷坊或拦挡坝为好。

图4 沟道固床坝防治措施示意图：(a)平面布置示意图；(b)剖面示意图

(3) 谷坊

谷坊基本形式为重力式砌石坝体，横建在沟道中，起到拦挡沟道物质，稳定沟道与边坡、控制侵蚀的作用(图5)。谷坊基础埋深应在沟道的最大冲刷线以下，两端嵌入沟道岸坡。坝体一般采用高出沟道底面1～4 m的低坝形式，如沟道内物质较多，则采用连续多道的修建方式。

图5 沟道谷坊防治示意图

4 结语

(1) 西南管道所处的区域是中国山地最集中、山地灾害最频发、多发的区域。在这样复杂的地质、地貌环境下进行管道建设、运营和管理，山地灾害防治是一项长期的工作，应该给予足够的重视。

(2) 西南地区普遍具备了山地灾害发生的基本条件，在管道建设完工后的5～6年时间内，山地灾害处于较为易发的时期，只要出现降雨、地震等强诱发因素，都会出现不同规模的山地灾害。随着防治措施的完善，灾害发生的概率将会降低。

(3) 山区成品油管道由于埋深浅，易于受到各种因素的影响。管道容易发生山地灾害的主要有两种地貌类型：一是斜坡地貌，二是沟道。本文对敷设于这两种地貌类型中管道的山地灾害防治进行了总结，可为今后山区管道设计、施工和防灾等提供借鉴。

(2014年9月3日收稿)■

[1] 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所, 中国山地危险工程综合培训项目组. 中国山地灾害防治工程[M]. 成都: 四川科学技术出版社, 1997: 137-210.

[2] 张俊云, 周德培, 李绍才. 岩石边坡生态护坡研究简介[J]. 水土保持通报, 2000, 20(4): 36-38.

[3] 艾应伟, 刘浩, 范志金, 等. 我国道路边坡治理现状及其对策[J]. 水土保持研究, 2006, 13(5): 222-224.

[4] 周跃. 植被与侵蚀控制: 坡面生态工程基本原理探索[J]. 应用生态学报, 2000, 11(2): 297-300.

[5] 胡中华, 刘诗汉. 草坪与地被植物[M]. 北京: 中国林业出版社, 1995: 43.

[6] 王沪毅. 输气管道在地质灾害中的力学行为[D]. 西安: 西北工业大学, 2003: 19-40.

The mountain hazards development and its prevention methods of oil pipeline in South-West China

KONG Ji-ming①, QIU Hong-zhi②, ZHANG Yin③
①Professor, ②③Ph. D. Candidate, Key Laboratory of Mountain Hazards and Surface Process, Chinese Academy of Sciences, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences & Ministry of Water Conservancy, Chengdu 610041, China

Oil pipeline as a linear project, with features on complex disaster-pregnant environment, human disturbance and much scattered disaster points, the developments of disasters are vulnerable to the effects of natural conditions change and human activities. Due to the limit of expense of disaster control, a large number of disaster points cannot be all prevented. On the other hand, land for pipeline construction is temporary, which requires pipeline management project on land occupied minimumly, with minimum possible structural measures to maximize the effect of pipeline protection. Base on the unique features of engineering and the requirements on disaster control, it is very important to establish a set of mountain hazards sentenced early identification, determining the type of disaster, prevention and control technology to adapt to the environment of pipeline engineering. On the basis of many years of research methods and techniques of mountain disaster prevention theory, combined with the practices of southwest pipeline construction, a set of theoretical methods and key technologies of mountain hazards for construction of pipeline in mountain are established, which is successfully applied to the construction and operation of oil pipeline for Sinopec to ensure that the safety of oil pipeline in the mountains.

oil pipeline, mountain hazard, disaster prevention

(编辑：段艳芳)

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.05.005