甘肃东南部长输管道水毁类型及防治探析

2015-04-13 08:12王智博刘小晖

江汉石油职工大学学报 2015年6期

王智博，王任，刘小晖

（1.兰州石化职业技术学院，甘肃兰州730000；2.中石油西南管道公司兰州输油气分公司，甘肃兰州730060）

管道敷设属于陆地浅表性工程，地球外动力地质作用（水力、风力、重力等）产生的环境演化及地质灾害现象是管道工程所面临的主要问题。管道地质灾害是在自然或人为（或综合作用）作用下形成或诱发的对管道及其附属构筑物的安全、环境造成破坏，以及对社会经济造成损失的地质作用（现象）。国内外对管道地质灾害的研究，一方面集中于对埋地管线进行荷载的力学分析（事中控制），另一方面专注于管道风险管理和评价（事前控制），但都未形成比较系统的体系，主要还是依托于传统地质灾害的防治研究。目前，管道地质灾害的发育机理及其防治措施主要集中于具体管线沿线地质灾害的研究，鲜有系统地按区域进行“长输管道地质灾害发育类型和防治”的研究，所以，为确保管道安全，需要结合管道线路资料和生产实际对甘肃东南长输管道水毁类型及防治措施进行深入细致的探讨。

1 甘肃东南部长输管道概况

甘肃东南部共有三条管道，分别为兰成管道、兰成渝管道、兰郑长管道。管道大部分敷设于黄土高原地区（兰州－武山段）及秦岭山区（武山－康县段）。其中，敷设于黄土高原地区的管线，大多敷设于浅表层黄土中。该区黄土属自重湿陷性黄土，厚度在15m以上，地下水埋深较深，湿陷性强，土体粘粒含量较少、较敏感；气候干旱少雨且降雨集中，降雨利用率低，旱涝灾害频繁，易造成沟岸冲塌、沟谷下切、坡面冲蚀等；坡面植被覆盖率在20%～30%，坡度多在10°～80°，塬面平缓，在原自然地貌被扰动后，水土流失严重。因此，容易致管道管沟塌陷及坡体滑塌，造成管道底部悬空或露管，威胁管道安全。

2 管道地质灾害类型

近年来，管道行业结合地质工程学科和管道线状分布、浅表性和输送介质易燃易爆的特殊情况，已逐步统一并规范了管道工程地质灾害的界定和类别，共包括19种。具体类别为粘土滑坡、碎石土滑坡、黄土滑坡、岩体滑坡、崩塌、泥石流、采空塌陷、坡面水毁、河沟道水毁、台田地水毁、黄土湿陷、盐渍土、冻土、岩溶塌陷、地面沉降、地裂缝、地震液化、水化学腐蚀、人类工程活动等。

根据现场实际，将甘肃东南部的管道类型划分为坡面水毁和河沟道水毁。其中，坡面水毁包含塌陷类和垮塌类，表现为水流的漫流冲刷。其形成的主要原因是由于在较平缓的戈壁、山前倾斜平原区、台田地地区、山坡坡面地带等区域地表土体松散、植被稀少，主要特点是改道性、游荡性强，多成漫流细沟对坡面产生冲刷。河沟道水毁包含河床下切类和河岸侧蚀类，一般是由重度小于13kN／m3的洪水造成的，并对沟床产生强烈下切和侧蚀作用，在一些地形切割严重、沟谷密集的山区较发育。

据不完全统计，在2014年，甘肃东南部管道沿线水毁灾害共计126余处。其中：坡面水毁77处，占总数的61%，河沟道水毁49处，占总数的39%；黄土地区水毁灾害83处，占总数的66%，秦岭山区水毁灾害43处，占总数的34%（图1）。

图1 兰州输油气分公司2014年管道沿线水毁分布柱状图

从图1可知，甘肃省东南部水毁灾害主要发生于黄土地区，而黄土地区主要以坡面水毁为主。

3 坡面水毁

坡面水毁主要发生在斜坡坡面上或斜坡田台地内和坎边，常表现为坡面土体滑塌、土体塌陷，其形成和发育与土层性质、地质构造、水的活动等因素有关。由于湿陷性黄土具有饱和且结构不稳定的特征，所以，在此区域的水毁是由于地面水在地面凹地积聚、下渗、冲蚀，将土壤颗粒带走而形成的，局部塌陷是由于回填土未严格按照设计密实度和含水量要求进行回填，致使其在自重或附加压力的作用下，一旦被水集中浸湿结构就会迅速破坏，从而引发显著下沉。

3.1 塌陷类

塌陷类水毁多发于黄土地区。该黄土区的黄土性质为自重湿陷性黄土，该类黄土在土体饱和下极易在自身重力的作用下产生自稳，从而发生沉降，严重时将形成黄土洞穴或黄土通道。因此，当大量的地表水汇集于塌陷区时，水会将管道周围土体颗粒带走，导致管沟上方或管道底部土体流失，最终使得管道露管或管道底部悬空，威胁管道安全（图2、3）。

图2 管道上方土体流失管道露管

图3 管道下方土体流失形成落水洞

塌陷类水毁的治理要点在于水的治理。根据现场地形条件采用修建截排水沟的形式将坡面上的地表水进行截流，将地表水引入其他区域，防止地表水对塌陷区造成累进性破坏。截排水沟通常选用浆砌石或混凝土砌筑，其尺寸根据过流量的大小进行选取，坡降根据现场地形以不形成逆流沟为准。对地形坡度较陡和无法修建截排水沟的地段，则采用支挡和堵水的治理措施。挖开塌陷区，找到入水口，采用三七灰土等对其进行回填封堵，同时，为防止地面水渗入管道壁、顺管道壁进行窜流，要在管道上方修建一道或多道截水墙。截水墙一般选用三七灰土或混凝土（黄土地区易用三七灰土），其长度要根据塌陷区的大小以两端伸入稳定土体1～2m为宜。在斜坡上宜采用上窄下宽呈梯形结构的截水墙，在地形较为平缓的地方可采用矩形结构的截水墙。截水墙高度不宜＞3m，顶宽一般为0.5m左右，截水墙底部需低于管道底部（≥0.5m）。在农田地内砌筑灰土截水墙时，其顶宽的0.5m易采用素土进行回填，便于村民耕作。

在水毁灾害较为严重地区，要根据现场实际情况采取综合治理措施。

3.2 垮塌类

垮塌类水毁多发于坡面及田坎处。由于管沟开挖回填或伴行路开挖削坡等，导致坡体或田坎原土（岩）体结构发生改变，土（岩）体稳定性减弱，加之局部地段坡体临空，土体具有向下滑移的临空条件，在后期降水、地震以及人类工程活动等的影响下，土体饱水，重度增加，在自身重力以及外力冲蚀等的作用下，土（岩）体逐步解体而失稳，最终导致田坎及坡体垮塌，严重时演变为滑坡、崩塌等重大地质灾害，使得管道露管，同时具有剪断管道的风险，对管道的安全运营带来极大威胁。该类水毁在管道全线境内最为发育（图4、5）。

图4 管沟连续塌陷

图5 坡面垮塌

垮塌类水毁的治理要点在于水的排导治理及土（岩）体的支挡稳固治理。一般根据现场地形条件采用修建截排水沟的形式将坡面上的地表水进行截流，将地表水引入其他区域。同时，在垮塌区要采用相应的支挡措施对原土体进行稳固，防止其继续垮塌，但要根据地形地貌、地形坡度以及灾害规模等选用不同的支挡加固措施。常见的加固措施有浆砌石（混凝土）挡墙、护面墙、浆砌石（混凝土）格构滑坡、抗滑桩板墙、桩锚或格锚等。

4 河沟道水毁

河沟道水毁主要发生于河沟道内，其主要表现形式为河床下切、河岸侧蚀。河沟道水流的冲刷侵蚀及河道摆动是造成管道水毁的主要动力因素。

4.1 河床下切类

河床下切类水毁为管道垂直或顺河水水流方向，在管道穿越主河槽段，管道上覆盖的土体在水流的冲刷作用下被明显刷薄，若继续冲刷下切，可能使管道发生外露。管道一旦外露不仅要受水流的冲击，而且还要受水流携带的大量砂石和漂砾石的冲撞，易损坏防腐层，并可能导致管道弯曲甚至断裂，严重威胁管道运行安全。河流的下切作用对管道沿线原建工程也带来了极大威胁（图6、7）。