湿陷黄土地区煤层气集输管道水工保护技术

万涛 张炳俊

【摘要】：煤层气是重要的非常规能源，目前我国已投入开发的煤层气田多分布在湿陷性黄土地区，生态环境脆弱，水土流失严重，集气管道建设面临水土防护难题。本文结合延川南气田集输管线雨季水毁情况，从几个方面分析了集气管线水力破坏原理与危害类型。针对集气管道水力破坏原理以及现场经验提出了几种适合于不同条件的水工保护方式。

【关键词】：湿陷性黄土； 煤层气； 集气管线； 防护结构； 水工保护

中图分类号：TD84 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）06（a）-0000-00

中国的黄土分布面积西起甘肃祁连山脉东段，东至太行山脉，北起长城，南到秦岭，地跨220多个县市，面积约63万多平方公里，其中湿陷性黄土面积约占27万多平方公里，在山西、陕西、宁夏等省区均有广泛分布。我国煤层气资源主要分布在鄂尔多斯、沁水和滇东黔西等8个盆地，其中埋深2000米以浅的煤层气资源量约为36.81×1012m3，与国内陆上天然气储量相当[1]。目前国内投入开发的煤层气田主要位于鄂尔多斯盆地与沁水盆地，恰是湿陷性黄土的主要分布区，水土流失十分严重。

以延川南煤层气田地面工程建设过程中的水土防护经验与教训为例，分析湿陷性黄土地区煤层气集气管线水力破坏形式以及危害，并提出相应的管道防护措施。

1 湿陷性黄土的特征

湿陷性黄土颗粒间中存在毛细孔隙，颗粒依靠毛细张力胶结在一起。在毛细孔隙中悬浮有黄土小颗粒，当空隙中水分蒸发时颗粒间毛细水弯液面会发生退缩，在黄土颗粒周围产生絮凝作用，给颗粒以支撑作用。但当水进入土中时，连接力大大减小，支托也会分散，黄土颗粒间联结作用显著减弱，产生湿陷效应[2]。

湿陷性黄土属于弱联结的粘性土壤，在含水量较低时具有较高的强度，在雨水冲刷条件下很容易造成水土流失。渗透性极差，雨水难以渗透到土层下蓄积，即使较小的雨量也可以形成较大的冲蚀灾害。黄土在干燥状态下具有很强的立壁性和吸水性。

2 湿陷黄土地区煤层气集气管线水土防护特点

2.1 气田黄土情况

延川南煤层气田位于山西省临汾市境内，黄土厚度介于8m到24m之间，属于II～III级自重湿陷性黄土。其自重湿陷量介于158mm到400mm之间，总湿陷量介于246mm到690mm之间，湿陷起始压力不大于162kPa。气田黄土含水量约为13%，天然重度γ约为16kN/m3。从力学性质分析，气田所在地黄土属中-低压缩性黄土，地基承载力特征值约为150kPa[3]。

根据黄土的湿陷系数δs，可以将黄土湿陷性分为四类[4]：

<0.015，为非湿陷性黄土；0.015≤≤0.03，轻微湿陷性；

0.03<<0.07 中等湿陷性；>0.07 强烈湿陷性。

延川南气田黄土湿陷系数与深度的关系如图1所示，该地区属中等湿陷性黄土地区。

2.2 煤层气生产及水土防护特点

煤层气是以吸附状态储存的非常规天然气，其生产及水土防护具有以下特点：

（1）单井产能低（～1350m？/d），大规模的井网部署造成单位面积管道密度大（约为1.6～2.4km/km2）。黄土高原地区沟壑密度约为2.7～3.2km/km2，水工保护工作量大；

（2）煤层气产建属于低成本工程，水工保护工作也需要遵循低成本原则；

（3）煤层气井排采见气周期长（180d以上），生产压力低，集气管道主要采用高密度聚乙烯（PE）管材。管道压力等级低、管材强度低。

3集气管线水力破坏原理与危害形式

因黄土高原地形影响，集气管道水毁的主要动力因素为水力侵蚀和土壤失陷。湿陷性黄土地区集气管线遭受水力损害主要分为暗流侵蚀，山洪冲刷、泥石流以及山壁垮塌几种形式。

（1）管道沿程某处水流垂直侵蚀（或下切侵蚀）到管道外侧，水流在覆土之下沿着管道向下流动，形成暗流对管周黄土冲刷侵蚀，造成管道悬空。当暗流侵蚀到一定程度后，表层黄土由于重力作用产生塌陷，直接作用在管道上，造成管道的机械损伤[5]。

（2）在山区遭遇大雨后，雨水沿着山谷、沟壑汇集聚结，形成暴涨洪水，对管线进行强烈的冲刷。极易造成管线的露管甚至被冲刷断裂。

（3）具有湿陷性的黄土在遭遇大面积强降雨时，稳定性遭遇严重破坏。大量的水体将黄土浸透，形成松软的泥水混合物，流动沿途中冲击并吸收各种固体堆积物质，体积不断变大。饱含水分的固体堆积物在重力作用下发生高速运动，对管道会产生强烈的冲击作用，导致管道损伤[6]。

（4）湿陷性黄土的立壁性在干燥条件下强度较好，在遭遇雨水浸泡后，雨水垂直渗入黄土中的纵向裂缝中，黄土的立壁性会遭到破坏，发生山壁的整体垮塌。会将管线拉扯变形甚至断裂或可能导致管道的机械损伤。

4 管线水土防护措施

湿陷性黄土地区集气管道的水土保护工程按照施工形式可以分为：夯筑、砌筑、浇筑、混凝土现浇、桩柱防护等。延川南煤层气管线水保措施主要采用了消能台阶、草袋防护、箱涵、护岸护坡、挡土墙等。

4.1 消能台阶

据统计，黄土高于地区接近60%的土地为大于7°的山坡地区（缓坡）。在此类山坡上每隔一定距离建消能台阶，将雨水涵养在消能台阶上，使从坡上流下的冲刷雨水势能归零。不但减少了对管沟的冲刷也对雨水起了一定蓄积作用。

4.2 草袋防护

在不适合设置消能台阶的陡峭山坡，可采用素土夯实外加草袋装土堆砌的方式做好对集气管道的防护。草袋应注意采用适当的堆砌方式并适应山坡的坡度，在草袋中装土过程中播撒一定的野草种子，雨季过后野草长出，增强了草袋防护的强度。素土草袋容易施工，是较好的防护手段。

4.3 浇筑箱涵

处于沟谷底部以及陡峭山坡的集气管道容易遭受山洪、泥石流的冲刷，须采用箱涵防护。将管周虚土碎石清除至露出基岩（硬土）后，可以利用模具进行箱涵的浇筑。箱涵浇筑一般采用C20混凝土以及Φ7的螺纹钢筋。混凝土以及钢筋用量可根据管道大小以及山洪强度频率现场调整。

4.4 浆砌护坡

对于常年有水流过、季节性洪水冲刷严重以及坡度较大的陡峭地段，集气管道防护方式主要为浆砌护坡。采用2：8灰土将地基夯实后，用浆砌石和水泥砂浆砌筑护坡。水泥砂浆强度不宜小于M5，浆砌石强度不小于MU20。浆砌护坡具有美观大方，坚固持久，抗冲刷能力强等优点。

4.5 钢桩挡土墙

针对沿边坡或者陡崖公路边通过的集气管线，宜采用钢桩挡土墙。砌筑前需间隔1.5～2.5米打钢桩（入土深度不小于2米），并将钢桩之间用钢片连接，钢桩内侧采用2：8灰土装填草袋压实。 集气管道在草袋内侧敷设，管道回填土须分层夯实。

4.6 漫水公路

在管线穿越小型河流时可采用漫水公路防护。漫水公路铺设前需先在基岩上开槽敷设管道，管道四周采用细沙压实，公路路面宜采用C20混凝土，钢筋宜采用Φ12的螺纹钢。漫水公路防护效果好，抗冲击能力强，但造价高，施工复杂。

5 结论

采取相应的防护措施后，延川南煤层气田集气管道雨季受损现象得到了很大改观，水土保持工作取得了良好的效果。根据延川南煤层气田实际情况，本文总结了湿陷性黄土特点、煤层气水工保护的特点、集气管线水利破坏的原理和危害以及相应的水土防护措施，得出以下结论：

（1）湿陷性黄土具有渗透性差、抗侵蚀能力弱、遇水湿陷崩解的特点。

（2）水流对湿陷性黄土的危害主要为侵蚀、冲刷及垮塌几种方式。

（3）各类水保结构均有不同的特点和防护效果，应该根据现场条件因地制宜，选取合适的防护方式。

参考文献：

[1] 刘成林，朱杰，车长波，等. 新一轮全国煤层气资源评价方法与结果[J] 天然气工业 2009，29（11）：130～132

[2]穆斯塔法耶夫，A.A，湿陷性黄土地基与基础的计算[M]. 北京：水利水电出版社，1984

[3]赵环. 晋南黄土的湿陷特征及其岩土特性评价[D]. 昆明：昆明理工大学地质工程专业，2009

[4]张俊义，杜景水. 洪水造成管道断裂的事故分析[J].油气储运，2000，19（1）：16～19

[5]郝世英，苏勇，常宏，等. 黄土高原长输管道生态型水土保护技术[J]. 石油工程建设，2004，30（1）：31～34

[6]王慧智，杜景水，徐卫中.黄土高原油气管道的水工保护[J].石油工程建设，1996，22（3）：31～33