周欣海,周小钰
(兰州工业学院,甘肃 兰州 730050)
我国幅员辽阔,疆域广大,在西北新疆等地区有着丰富的油气资源,但我国的经济发达省份多处于东南沿海,油气管道必然要穿越我国中西部的黄土区,这些油气长输管线在穿越我国面积达44万km2的黄土连续分布区时面临着一系列的黄土地质灾害。针对该类灾害的处置措施,目前国内外学者已展开相关研究工作:赵忠刚等[1]对长输管道的地质灾害类型进行了较为全面的归纳,并简单介绍了防控措施和预测方法。黄鹏[2]通过实地调查,分析了涩宁兰全线管道地质灾害的类型。谭超等[3]通过对马惠线的黄土灾害研究,详细分析了黄土区的管道工程地质灾害。马克锋等[4]研究了秦巴山区地质灾害的主要类型、分布特征及成因机理。梅云新[5]对马惠宁输油管道所处黄土高原的自然环境、地形、地貌、地质、水文气象进行分析,指出了水工保护工程中的已被实践证明的有效方法。李宁[6]总结归纳了长输管道沿线水毁灾害类型和分布特征,同时分析得出其各因素与灾害发生分布的关系。付攀升等[7]分析了黄土陷穴发育规律及管沟黄土陷穴的成灾原因、致灾过程和机理。王锡军等[8]现场勘查山区管道沿线204个地质灾害点,统计分析得出管道主要地质灾害类型是水毁、滑坡和岩溶塌陷。张海磊[9]建立了考虑滑坡与油气管道相互作用等评估指标,选取了中缅油气管道典型滑坡灾害点进行应用分析。
近几年,我国在长输管道的地质灾害方面取得了许多成果,但还面临许多问题。目前在各类文献里和实际工程中,对于水毁灾害的分类多以地形地貌为划分依据,普遍将水毁灾害划分为坡面水毁、河沟道水毁、台田地水毁等。但在湿陷性黄土区未考虑水毁破坏机制,也带来了一些问题,例如,目前对坡面水毁仍以防止冲刷破坏为主,治理措施主要为浆砌石截水墙,在大部分地区浆砌石截水墙在防冲刷方面都取得了较好的效果,但在调研中发现某处使用浆砌石截水墙拦截水流时,浆砌石截水墙却与坡面形成了汇水面,黄土在雨水汇聚的浸泡下出现了较大的落水洞,所以对黄土水毁灾害的治理应从其破坏机制入手分析,做到对症下药,有针对性地提出治理对策。
本次针对油气管道黄土灾害的调研主要涉及管线为石兰线和马惠线。这两条管线穿越了陇西、陕北、关中多个黄土区。调研线路全长450 km,徒步勘察灾害典型路段约40 km,所调研的灾害点均为巡线过程中发现的灾害典型区段,同时参观了该区域黄土灾害的工程治理措施。
通过调研发现,管线的黄土灾害地域性分布明显,在陇南天水等地主要以滑坡泥石流为主,治理措施多为拦挡坝或排导渠;青海、新疆、河西地区等广泛分布季节性冻土,冻胀破坏也是造成管沟土松胀的主要原因,治理措施为提高管沟基础或设置隔热层;另外生物致灾等因素不容小觑,在宁夏中北部,多处管沟因为动物洞穴造成雨水灌入引发湿陷(见图1);黄土区的管道多沿起伏不平的丘陵和山地敷设,部分管线占用了农田、民宅等地,局部穿越河沟、崾岘等不良地质,由于地形地貌的复杂多变,加之黄土易流失、易湿陷等特点,黄土的水毁灾害十分严重,多处出现黄土冲沟(见图2)、黄土湿陷、水土流失等黄土水毁灾害。
通过现场调研发现,黄土的水毁灾害是各类黄土灾害中最为严重的灾害,黄土由于其本身结构松散、水敏性较高、湿陷性黄土区的油气管道水毁灾害分布范围较广、灾害类型多样、防治成本巨大。
目前对于油气管道的黄土水毁灾害的研究仍处于较初级的阶段。因为油气管道的黄土水毁灾害是一个复杂的、受多因素影响的问题,我国幅员辽阔,地形地貌变化较大,油气管道作为一种长距离线性工程,穿越不同地质构造时,面临着不同的侵蚀特征,难以用一种统一的对策去治理不同的水毁灾害,更不能照搬非黄土地区对水毁灾害的研究和治理。
黄土易流失、易湿陷的特点决定了湿陷性黄土区的水毁不同于其他地区的水毁,所以应在坡面水毁、河沟道水毁、台田地水毁的划分基础上对水毁的破坏机制进行细分。因此将黄土的水毁灾害的破坏机制分为汇流冲刷破坏和汇聚浸泡破坏。以便从其破坏形式和致灾因素入手,提出针对性的治理措施。
汇流冲刷破坏多发生于较陡的坡面、河岸和台田地灌溉渠,致灾因素主要有四点:一是水流冲刷速率,其又取决于短时降雨强度与降雨时间、河沟道高度落差等;二是雨水汇流的坡降高差,不同的坡面都存在某一个范围的临界角度使其冲刷量达到最大值[10];三是土体的性质,黄土的松散结构决定了其极易在冲刷下形成黄土冲沟;四是坡面的植被情况,植被覆盖率对土体的抗冲刷性有明显作用。其破坏形式主要为带状形式,多在管沟处形成少至数十米多至上百米的黄土冲沟,使管道发生露管或管道悬空,管道在横坡穿越坡面、河沟道和台田地时,也会在数米至数十米的宽度内发生冲蚀,如果任其进一步发展,还会导致崩塌、滑坡等更为严重的灾害。
对于防冲刷的措施可以借鉴其他地区的成功经验,一般使用各类拦挡措施拦截水流防止下切冲蚀,例如浆砌石挡墙,格宾坝等。切忌拦截措施形成汇水面,发生浸泡破坏导致黄土湿陷。
汇聚浸泡破坏多发生于坡度较缓或表面不平整的坡面、河沟道凹岸和台田地低洼汇水点,致灾因素主要有三点:一是黄土本身的湿陷性,湿陷性越强发生浸泡破坏的程度越严重;二是管道敷设的地貌特征,黄土区敷设的管道应尽量避免处于低洼地势,防止雨水的汇聚;三是管道的施工质量,黄土区的管线施工大多没有对其湿陷性进行预处理,施工时的管道上覆土压实度也不足,这也是浸泡破坏的重要致灾因素。浸泡破坏的破坏形式多为点状形式,在坡面低洼处形成直径几十厘米的落水洞。
黄土作为一种特殊土,因其湿陷性的特点有别于其他土,在水流汇聚浸泡下极易发生湿陷,使土体失去强度,切忌照搬其他地区的防治措施。防止浸泡破坏主要以各类导流排水措施为主,例如浆砌石截水墙、梁板式渡槽等,另外还可以结合灰土改良的方法,消除其湿陷性。
油气管道的黄土水毁防治对策可以分为两方面。一是防,即主动防护措施,在水毁灾害发生前就主动采取各类措施预防水毁灾害的发生。二是治,即被动防护措施,在灾害发生后采取有效措施对水毁灾害进行治理[11]。本文主要研究被动防护措施,即防止灾害进一步发展的风险削减措施,避免其发展为更为严重的或不可预知的灾害,例如崩塌、滑坡、泥石流等。
目前对黄土水毁灾害研究还很不完整,理论深度远远不及实际应用的程度,将实际应用中的防治措施作为研究对象不失为一种研究方法,因此本文将通过三类黄土水毁灾害的典型案例,详细分析其破坏机制,并提出普遍性的防治对策。
3.1.1 坡面水毁破坏机制分析
坡面水毁主要受冲刷破坏。以调研中发现的某湿陷性黄土区的坡面水毁为例,该处坡面的坡度约为20°~30°,水毁是典型的汇流冲刷破坏,管沟土在强降雨作用下崩塌冲蚀,管沟上覆回填土因为与管沟外原土黏聚力不足,在冲刷下形成了一条宽约2 m~3 m,长约400 m~500 m的大型冲沟(见图3),冲蚀程度严重。而冲沟的形成又为雨水进一步汇流提供了条件,使更多的土体被雨水冲走,多处出现了露管和管道悬空。虽然坡面水毁主要受冲刷破坏,但其中的浸泡破坏也不可忽视。该处坡脚位置坡面角度变缓,约为10°~20°,坡面设置的两道截水墙之间仍然出现了较大的落水洞(见图4),因为虽然高侧的截水墙起到了拦截坡面汇流,防止冲刷的作用,但低侧的截水墙又对管沟形成了汇水面,进一步引发雨水的汇聚和渗入,产生陷穴,水的重力和侵蚀作用使陷穴不断扩大,产生较大的落水洞(见图5)。另外西南侧的坡面多处受到了雨水汇流冲刷破坏和雨水汇聚浸泡破坏的联合作用(见图6),一方面冲刷破坏形成的冲沟造成了雨水的汇聚,汇聚后的浸泡破坏出现了落水洞,另一方面落水洞的出现迫使汇聚的水流寻找出口,形成新的冲沟,两种类型的破坏相互作用,愈演愈烈,使得管沟土的破坏十分严重。
3.1.2 坡面水毁的防治对策
湿陷性黄土区的坡面水毁防治也应在分析破坏机制的基础上提出防治措施[12]:
1)对于坡度较陡、季节性降雨强度较大、坡面土体松散的坡面应以防治冲刷破坏为主,防治对策以拦截汇流为主,另外还可以采取加固护坡,放坡削坡和覆盖植被的方法。拦截汇流主措施为各类截水墙,对于坡角小于45°的坡面宜使用浆砌石截水墙;对于坡脚小于30°的坡面,宜使用灰(水泥)土或黏土截水墙,其中灰(水泥)土截水墙常用于黄土地区,加固护坡以浆块石护坡为主;放坡削坡主要是避免坡面角度在冲刷量较大的临界角度;覆盖植被一般多在管道上覆土回填中加入草籽,利用植物根部的固结作用防止坡面冲刷破坏。
2)对于坡度较缓、常年降雨量较大、坡面不平整或有低洼处的坡面应注意防止浸泡破坏。在冲刷作用不强烈的坡面建议将截水墙八字形设置防止浸泡破坏。坡面的浸泡破坏防治主要以疏导水流为主,另外还可以采用土质改良、管沟土夯实、护坡防水等措施。雨水汇聚的疏导多使用排水墙或排水沟,将水流疏导至管沟土外。另外也有一些管道在施工时,在保证管沟上覆土压实度的同时对管沟的回填高于两边平地20 cm~30 cm,可以有效防止雨水汇聚;土质改良多与管沟土夯实结合使用,即使用三七灰土或二八灰土对黄土坡面管沟土进行换填,并进行夯实,可基本消除黄土的湿陷性;护坡防水主要使用各类不透水材料覆盖坡面,以防止水流入渗。
3.2.1 河沟道水毁破坏机制分析
河沟道水毁的破坏形式主要以冲刷破坏为主,调研中发现某处河沟道水毁位于黄土区与沙土区交界处,该地区湿陷性等级多为Ⅱ级—Ⅲ级,管道横向穿越河沟道,河沟道宽约10 m,此处的年降雨量虽然不多,但过于集中在雨季,因此一旦进入雨季,季节性河流的流量和流速会出现激增,冲刷破坏作用十分强烈。
该处河岸线分别沿河岸设置了浆砌石挡墙与格宾石笼挡墙,两种挡墙相距约200 m,在河流流量及流速几乎相等的情况下却出现了完全不同的损毁情况,浆砌石挡墙在一场中雨汇聚的河流冲刷下被彻底冲垮(见图7),而格宾石笼挡墙几乎没有损毁(见图8)。究其原因,格宾石笼挡墙相较于浆砌石挡墙,重量较大,稳定性好,而且由于其对水流的过滤作用,其防护效果会随着时间不断增加。另外格宾石笼此类的柔性支挡结构相较于浆砌石挡墙此类的刚性支挡结构更适用于湿陷性黄土地区,柔性支挡结构在抵御不均匀沉降方面明显优于刚性支挡结构。
3.2.2 河沟道水毁的防治对策
由不同地形地貌及管道与河沟道的交汇形式,防治对策主要有以下几种:
1)管道与河沟道平行,管道在河底敷设,河流坡降较大,流速较快,流量较大,河流下切冲蚀强烈,主要考虑防止冲刷破坏。一般在河沟道设置多道防冲坎(截水墙),在沟口设置浆砌石挡墙或格宾石笼挡墙(见图9)。
2)管道与河沟道平行,管道在河岸曲线外侧敷设,河岸受侧蚀冲刷破坏,伴有水土流失,河岸线不断外扩逼近管道敷设区域。一般在河岸曲线外侧设置浆砌石挡墙或格宾石笼挡墙,于管道逼近区域下游设置防冲坎(截水墙)(见图10)。
3)管道与河沟道垂直,管道在河底敷设,河流流速较快,下切冲蚀强烈,主要以防治冲刷破坏为主。一般沿河岸布置浆砌石挡墙或格宾石笼挡墙,挡墙可起到边坡稳定和防水流冲刷的双重作用,河底做过水护坦,下游设置防冲坎(截水墙)(见图11)。另外还可以采取跨越的方式,主要做混凝土支墩架设管道在河沟道上方通过(见图12),此种方法虽然造价较高,但可以避免维修和监控。
3.3.1 台田地水毁破坏机制分析
油气管道的敷设不可避免地要穿越农田,灌溉渠等人类工程活动,台田地水毁的主要影响因素就是人类工程活动造成的地貌改变,水毁的主要物质来源是农田灌溉水,由不同的地貌和破坏机制可分为两种类型。
1)油气管道穿越灌溉渠时(见图13),主要受灌溉水汇流冲刷破坏,伴有水土流失,使管道上覆土厚度不足,甚至露管,在湿陷性黄土区冬季面临原油冻凝危险,影响管道的正常运输。
2)油气管道穿越耕地、台田埂等低洼地势,主要受灌溉水汇聚浸泡破坏,形成较大的陷坑或落水洞(见图14),导致管道上覆土厚度不足甚至局部出露。
3.3.2 台田地水毁的防治对策
台田地的水毁也应从其不同的破坏机制入手分析提出不同的破坏防治对策:
1)对于受冲刷破坏为主的管道穿越灌溉渠等,一般对灌溉渠1∶1放坡,渠岸设置浆砌石护坡,管道通过的渠底修建浆砌石底部护坦,对于坡降较大的灌溉渠还可以在下游设置防冲坎(截水墙)防治冲刷破坏。另外也可考虑架设过渠桥。
2)对于受浸泡破坏为主的管道穿越耕地、田埂等。考虑到对农作物种植的影响只能使用素土回填塌陷坑,对田梗修建浆砌石护坎,防止侧蚀冲刷。
通过本次对油气管道水毁的分析研究,主要成果包括以下几条:
1)通过调研发现,在黄土区敷设的油气管道普遍面临多种的黄土灾害,由于管道多沿丘陵地势敷设,加之黄土结构松散、水敏性较高,油气管道的水毁仍是管线安全运营面临的重大威胁。
2)对湿陷性黄土区的油气管道水毁破坏机制进行了细分,水毁破坏细分为汇流冲刷破坏和汇聚浸泡破坏,其中汇流冲刷破坏的致灾因素包括短时降雨强度与时间、坡面角度、土体性质和植被覆盖率,破坏形式主要为带装形式,浸泡破坏的致灾因素包括黄土湿陷等级、低洼地势和施工质量,破坏形式主要为点状形式。
3)分析了坡面水毁、河沟道水毁、台田地水毁不同破坏机制的防治方法,并提出了有针对性的防治对策。
1)管线穿越黄土区面临的湿陷性土层厚度一般都较大,最大地区大于100 m,考虑到经济造价,长输管线的建设不可能完全消除地基土湿陷性,因此湿陷性黄土区的水毁灾害不可避免,治理还是应以各类土木工程措施为主。
2)湿陷性黄土区水毁最关键的因素还是水的侵入和压力作用,因此做好各类防水措施是水毁治理的关键,防水措施的关键是防止水流的冲刷和浸泡。
3)笔者调研发现,一般水毁灾害大都为黄土回填压实度不满足所致。故建议应加强现场监理,确保施工质量。
4)湿陷性黄土区的水毁灾害治理应针对不同地形地貌、水文条件、管线敷设形式提出针对性的措施,切忌千篇一律,照搬其他地区的治理措施。