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黃土高原區地質災害對管道的危害及水工保護措施

字體: 放大字體  縮小字體 發布日期:2023-11-29  來源:《管道保護》2023年第6期(總第73期)  瀏覽次數:12088

李永軍 林罡

長慶工程設計有限公司

摘要:黃土高原區極易發生水土流失及黃土濕陷、斜坡變形破壞、水毀等各種地質災害,造成管道裸露、懸空、變形甚至斷裂等嚴重危害,“水力侵蝕”作用為主要致因,設計階段從管道線路路由選擇開始就應打好防治基礎,趨利避害,并以“截、排、導、護、堡、擋、固、防”為防治理念,因地制宜、就地取材,采取坡面防護、沖刷防護和支擋防護等水工保護措施。建設期保證水工保護設施施工質量、運營期持續做好管理和維護,確保其具有抵御各種地質災害的持續耐久力,以達到全生命周期內管道和生態環境雙安全的防護效能。
 

關鍵詞:黃土高原區;黃土地質災害;危害;管道線路;水工保護;措施

我國黃土高原區主要受水力以及風力、重力等多種營力的長期綜合侵蝕作用,塬、墚、峁、崾峴等黃土溝間地地貌以及沖溝、切溝等黃土溝谷地貌廣泛發育,也不同程度發育有黃土孔穴、暗洞等黃土潛蝕地貌[1],自然地貌條件異常復雜。加之土質疏松、多孔隙、透水性強等特殊的土質特點,極易發生水土流失、產生黃土濕陷等各種地質災害[2],每年約有30%的地質災害發生在黃土高原地區[3]。黃土地質災害對管道安全影響巨大,管道線路水工保護等安全防護措施一直是設計和管理的重點。
1 黃土地質災害對管道的主要危害
      
黃土濕陷、斜坡變形破壞和水毀是黃土高原區對管道危害最常見的地質災害。另外,黃土潛蝕地貌災害對管道危害的現象也多有發生。2016年,長慶油田通過調查記錄的366處災害中,地面沉陷災害為161處,滑坡和崩塌為主的斜坡變形破壞分別為133處和5處,占總數80%,泥(石)流災害8處、水毀災害59處。
1.1 黃土濕陷地質災害危害
      
黃土濕陷對埋地管道的危害現象具有多樣性,如管溝溝基不均勻沉陷,管溝帶及其周圍場地地面出現縱向線性和串珠狀沉陷以及發生裂隙或裂縫等(圖?1),導致管道敷設場地穩定性變差、管土結構完整性破壞、溝基承載以及管土結構力學性能降低或喪失,使管道發生裸露、懸空、屈曲變形等安全風險。

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圖 1 黃土濕陷災害典型現象

1.2 斜坡變形破壞災害危害
      
斜坡變形破壞多以滑坡、崩塌、泥(石)流災害為主,影響因素相當復雜,有地形地貌、巖(土)體結構特性、水文等多種自然因素,也有人類生產和工程等各種活動的誘發作用影響[4],對管道產生的危害比較嚴重(圖?2)。

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圖 2 滑坡、崩塌災害典型現象

       滑坡。在重力作用下,坡體大量物質從高處向低洼處突奔滑移,在滑動過程中管道與滑動土體發生相互摩擦拉壓和推擠作用,致使管道移位。當超出管道所承受的拉伸或壓縮形變極限條件時,就會造成管道嚴重變形甚至斷裂。
崩塌。多出現在徑流侵蝕作用活躍的河谷和沖溝的陡峭坡體、黃土墚峁間及殘塬邊緣有高陡坡地帶的臨空面。黃土崩塌屬于土質崩塌,對管道的沖擊作用雖然沒有巖石崩塌那樣強烈,但對位于崩塌體下部的管道有可能造成深埋,位于其上部的管道被波及時有可能造成懸空、受拉變形甚至拉裂或拉斷。
       泥(石)流。在黃土高原區主要表現為泥沙流,大量泥沙的水力超強搬運使得沖擊危害力巨大。對于與之穿越交叉的管道而言,在其形成區和流通區,沖擊作用會造成管道防護構筑物損毀以及埋深不足、裸露、防腐層破壞、沖擊變形甚至斷裂等,在堆積區會造成管道深埋易發生徑向失穩。
1.3 黃土潛蝕地貌災害危害
      
危害極具隱蔽性和突發性,處于其地帶的管道很容易在徑流的暗蝕作用下使溝基失載、管道上覆土體失去支撐向下沉塌陷,輕者造成管道懸空,嚴重時就會造成管道屈曲變形或突然破裂(圖?3)。當引起地面大程度沉降等災變被發現時,埋設于此的管道就可能產生嚴重問題。

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圖 3 黃土潛蝕災害典型現象

1.4 水毀災害危害
      
災害首當其沖破壞的是管道敷設場地穩定環境,如一般斜坡地段管溝填埋土被沖走、管底填埋土被淘空,坡體陡峭地段發生滑溜及垮(崩)塌,臺田地沖毀,河床及溝道嚴重沖蝕變形等。造成管土穩定結構嚴重被破壞,斜坡段管道產生大范圍裸露懸空、位移、扭曲變形甚至斷裂等高危害后果,河流和沖溝穿越處的管道則被沖出、漂擺甚至被沖斷等(圖?4)。水毀災害也可誘發斜坡變形破壞災害。

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圖 4 水毀災害典型現象

2 水工保護措施設計
      
水工保護是以保護管道安全為根本目的,通過確保管土結構的安全穩定來達成,措施設計必須要緊密結合黃土高原地貌特點以及地質災害主要特征,從管道線路路由選擇開始就應予以考慮。
2.1 管道線路路由優化
       線路路由優化也是水工保護的具體措施之一,具有黃土地質災害對管道危害的風險防范、水工保護工程安全可靠性和經濟性的奠基作用。選線時應充分對管道線路沿途地貌形態、工程地質等詳細調查,以最有利條件為優化邊界開展優化工作。
       優化總原則:善用地貌自然有利條件,有效規避黃土地質災害易發區和發育區、繞“V”型深陡沖溝、遠離溝頭溝邊及塬邊,盡量沿連續墚峁脊線、慎橫坡和斜交坡布線,忌順無安全階地的河谷和沖溝布線,降控總體起伏程度。
盡量將線位布置在穩定的敷設場地環境之內且水工保護工程量相對較小。
       盡量不與大坡度斜坡、高陡邊坡、坡型破碎斜坡等易受水力侵蝕的地貌產生橫坡布置關系。有條件時,堅決避開易發生滑坡、崩塌、兩側侵蝕嚴重窄崾峴等容易發生斜坡變形破壞的地帶。盡量避開容易在強降雨因素下匯集股流沖蝕的地帶。順無安全階地的河谷和沖溝敷設管道是黃土高原區選線的大忌,水工保護工程量將會巨大,有時也難以抵御泥(石)流、水毀災害對管道的危害。盡量將線位布置在施工時對現狀地貌形態不改觀或擾動強度較小的地帶。
2.2 水工保護措施
       核心是預防“水力侵蝕”,采用工程措施和生態措施、剛性結構和柔性結構相結合,輔助水土保持措施,以實現管土結構安全和線路沿途敷設場地一定范圍內的生態環境安全。
       水工保護設計措施主要包括坡面防護、沖刷防護和支擋防護。應緊密結合地貌類型、工程地質特征和管道敷設方式,以“截(截水)、排(排水)、導(導引水)、護(護管、護坡)、堡(堡坎)、擋(土體支擋)、固(穩固易受重力侵蝕地貌)、防(預防誘發性災害)”為防治理念,優先就地選用工程材料,重點如下:
       有專業研究成果指出,3°以下斜坡一般不發生水力侵蝕,主要預防管溝填埋土沉陷;當坡度在3°~8°間細溝、淺溝侵蝕出現;至15°侵蝕逐漸增強,超過時漸趨加??;25°是水力侵蝕轉折點,對于這些坡度間的斜坡首要增強管溝填埋土的抗蝕性和抗沖性,統籌考慮土地使用功能,采取封水、截水、導水和生態護坡等坡面防護和沖刷防護措施,以化解和削弱徑流的沖刷、沖蝕力;25°以上重力侵蝕大量出現;35°以上的坡面錯落、滑坡、瀉溜等重力侵蝕出現,對此類坡面,坡角首要做好抗重力侵蝕工程措施,其次采用擋土墻間以截水墻、草袋裝土壓實堆護或砌石等措施做好防水力侵蝕坡面防護;45°以上水力侵蝕作用大為降低,重力作用起主導,總侵蝕量逐步降低,此類高陡斜坡主要在坡角一定高度、寬度采取穩固工程措施、管溝全部采取草袋裝土連續壓實填埋或與其結合并在其上一定深度采取砌石等措施,總之以穩管、護管為主要目的,防水力侵蝕措施不可過度盲目設計而造成投資浪費。
       管溝溝底的起伏彎曲設計應具有一定的延展性,要能有效迎合管體本身所具有的彈性向變,盡可能減少疊加角彎頭、彎管的使用,以達到管體和溝底的緊密貼合以使管體周圍各接觸面的覆土容易做到密實均勻回填。這些對預防黃土濕陷災害、減輕管溝填埋土水土流失非常重要。
       管道敷設設計應盡量以不對現狀地貌形態產生大的破壞為原則,避免大范圍、大程度的降坡和削坡,盡可能有利于地貌原樣態恢復以維持線路沿途地帶水土保持功能。不但可以有效防治水土流失、避免各種地質災害發生風險,同時也是減小線路水工保護工程量的有效技術手段。
       地貌恢復也是水工保護措施設計的一項重要內容。管道施工建設,從線上到面上會較大程度改變線路沿途現狀地貌形態,及時進行原狀態樣地貌恢復可有效預防或減輕水土流失,可有效避免誘發場地環境出現不穩定情況甚或地質災害,也可明顯減少水工保護工程量,必須在設計文件中對地貌恢復進行詳細設計或明確說明。
       線路水工保護設計必須積極有效響應本工程項目水土保持評價、水土保持方案,必須考慮線路周圍生態環境安全,不能出現因排、導水流而誘發周圍區域水土流失,這一點在設計時必須高度注意。
3 結語
       管道線路水工保護設施是管道線路安全穩定結構的重要組成,一般情況下線路水工保護措施設計很難做到一步到位,需按照向前延伸、中間深度參與、向后超前管護的指導思想,做好設計、施工建設期間措施的不斷完善以及施工質量管控,運營期間做好管理和維護并適時開展風險評價。另外,還需要持續深入分析黃土高原區地貌特點、黃土特征對管道安全影響的各種利弊,開展黃土高原區地質災害對管道危害現象的調查研究,厘清地質災害對管道危害現象的致因和機理,使線路路由優化、管道敷設方式、水工保護措施設計有更加充分的技術理論支撐,采取的措施更加安全可靠、適宜、適用、經濟,水工保護設施更具有抵御各種地質災害的持續耐久能力,從而實現全生命周期內管道和生態環境雙安全。
參考文獻:
[1]吳正.現代地貌學導論[M].北京:科學出版社,2009:144-148.
[2]王桂林.工程地質[M].北京:中國建筑工業出版社,2012:52-54.
[3]孫萍萍,張茂省,程秀娟,等.黃土地質災害發生規律[J].山地學報,2019,37(5):737.
[4]潘懋,李鐵峰.災害地質學(第2版)[M].北京:北京大學出版社,2012:102-107.
圖片

作者簡介:

李永軍,1970年生,油氣儲運高級工程師,長慶油田油氣管道一級工程師,中華人民共和國應急管理部?;O管二司陸上油氣輸送管道建設項目安全審查技術專家。長期從事油氣田礦場集輸管道、油氣長輸管道的規劃、設計與管理工作。編著《長慶低滲透油田油氣集輸》(石油工業出版社)專著1部,各類期刊發表論文13篇。聯系方式:13484513159,lyj02_cq@petrochina.com.cn。
 
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