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黄土高原区地质灾害对管道的危害及水工保护措施

字体: 放大字体  缩小字体 发布日期:2023-11-29  来源:《管道保护》2023年第6期(总第73期)  浏览次数:6429

李永军 林罡

长庆工程设计有限公司

摘要:黄土高原区极易发生水土流失及黄土湿陷、斜坡变形破坏、水毁等各种地质灾害,造成管道裸露、悬空、变形甚至断裂等严重危害,“水力侵蚀”作用为主要致因,设计阶段从管道线路路由选择开始就应打好防治基础,趋利避害,并以“截、排、导、护、堡、挡、固、防”为防治理念,因地制宜、就地取材,采取坡面防护、冲刷防护和支挡防护等水工保护措施。建设期保证水工保护设施施工质量、运营期持续做好管理和维护,确保其具有抵御各种地质灾害的持续耐久力,以达到全生命周期内管道和生态环境双安全的防护效能。
 

关键词:黄土高原区;黄土地质灾害;危害;管道线路;水工保护;措施

我国黄土高原区主要受水力以及风力、重力等多种营力的长期综合侵蚀作用,塬、墚、峁、崾岘等黄土沟间地地貌以及冲沟、切沟等黄土沟谷地貌广泛发育,也不同程度发育有黄土孔穴、暗洞等黄土潜蚀地貌[1],自然地貌条件异常复杂。加之土质疏松、多孔隙、透水性强等特殊的土质特点,极易发生水土流失、产生黄土湿陷等各种地质灾害[2],每年约有30%的地质灾害发生在黄土高原地区[3]。黄土地质灾害对管道安全影响巨大,管道线路水工保护等安全防护措施一直是设计和管理的重点。
1 黄土地质灾害对管道的主要危害
      
黄土湿陷、斜坡变形破坏和水毁是黄土高原区对管道危害最常见的地质灾害。另外,黄土潜蚀地貌灾害对管道危害的现象也多有发生。2016年,长庆油田通过调查记录的366处灾害中,地面沉陷灾害为161处,滑坡和崩塌为主的斜坡变形破坏分别为133处和5处,占总数80%,泥(石)流灾害8处、水毁灾害59处。
1.1 黄土湿陷地质灾害危害
      
黄土湿陷对埋地管道的危害现象具有多样性,如管沟沟基不均匀沉陷,管沟带及其周围场地地面出现纵向线性和串珠状沉陷以及发生裂隙或裂缝等(图 1),导致管道敷设场地稳定性变差、管土结构完整性破坏、沟基承载以及管土结构力学性能降低或丧失,使管道发生裸露、悬空、屈曲变形等安全风险。

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图 1 黄土湿陷灾害典型现象

1.2 斜坡变形破坏灾害危害
      
斜坡变形破坏多以滑坡、崩塌、泥(石)流灾害为主,影响因素相当复杂,有地形地貌、岩(土)体结构特性、水文等多种自然因素,也有人类生产和工程等各种活动的诱发作用影响[4],对管道产生的危害比较严重(图 2)。

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图 2 滑坡、崩塌灾害典型现象

       滑坡。在重力作用下,坡体大量物质从高处向低洼处突奔滑移,在滑动过程中管道与滑动土体发生相互摩擦拉压和推挤作用,致使管道移位。当超出管道所承受的拉伸或压缩形变极限条件时,就会造成管道严重变形甚至断裂。
崩塌。多出现在径流侵蚀作用活跃的河谷和冲沟的陡峭坡体、黄土墚峁间及残塬边缘有高陡坡地带的临空面。黄土崩塌属于土质崩塌,对管道的冲击作用虽然没有岩石崩塌那样强烈,但对位于崩塌体下部的管道有可能造成深埋,位于其上部的管道被波及时有可能造成悬空、受拉变形甚至拉裂或拉断。
       泥(石)流。在黄土高原区主要表现为泥沙流,大量泥沙的水力超强搬运使得冲击危害力巨大。对于与之穿越交叉的管道而言,在其形成区和流通区,冲击作用会造成管道防护构筑物损毁以及埋深不足、裸露、防腐层破坏、冲击变形甚至断裂等,在堆积区会造成管道深埋易发生径向失稳。
1.3 黄土潜蚀地貌灾害危害
      
危害极具隐蔽性和突发性,处于其地带的管道很容易在径流的暗蚀作用下使沟基失载、管道上覆土体失去支撑向下沉塌陷,轻者造成管道悬空,严重时就会造成管道屈曲变形或突然破裂(图 3)。当引起地面大程度沉降等灾变被发现时,埋设于此的管道就可能产生严重问题。

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图 3 黄土潜蚀灾害典型现象

1.4 水毁灾害危害
      
灾害首当其冲破坏的是管道敷设场地稳定环境,如一般斜坡地段管沟填埋土被冲走、管底填埋土被淘空,坡体陡峭地段发生滑溜及垮(崩)塌,台田地冲毁,河床及沟道严重冲蚀变形等。造成管土稳定结构严重被破坏,斜坡段管道产生大范围裸露悬空、位移、扭曲变形甚至断裂等高危害后果,河流和冲沟穿越处的管道则被冲出、漂摆甚至被冲断等(图 4)。水毁灾害也可诱发斜坡变形破坏灾害。

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图 4 水毁灾害典型现象

2 水工保护措施设计
      
水工保护是以保护管道安全为根本目的,通过确保管土结构的安全稳定来达成,措施设计必须要紧密结合黄土高原地貌特点以及地质灾害主要特征,从管道线路路由选择开始就应予以考虑。
2.1 管道线路路由优化
       线路路由优化也是水工保护的具体措施之一,具有黄土地质灾害对管道危害的风险防范、水工保护工程安全可靠性和经济性的奠基作用。选线时应充分对管道线路沿途地貌形态、工程地质等详细调查,以最有利条件为优化边界开展优化工作。
       优化总原则:善用地貌自然有利条件,有效规避黄土地质灾害易发区和发育区、绕“V”型深陡冲沟、远离沟头沟边及塬边,尽量沿连续墚峁脊线、慎横坡和斜交坡布线,忌顺无安全阶地的河谷和冲沟布线,降控总体起伏程度。
尽量将线位布置在稳定的敷设场地环境之内且水工保护工程量相对较小。
       尽量不与大坡度斜坡、高陡边坡、坡型破碎斜坡等易受水力侵蚀的地貌产生横坡布置关系。有条件时,坚决避开易发生滑坡、崩塌、两侧侵蚀严重窄崾岘等容易发生斜坡变形破坏的地带。尽量避开容易在强降雨因素下汇集股流冲蚀的地带。顺无安全阶地的河谷和冲沟敷设管道是黄土高原区选线的大忌,水工保护工程量将会巨大,有时也难以抵御泥(石)流、水毁灾害对管道的危害。尽量将线位布置在施工时对现状地貌形态不改观或扰动强度较小的地带。
2.2 水工保护措施
       核心是预防“水力侵蚀”,采用工程措施和生态措施、刚性结构和柔性结构相结合,辅助水土保持措施,以实现管土结构安全和线路沿途敷设场地一定范围内的生态环境安全。
       水工保护设计措施主要包括坡面防护、冲刷防护和支挡防护。应紧密结合地貌类型、工程地质特征和管道敷设方式,以“截(截水)、排(排水)、导(导引水)、护(护管、护坡)、堡(堡坎)、挡(土体支挡)、固(稳固易受重力侵蚀地貌)、防(预防诱发性灾害)”为防治理念,优先就地选用工程材料,重点如下:
       有专业研究成果指出,3°以下斜坡一般不发生水力侵蚀,主要预防管沟填埋土沉陷;当坡度在3°~8°间细沟、浅沟侵蚀出现;至15°侵蚀逐渐增强,超过时渐趋加剧;25°是水力侵蚀转折点,对于这些坡度间的斜坡首要增强管沟填埋土的抗蚀性和抗冲性,统筹考虑土地使用功能,采取封水、截水、导水和生态护坡等坡面防护和冲刷防护措施,以化解和削弱径流的冲刷、冲蚀力;25°以上重力侵蚀大量出现;35°以上的坡面错落、滑坡、泻溜等重力侵蚀出现,对此类坡面,坡角首要做好抗重力侵蚀工程措施,其次采用挡土墙间以截水墙、草袋装土压实堆护或砌石等措施做好防水力侵蚀坡面防护;45°以上水力侵蚀作用大为降低,重力作用起主导,总侵蚀量逐步降低,此类高陡斜坡主要在坡角一定高度、宽度采取稳固工程措施、管沟全部采取草袋装土连续压实填埋或与其结合并在其上一定深度采取砌石等措施,总之以稳管、护管为主要目的,防水力侵蚀措施不可过度盲目设计而造成投资浪费。
       管沟沟底的起伏弯曲设计应具有一定的延展性,要能有效迎合管体本身所具有的弹性向变,尽可能减少叠加角弯头、弯管的使用,以达到管体和沟底的紧密贴合以使管体周围各接触面的覆土容易做到密实均匀回填。这些对预防黄土湿陷灾害、减轻管沟填埋土水土流失非常重要。
       管道敷设设计应尽量以不对现状地貌形态产生大的破坏为原则,避免大范围、大程度的降坡和削坡,尽可能有利于地貌原样态恢复以维持线路沿途地带水土保持功能。不但可以有效防治水土流失、避免各种地质灾害发生风险,同时也是减小线路水工保护工程量的有效技术手段。
       地貌恢复也是水工保护措施设计的一项重要内容。管道施工建设,从线上到面上会较大程度改变线路沿途现状地貌形态,及时进行原状态样地貌恢复可有效预防或减轻水土流失,可有效避免诱发场地环境出现不稳定情况甚或地质灾害,也可明显减少水工保护工程量,必须在设计文件中对地貌恢复进行详细设计或明确说明。
       线路水工保护设计必须积极有效响应本工程项目水土保持评价、水土保持方案,必须考虑线路周围生态环境安全,不能出现因排、导水流而诱发周围区域水土流失,这一点在设计时必须高度注意。
3 结语
       管道线路水工保护设施是管道线路安全稳定结构的重要组成,一般情况下线路水工保护措施设计很难做到一步到位,需按照向前延伸、中间深度参与、向后超前管护的指导思想,做好设计、施工建设期间措施的不断完善以及施工质量管控,运营期间做好管理和维护并适时开展风险评价。另外,还需要持续深入分析黄土高原区地貌特点、黄土特征对管道安全影响的各种利弊,开展黄土高原区地质灾害对管道危害现象的调查研究,厘清地质灾害对管道危害现象的致因和机理,使线路路由优化、管道敷设方式、水工保护措施设计有更加充分的技术理论支撑,采取的措施更加安全可靠、适宜、适用、经济,水工保护设施更具有抵御各种地质灾害的持续耐久能力,从而实现全生命周期内管道和生态环境双安全。
参考文献:
[1]吴正.现代地貌学导论[M].北京:科学出版社,2009:144-148.
[2]王桂林.工程地质[M].北京:中国建筑工业出版社,2012:52-54.
[3]孙萍萍,张茂省,程秀娟,等.黄土地质灾害发生规律[J].山地学报,2019,37(5):737.
[4]潘懋,李铁峰.灾害地质学(第2版)[M].北京:北京大学出版社,2012:102-107.
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作者简介:

李永军,1970年生,油气储运高级工程师,长庆油田油气管道一级工程师,中华人民共和国应急管理部危化监管二司陆上油气输送管道建设项目安全审查技术专家。长期从事油气田矿场集输管道、油气长输管道的规划、设计与管理工作。编著《长庆低渗透油田油气集输》(石油工业出版社)专著1部,各类期刊发表论文13篇。联系方式:13484513159,lyj02_cq@petrochina.com.cn。
 
 
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