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管道研究

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黃土高原區地質(zhì)災害對管道的危害及水工保護措施

來(lái)源:《管道保護》2023年第6期 作者:李永軍 林罡 時(shí)間:2023-11-27 閱讀:

李永軍 林罡

長(cháng)慶工程設計有限公司

 

摘要:黃土高原區極易發(fā)生水土流失及黃土濕陷、斜坡變形破壞、水毀等各種地質(zhì)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(xiàn)路路由選擇開(kāi)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(zhì)量、運營(yíng)期持續做好管理和維護,確保其具有抵御各種地質(zhì)災害的持續耐久力,以達到全生命周期內管道和生態(tài)環(huán)境雙安全的防護效能。

關(guān)鍵詞:黃土高原區;黃土地質(zhì)災害;危害;管道線(xiàn)路;水工保護;措施

 

我國黃土高原區主要受水力以及風(fēng)力、重力等多種營(yíng)力的長(cháng)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(fā)育,也不同程度發(fā)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(zhì)疏松、多孔隙、透水性強等特殊的土質(zhì)特點(diǎn),極易發(fā)生水土流失、產(chǎn)生黃土濕陷等各種地質(zhì)災害[2],每年約有30%的地質(zhì)災害發(fā)生在黃土高原地區[3]。黃土地質(zhì)災害對管道安全影響巨大,管道線(xiàn)路水工保護等安全防護措施一直是設計和管理的重點(diǎn)。

1  黃土地質(zhì)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(jiàn)的地質(zhì)災害。另外,黃土潛蝕地貌災害對管道危害的現象也多有發(fā)生。2016年,長(cháng)慶油田通過(guò)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(zhì)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?chē)鷪?chǎng)地地面出現縱向線(xiàn)性和串珠狀沉陷以及發(fā)生裂隙或裂縫等(圖 1),導致管道敷設場(chǎng)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(xué)性能降低或喪失,使管道發(fā)生裸露、懸空、屈曲變形等安全風(fēng)險。


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(lèi)生產(chǎn)和工程等各種活動(dòng)的誘發(fā)作用影響[4],對管道產(chǎn)生的危害比較嚴重(圖 2)。


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(zhì)從高處向低洼處突奔滑移,在滑動(dòng)過(guò)程中管道與滑動(dòng)土體發(fā)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(shí),就會(huì )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(zhì)崩塌,對管道的沖擊作用雖然沒(méi)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(shí)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(huì )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(huì )造成管道深埋易發(fā)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(fā)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(shí)就會(huì )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(fā)現時(shí),埋設于此的管道就可能產(chǎn)生嚴重問(wèn)題。


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(chǎng)地穩定環(huán)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(fā)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(chǎn)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(fā)斜坡變形破壞災害。


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(guò)確保管土結構的安全穩定來(lái)達成,措施設計必須要緊密結合黃土高原地貌特點(diǎn)以及地質(zhì)災害主要特征,從管道線(xiàn)路路由選擇開(kāi)始就應予以考慮。

2.1  管道線(xiàn)路路由優(yōu)化

線(xiàn)路路由優(yōu)化也是水工保護的具體措施之一,具有黃土地質(zhì)災害對管道危害的風(fēng)險防范、水工保護工程安全可靠性和經(jīng)濟性的奠基作用。選線(xiàn)時(shí)應充分對管道線(xiàn)路沿途地貌形態(tài)、工程地質(zhì)等詳細調查,以最有利條件為優(yōu)化邊界開(kāi)展優(yōu)化工作。

優(yōu)化總原則:善用地貌自然有利條件,有效規避黃土地質(zhì)災害易發(fā)區和發(fā)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(xiàn)、慎橫坡和斜交坡布線(xiàn),忌順無(wú)安全階地的河谷和沖溝布線(xiàn),降控總體起伏程度。

盡量將線(xiàn)位布置在穩定的敷設場(chǎng)地環(huán)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(chǎn)生橫坡布置關(guān)系。有條件時(shí),堅決避開(kāi)易發(fā)生滑坡、崩塌、兩側侵蝕嚴重窄崾峴等容易發(fā)生斜坡變形破壞的地帶。盡量避開(kāi)容易在強降雨因素下匯集股流沖蝕的地帶。順無(wú)安全階地的河谷和沖溝敷設管道是黃土高原區選線(xiàn)的大忌,水工保護工程量將會(huì )巨大,有時(shí)也難以抵御泥(石)流、水毀災害對管道的危害。盡量將線(xiàn)位布置在施工時(shí)對現狀地貌形態(tài)不改觀(guān)或擾動(dòng)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(tài)措施、剛性結構和柔性結構相結合,輔助水土保持措施,以實(shí)現管土結構安全和線(xiàn)路沿途敷設場(chǎng)地一定范圍內的生態(tài)環(huán)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(lèi)型、工程地質(zhì)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(fā)性災害)”為防治理念,優(yōu)先就地選用工程材料,重點(diǎn)如下:

有專(zhuān)業(yè)研究成果指出,3°以下斜坡一般不發(fā)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(guò)時(shí)漸趨加;25°是水力侵蝕轉折點(diǎn),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(tài)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(lèi)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(shí)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(lèi)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(shí)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(guò)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?chē)鹘佑|面的覆土容易做到密實(shí)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(tài)產(chǎn)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(tài)恢復以維持線(xiàn)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(zhì)災害發(fā)生風(fēng)險,同時(shí)也是減小線(xiàn)路水工保護工程量的有效技術(shù)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(xiàn)上到面上會(huì )較大程度改變線(xiàn)路沿途現狀地貌形態(tài),及時(shí)進(jìn)行原狀態(tài)樣地貌恢復可有效預防或減輕水土流失,可有效避免誘發(fā)場(chǎng)地環(huán)境出現不穩定情況甚或地質(zhì)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(jìn)行詳細設計或明確說(shuō)明。

線(xiàn)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(jià)、水土保持方案,必須考慮線(xiàn)路周?chē)鷳B(tài)環(huán)境安全,不能出現因排、導水流而誘發(fā)周?chē)鷧^域水土流失,這一點(diǎn)在設計時(shí)必須高度注意。

3  結語(yǔ)

管道線(xiàn)路水工保護設施是管道線(xiàn)路安全穩定結構的重要組成,一般情況下線(xiàn)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(zhì)量管控,運營(yíng)期間做好管理和維護并適時(shí)開(kāi)展風(fēng)險評價(jià)。另外,還需要持續深入分析黃土高原區地貌特點(diǎn)、黃土特征對管道安全影響的各種利弊,開(kāi)展黃土高原區地質(zhì)災害對管道危害現象的調查研究,厘清地質(zhì)災害對管道危害現象的致因和機理,使線(xiàn)路路由優(yōu)化、管道敷設方式、水工保護措施設計有更加充分的技術(shù)理論支撐,采取的措施更加安全可靠、適宜、適用、經(jīng)濟,水工保護設施更具有抵御各種地質(zhì)災害的持續耐久能力,從而實(shí)現全生命周期內管道和生態(tài)環(huán)境雙安全。

 

參考文獻:

[1]吳正.現代地貌學(xué)導論[M].北京:科學(xué)出版社,2009:144-148.

[2]王桂林.工程地質(zhì)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012:52-54.

[3]孫萍萍,張茂省,程秀娟,等.黃土地質(zhì)災害發(fā)生規律[J].山地學(xué)報,2019,37(5):737.

[4]潘懋,李鐵峰.災害地質(zhì)學(xué)(第2版)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2012:102-107.

 

作者簡(jiǎn)介:李永軍,1970年生,油氣儲運高級工程師,長(cháng)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(shù)專(zhuān)家。長(cháng)期從事油氣田礦場(chǎng)集輸管道、油氣長(cháng)輸管道的規劃、設計與管理工作。編著(zhù)《長(cháng)慶低滲透油田油氣集輸》(石油工業(yè)出版社)專(zhuān)著(zhù)1部,各類(lèi)期刊發(fā)表論文13篇。聯(lián)系方式:13484513159,lyj02_cq@petrochina.com.cn。

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