李永軍 林罡
長慶工程設(shè)計有限公司
摘要：黃土高原區(qū)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(zāi)害，造成管道裸露、懸空、變形甚至斷裂等嚴(yán)重危害，“水力侵蝕”作用為主要致因，設(shè)計階段從管道線路路由選擇開始就應(yīng)打好防治基礎(chǔ)，趨利避害，并以“截、排、導(dǎo)、護(hù)、堡、擋、固、防”為防治理念，因地制宜、就地取材，采取坡面防護(hù)、沖刷防護(hù)和支擋防護(hù)等水工保護(hù)措施。建設(shè)期保證水工保護(hù)設(shè)施施工質(zhì)量、運營期持續(xù)做好管理和維護(hù)，確保其具有抵御各種地質(zhì)災(zāi)害的持續(xù)耐久力，以達(dá)到全生命周期內(nèi)管道和生態(tài)環(huán)境雙安全的防護(hù)效能。
關(guān)鍵詞：黃土高原區(qū)；黃土地質(zhì)災(zāi)害；危害；管道線路；水工保護(hù)；措施
我國黃土高原區(qū)主要受水力以及風(fēng)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(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(fù)雜。加之土質(zhì)疏松、多孔隙、透水性強(qiáng)等特殊的土質(zhì)特點，極易發(fā)生水土流失、產(chǎn)生黃土濕陷等各種地質(zhì)災(zāi)害[2]，每年約有30%的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在黃土高原地區(qū)[3]。黃土地質(zhì)災(zāi)害對管道安全影響巨大，管道線路水工保護(hù)等安全防護(hù)措施一直是設(shè)計和管理的重點。1 黃土地質(zhì)災(zāi)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(qū)對管道危害最常見的地質(zhì)災(zāi)害。另外，黃土潛蝕地貌災(zāi)害對管道危害的現(xiàn)象也多有發(fā)生。2016年，長慶油田通過調(diào)查記錄的366處災(zāi)害中，地面沉陷災(zāi)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(shù)80%，泥（石）流災(zāi)害8處、水毀災(zāi)害59處。
1.1 黃土濕陷地質(zhì)災(zāi)害危害
黃土濕陷對埋地管道的危害現(xiàn)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(xiàn)縱向線性和串珠狀沉陷以及發(fā)生裂隙或裂縫等（圖?1），導(dǎo)致管道敷設(shè)場地穩(wěn)定性變差、管土結(jié)構(gòu)完整性破壞、溝基承載以及管土結(jié)構(gòu)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(zāi)害典型現(xiàn)象
1.2 斜坡變形破壞災(zāi)害危害斜坡變形破壞多以滑坡、崩塌、泥（石）流災(zāi)害為主，影響因素相當(dāng)復(fù)雜，有地形地貌、巖（土）體結(jié)構(gòu)特性、水文等多種自然因素，也有人類生產(chǎn)和工程等各種活動的誘發(fā)作用影響[4]，對管道產(chǎn)生的危害比較嚴(yán)重（圖?2）。
圖 2 滑坡、崩塌災(zāi)害典型現(xiàn)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，在滑動過程中管道與滑動土體發(fā)生相互摩擦拉壓和推擠作用，致使管道移位。當(dāng)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(yán)重變形甚至斷裂。崩塌。多出現(xiàn)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有巖石崩塌那樣強(qiáng)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(qū)主要表現(xiàn)為泥沙流，大量泥沙的水力超強(qiáng)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(qū)和流通區(qū)，沖擊作用會造成管道防護(hù)構(gòu)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(qū)會造成管道深埋易發(fā)生徑向失穩(wěn)。
1.3 黃土潛蝕地貌災(zāi)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(yán)重時就會造成管道屈曲變形或突然破裂（圖?3）。當(dāng)引起地面大程度沉降等災(zāi)變被發(fā)現(xiàn)時，埋設(shè)于此的管道就可能產(chǎn)生嚴(yán)重問題。
圖 3 黃土潛蝕災(zāi)害典型現(xiàn)象
1.4 水毀災(zāi)害危害災(zāi)害首當(dāng)其沖破壞的是管道敷設(shè)場地穩(wěn)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(yán)重沖蝕變形等。造成管土穩(wěn)定結(jié)構(gòu)嚴(yán)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(zāi)害也可誘發(fā)斜坡變形破壞災(zāi)害。
圖 4 水毀災(zāi)害典型現(xiàn)象
2 水工保護(hù)措施設(shè)計水工保護(hù)是以保護(hù)管道安全為根本目的，通過確保管土結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定來達(dá)成，措施設(shè)計必須要緊密結(jié)合黃土高原地貌特點以及地質(zhì)災(zāi)害主要特征，從管道線路路由選擇開始就應(yīng)予以考慮。
2.1 管道線路路由優(yōu)化
線路路由優(yōu)化也是水工保護(hù)的具體措施之一，具有黃土地質(zhì)災(zāi)害對管道危害的風(fēng)險防范、水工保護(hù)工程安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性的奠基作用。選線時應(yīng)充分對管道線路沿途地貌形態(tài)、工程地質(zhì)等詳細(xì)調(diào)查，以最有利條件為優(yōu)化邊界開展優(yōu)化工作。
優(yōu)化總原則：善用地貌自然有利條件，有效規(guī)避黃土地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)和發(fā)育區(qū)、繞“V”型深陡沖溝、遠(yuǎn)離溝頭溝邊及塬邊，盡量沿連續(xù)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，堅決避開易發(fā)生滑坡、崩塌、兩側(cè)侵蝕嚴(yán)重窄崾峴等容易發(fā)生斜坡變形破壞的地帶。盡量避開容易在強(qiáng)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(shè)管道是黃土高原區(qū)選線的大忌，水工保護(hù)工程量將會巨大，有時也難以抵御泥（石）流、水毀災(zāi)害對管道的危害。盡量將線位布置在施工時對現(xiàn)狀地貌形態(tài)不改觀或擾動強(qiáng)度較小的地帶。
2.2 水工保護(hù)措施
核心是預(yù)防“水力侵蝕”，采用工程措施和生態(tài)措施、剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)相結(jié)合，輔助水土保持措施，以實現(xiàn)管土結(jié)構(gòu)安全和線路沿途敷設(shè)場地一定范圍內(nèi)的生態(tài)環(huán)境安全。
水工保護(hù)設(shè)計措施主要包括坡面防護(hù)、沖刷防護(hù)和支擋防護(hù)。應(yīng)緊密結(jié)合地貌類型、工程地質(zhì)特征和管道敷設(shè)方式，以“截（截水）、排（排水）、導(dǎo)（導(dǎo)引水）、護(hù)（護(hù)管、護(hù)坡）、堡（堡坎）、擋（土體支擋）、固（穩(wěn)固易受重力侵蝕地貌）、防（預(yù)防誘發(fā)性災(zāi)害）”為防治理念，優(yōu)先就地選用工程材料，重點如下：
有專業(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(yù)防管溝填埋土沉陷；當(dāng)坡度在3°～8°間細(xì)溝、淺溝侵蝕出現(xiàn)；至15°侵蝕逐漸增強(qiáng)，超過時漸趨加?。?5°是水力侵蝕轉(zhuǎn)折點，對于這些坡度間的斜坡首要增強(qiáng)管溝填埋土的抗蝕性和抗沖性，統(tǒng)籌考慮土地使用功能，采取封水、截水、導(dǎo)水和生態(tài)護(hù)坡等坡面防護(hù)和沖刷防護(hù)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(xiàn)；35°以上的坡面錯落、滑坡、瀉溜等重力侵蝕出現(xiàn)，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(hù)或砌石等措施做好防水力侵蝕坡面防護(hù)；45°以上水力侵蝕作用大為降低，重力作用起主導(dǎo)，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(wěn)固工程措施、管溝全部采取草袋裝土連續(xù)壓實填埋或與其結(jié)合并在其上一定深度采取砌石等措施，總之以穩(wěn)管、護(hù)管為主要目的，防水力侵蝕措施不可過度盲目設(shè)計而造成投資浪費。
管溝溝底的起伏彎曲設(shè)計應(yīng)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(dá)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(yù)防黃土濕陷災(zāi)害、減輕管溝填埋土水土流失非常重要。
管道敷設(shè)設(shè)計應(yīng)盡量以不對現(xiàn)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(fù)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(zhì)災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險，同時也是減小線路水工保護(hù)工程量的有效技術(shù)手段。
地貌恢復(fù)也是水工保護(hù)措施設(shè)計的一項重要內(nèi)容。管道施工建設(shè)，從線上到面上會較大程度改變線路沿途現(xiàn)狀地貌形態(tài)，及時進(jìn)行原狀態(tài)樣地貌恢復(fù)可有效預(yù)防或減輕水土流失，可有效避免誘發(fā)場地環(huán)境出現(xiàn)不穩(wěn)定情況甚或地質(zhì)災(zāi)害，也可明顯減少水工保護(hù)工程量，必須在設(shè)計文件中對地貌恢復(fù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計或明確說明。
線路水工保護(hù)設(shè)計必須積極有效響應(yīng)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(tài)環(huán)境安全，不能出現(xiàn)因排、導(dǎo)水流而誘發(fā)周圍區(qū)域水土流失，這一點在設(shè)計時必須高度注意。
3 結(jié)語
管道線路水工保護(hù)設(shè)施是管道線路安全穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的重要組成，一般情況下線路水工保護(hù)措施設(shè)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(hù)的指導(dǎo)思想，做好設(shè)計、施工建設(shè)期間措施的不斷完善以及施工質(zhì)量管控，運營期間做好管理和維護(hù)并適時開展風(fēng)險評價。另外，還需要持續(xù)深入分析黃土高原區(qū)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(qū)地質(zhì)災(zāi)害對管道危害現(xiàn)象的調(diào)查研究，厘清地質(zhì)災(zāi)害對管道危害現(xiàn)象的致因和機(jī)理，使線路路由優(yōu)化、管道敷設(shè)方式、水工保護(hù)措施設(shè)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(jì)，水工保護(hù)設(shè)施更具有抵御各種地質(zhì)災(zāi)害的持續(xù)耐久能力，從而實現(xiàn)全生命周期內(nèi)管道和生態(tài)環(huán)境雙安全。
參考文獻(xiàn)：
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(yīng)急管理部危化監(jiān)管二司陸上油氣輸送管道建設(shè)項目安全審查技術(shù)專家。長期從事油氣田礦場集輸管道、油氣長輸管道的規(guī)劃、設(shè)計與管理工作。編著《長慶低滲透油田油氣集輸》（石油工業(yè)出版社）專著1部，各類期刊發(fā)表論文13篇。聯(lián)系方式：13484513159，lyj02_cq@petrochina.com.cn。
