王智博，王 任，劉小暉

（1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州730000；2.中石油西南管道公司蘭州輸油氣分公司，甘肅 蘭州730060）

管道敷設(shè)屬于陸地淺表性工程，地球外動(dòng)力地質(zhì)作用（水力、風(fēng)力、重力等）產(chǎn)生的環(huán)境演化及地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象是管道工程所面臨的主要問題。管道地質(zhì)災(zāi)害是在自然或人為（或綜合作用）作用下形成或誘發(fā)的對管道及其附屬構(gòu)筑物的安全、環(huán)境造成破壞，以及對社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成損失的地質(zhì)作用（現(xiàn)象）。國內(nèi)外對管道地質(zhì)災(zāi)害的研究，一方面集中于對埋地管線進(jìn)行荷載的力學(xué)分析（事中控制），另一方面專注于管道風(fēng)險(xiǎn)管理和評價(jià)（事前控制），但都未形成比較系統(tǒng)的體系，主要還是依托于傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害的防治研究。目前，管道地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育機(jī)理及其防治措施主要集中于具體管線沿線地質(zhì)災(zāi)害的研究，鮮有系統(tǒng)地按區(qū)域進(jìn)行“長輸管道地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育類型和防治”的研究，所以，為確保管道安全，需要結(jié)合管道線路資料和生產(chǎn)實(shí)際對甘肅東南長輸管道水毀類型及防治措施進(jìn)行深入細(xì)致的探討。

1 甘肅東南部長輸管道概況

甘肅東南部共有三條管道，分別為蘭成管道、蘭成渝管道、蘭鄭長管道。管道大部分敷設(shè)于黃土高原地區(qū)（蘭州－武山段）及秦嶺山區(qū)（武山－康縣段）。其中，敷設(shè)于黃土高原地區(qū)的管線，大多敷設(shè)于淺表層黃土中。該區(qū)黃土屬自重濕陷性黃土，厚度在15m以上，地下水埋深較深，濕陷性強(qiáng)，土體粘粒含量較少、較敏感；氣候干旱少雨且降雨集中，降雨利用率低，旱澇災(zāi)害頻繁，易造成溝岸沖塌、溝谷下切、坡面沖蝕等；坡面植被覆蓋率在20%～30%，坡度多在10°～80°，塬面平緩，在原自然地貌被擾動(dòng)后，水土流失嚴(yán)重。因此，容易致管道管溝塌陷及坡體滑塌，造成管道底部懸空或露管，威脅管道安全。

2 管道地質(zhì)災(zāi)害類型

近年來，管道行業(yè)結(jié)合地質(zhì)工程學(xué)科和管道線狀分布、淺表性和輸送介質(zhì)易燃易爆的特殊情況，已逐步統(tǒng)一并規(guī)范了管道工程地質(zhì)災(zāi)害的界定和類別，共包括19種。具體類別為粘土滑坡、碎石土滑坡、黃土滑坡、巖體滑坡、崩塌、泥石流、采空塌陷、坡面水毀、河溝道水毀、臺(tái)田地水毀、黃土濕陷、鹽漬土、凍土、巖溶塌陷、地面沉降、地裂縫、地震液化、水化學(xué)腐蝕、人類工程活動(dòng)等。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，將甘肅東南部的管道類型劃分為坡面水毀和河溝道水毀。其中，坡面水毀包含塌陷類和垮塌類，表現(xiàn)為水流的漫流沖刷。其形成的主要原因是由于在較平緩的戈壁、山前傾斜平原區(qū)、臺(tái)田地地區(qū)、山坡坡面地帶等區(qū)域地表土體松散、植被稀少，主要特點(diǎn)是改道性、游蕩性強(qiáng)，多成漫流細(xì)溝對坡面產(chǎn)生沖刷。河溝道水毀包含河床下切類和河岸側(cè)蝕類，一般是由重度小于13kN／m3的洪水造成的，并對溝床產(chǎn)生強(qiáng)烈下切和側(cè)蝕作用，在一些地形切割嚴(yán)重、溝谷密集的山區(qū)較發(fā)育。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在2014年，甘肅東南部管道沿線水毀災(zāi)害共計(jì)126余處。其中：坡面水毀77處，占總數(shù)的61%，河溝道水毀49處，占總數(shù)的39%；黃土地區(qū)水毀災(zāi)害83處，占總數(shù)的66%，秦嶺山區(qū)水毀災(zāi)害43處，占總數(shù)的34%（圖1）。

圖1 蘭州輸油氣分公司2014年管道沿線水毀分布柱狀圖

從圖1可知，甘肅省東南部水毀災(zāi)害主要發(fā)生于黃土地區(qū)，而黃土地區(qū)主要以坡面水毀為主。

3 坡面水毀

坡面水毀主要發(fā)生在斜坡坡面上或斜坡田臺(tái)地內(nèi)和坎邊，常表現(xiàn)為坡面土體滑塌、土體塌陷，其形成和發(fā)育與土層性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、水的活動(dòng)等因素有關(guān)。由于濕陷性黃土具有飽和且結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的特征，所以，在此區(qū)域的水毀是由于地面水在地面凹地積聚、下滲、沖蝕，將土壤顆粒帶走而形成的，局部塌陷是由于回填土未嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)密實(shí)度和含水量要求進(jìn)行回填，致使其在自重或附加壓力的作用下，一旦被水集中浸濕結(jié)構(gòu)就會(huì)迅速破壞，從而引發(fā)顯著下沉。

3.1 塌陷類

塌陷類水毀多發(fā)于黃土地區(qū)。該黃土區(qū)的黃土性質(zhì)為自重濕陷性黃土，該類黃土在土體飽和下極易在自身重力的作用下產(chǎn)生自穩(wěn)，從而發(fā)生沉降，嚴(yán)重時(shí)將形成黃土洞穴或黃土通道。因此，當(dāng)大量的地表水匯集于塌陷區(qū)時(shí)，水會(huì)將管道周圍土體顆粒帶走，導(dǎo)致管溝上方或管道底部土體流失，最終使得管道露管或管道底部懸空，威脅管道安全（圖2、3）。

圖2 管道上方土體流失管道露管

圖3 管道下方土體流失形成落水洞

塌陷類水毀的治理要點(diǎn)在于水的治理。根據(jù)現(xiàn)場地形條件采用修建截排水溝的形式將坡面上的地表水進(jìn)行截流，將地表水引入其他區(qū)域，防止地表水對塌陷區(qū)造成累進(jìn)性破壞。截排水溝通常選用漿砌石或混凝土砌筑，其尺寸根據(jù)過流量的大小進(jìn)行選取，坡降根據(jù)現(xiàn)場地形以不形成逆流溝為準(zhǔn)。對地形坡度較陡和無法修建截排水溝的地段，則采用支擋和堵水的治理措施。挖開塌陷區(qū)，找到入水口，采用三七灰土等對其進(jìn)行回填封堵，同時(shí)，為防止地面水滲入管道壁、順管道壁進(jìn)行竄流，要在管道上方修建一道或多道截水墻。截水墻一般選用三七灰土或混凝土（黃土地區(qū)易用三七灰土），其長度要根據(jù)塌陷區(qū)的大小以兩端伸入穩(wěn)定土體1～2m為宜。在斜坡上宜采用上窄下寬呈梯形結(jié)構(gòu)的截水墻，在地形較為平緩的地方可采用矩形結(jié)構(gòu)的截水墻。截水墻高度不宜＞3m，頂寬一般為0.5m左右，截水墻底部需低于管道底部（≥0.5m）。在農(nóng)田地內(nèi)砌筑灰土截水墻時(shí)，其頂寬的0.5m易采用素土進(jìn)行回填，便于村民耕作。

在水毀災(zāi)害較為嚴(yán)重地區(qū)，要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況采取綜合治理措施。

3.2 垮塌類

垮塌類水毀多發(fā)于坡面及田坎處。由于管溝開挖回填或伴行路開挖削坡等，導(dǎo)致坡體或田坎原土（巖）體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土（巖）體穩(wěn)定性減弱，加之局部地段坡體臨空，土體具有向下滑移的臨空條件，在后期降水、地震以及人類工程活動(dòng)等的影響下，土體飽水，重度增加，在自身重力以及外力沖蝕等的作用下，土（巖）體逐步解體而失穩(wěn)，最終導(dǎo)致田坎及坡體垮塌，嚴(yán)重時(shí)演變?yōu)榛隆⒈浪戎卮蟮刭|(zhì)災(zāi)害，使得管道露管，同時(shí)具有剪斷管道的風(fēng)險(xiǎn)，對管道的安全運(yùn)營帶來極大威脅。該類水毀在管道全線境內(nèi)最為發(fā)育（圖4、5）。

圖4 管溝連續(xù)塌陷

圖5 坡面垮塌

垮塌類水毀的治理要點(diǎn)在于水的排導(dǎo)治理及土（巖）體的支擋穩(wěn)固治理。一般根據(jù)現(xiàn)場地形條件采用修建截排水溝的形式將坡面上的地表水進(jìn)行截流，將地表水引入其他區(qū)域。同時(shí)，在垮塌區(qū)要采用相應(yīng)的支擋措施對原土體進(jìn)行穩(wěn)固，防止其繼續(xù)垮塌，但要根據(jù)地形地貌、地形坡度以及災(zāi)害規(guī)模等選用不同的支擋加固措施。常見的加固措施有漿砌石（混凝土）擋墻、護(hù)面墻、漿砌石（混凝土）格構(gòu)滑坡、抗滑樁板墻、樁錨或格錨等。

4 河溝道水毀

河溝道水毀主要發(fā)生于河溝道內(nèi)，其主要表現(xiàn)形式為河床下切、河岸側(cè)蝕。河溝道水流的沖刷侵蝕及河道擺動(dòng)是造成管道水毀的主要?jiǎng)恿σ蛩亍?/p>

4.1 河床下切類

河床下切類水毀為管道垂直或順河水水流方向，在管道穿越主河槽段，管道上覆蓋的土體在水流的沖刷作用下被明顯刷薄，若繼續(xù)沖刷下切，可能使管道發(fā)生外露。管道一旦外露不僅要受水流的沖擊，而且還要受水流攜帶的大量砂石和漂礫石的沖撞，易損壞防腐層，并可能導(dǎo)致管道彎曲甚至斷裂，嚴(yán)重威脅管道運(yùn)行安全。河流的下切作用對管道沿線原建工程也帶來了極大威脅（圖6、7）。

圖6 溝河道河床下切管道淺埋

圖7 溝河道河床下切管道露管

河床下切類水毀的治理要點(diǎn)可分為兩類，一類為直接防護(hù)，另一類為間接防護(hù)。

直接防護(hù)是針對管道本身而采取的治理措施，以保護(hù)管道為主，防止管道受到直接接觸式損傷。常見的防護(hù)類型有箱涵、U型槽、過水面（硬覆蓋）、石籠等。該類防護(hù)一般適用于山區(qū)沖溝、平原小型河流及河溝內(nèi)小面積的防護(hù)。

間接防護(hù)主要以防止河床繼續(xù)下切為主，改變管道所處環(huán)境，從而提高管道的安全性。常見的防護(hù)類型有淤土壩、地下防沖墻等。該類防護(hù)適用于大型河流、沖溝的防護(hù)。

4.2 河岸側(cè)蝕類

4.2.1 河流側(cè)蝕作用

河流側(cè)蝕類水毀主要是由于在河流拐彎處的凸岸受到水流的側(cè)向沖刷和侵蝕作用，產(chǎn)生坍塌，從而導(dǎo)致岸坡不穩(wěn)，使得沿岸敷設(shè)或穿岸敷設(shè)的管道露管。同時(shí)，河床側(cè)蝕也會(huì)引起河勢不穩(wěn)，溝道改向，對兩側(cè)岸坡造成強(qiáng)力沖刷，使得岸坡垮塌，嚴(yán)重威脅沿線已建工程的安全（圖 8、9、10、11）。

圖8 河流側(cè)蝕岸坡垮塌

圖9 河流側(cè)蝕岸坡垮塌

圖10 河流側(cè)蝕岸坡已建工程垮塌

圖11 河流側(cè)蝕岸坡已建工程垮塌

4.2.2 河流溯源侵蝕作用

水流沖刷主溝（河）河床導(dǎo)致河床下切，溝道兩側(cè)形成一定高差的河岸，在支溝流水匯入主河道時(shí)，形成一定高度的跌水，導(dǎo)致河岸溯源侵蝕出現(xiàn)垮塌，威脅管道安全（圖12）。

圖12 溝頭溯源侵蝕示照片

河流溯源侵蝕類水毀治理主要以防止岸坡繼續(xù)垮塌為主，對岸坡進(jìn)行支擋加固。常用的治理方案有漿砌石（混凝土）護(hù)岸、石籠拋石護(hù)岸、導(dǎo)流丁字壩、漿砌石（混凝土）護(hù)坡等。該類防護(hù)多順岸設(shè)置，基礎(chǔ)埋深應(yīng)在最大沖刷線1.0m以下，需根據(jù)現(xiàn)場河流水流速度及土體結(jié)構(gòu)性質(zhì)進(jìn)行綜合考慮。

5 結(jié)論及建議

1）甘肅東南部管道沿線經(jīng)過黃土高原地區(qū)及秦嶺山區(qū)，所處地形條件復(fù)雜，地質(zhì)結(jié)構(gòu)多變，巖土體性質(zhì)多樣，區(qū)域內(nèi)氣候多變，降雨集中，給管道安全帶來了極大影響。

2）根據(jù)管道沿線敷設(shè)環(huán)境將管道沿線水毀劃分為坡面水毀和河溝道水毀。2014年的水毀現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，黃土地區(qū)以坡面水毀為主，秦嶺山區(qū)以河溝道水毀為主。

3）分析各種水毀類型的成因及其表現(xiàn)形式，發(fā)現(xiàn)引起災(zāi)害的主要因素為“水”，因此，在水毀災(zāi)害的防治工程中，應(yīng)將“水”的防治作為主要目標(biāo)。

4）管道水毀治理是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，需根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況采取綜合的防治手段對其進(jìn)行治理，同時(shí)需強(qiáng)化管道保護(hù)意識，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)治理。

［1］譚超.蘭成渝長輸管道秦巴山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治研究［J］.山西建筑，2009，34（04）：152－153.

［2］潘懋，李鐵峰.地質(zhì)災(zāi)害學(xué)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2002.

［3］羅元華，張梁等.地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估方法［M］.北京：地質(zhì)出版社，1998.

［4］中國石油管道公司.油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2010：1－66，198－295.

［5］康向陽，張彬等.西氣東輸工程甘肅段地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征及防治對策［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2009，20（04）：38－43.

［6］李成軍，李新生.西氣東輸工程管道水毀類型及發(fā)育特點(diǎn)［J］.黑龍江科技信息，2008（08）：49.

［7］趙忠剛，姚安林等.長輸管道地質(zhì)災(zāi)害的類型、防控措施和預(yù)測方法［J］.石油工程建設(shè)，2006，31（02）：7－12.

［8］趙林，馮啟民.埋地管線有限元建模方法研究［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2001，21（02）：53－57.