武萬(wàn) 寇健 王軍亮

西部管道新疆輸油氣分公司

 

摘要：長(cháng)輸油氣管道在沙漠、戈壁地段敷設時(shí)，受地形地貌、土體性質(zhì)、氣候、植被等影響，易遭受風(fēng)蝕沙埋災害威脅。主要分析了西部管道風(fēng)蝕沙埋災害分布和危害，總結歸納了目前典型、有效的防治措施，為降低對管道、伴行道路的影響，保障油氣管道安全運行提供指導。

關(guān)鍵詞：油氣管道；風(fēng)蝕沙埋；危害；防治措施

 

我國西北地區受土壤風(fēng)蝕及土地沙漠化影響的面積占國土總面積的二分之一以上[1]，在干旱、多風(fēng)，晝夜溫差懸殊，光輻射強烈氣候條件下，巖土體遭受寒凍和機械等物理風(fēng)化的作用非常強烈，不斷產(chǎn)生大量的砂和粉砂物質(zhì)，形成了沙地（丘），使途經(jīng)敷設的油氣管道容易遭受風(fēng)蝕沙埋災害的威脅。

風(fēng)蝕地貌主要是由風(fēng)和風(fēng)沙流的吹蝕和磨蝕作用塑造的地表形態(tài)，包括風(fēng)蝕坑（洼地）和戈壁。風(fēng)積地貌則是平緩沙地、沙丘及由沙丘組成的沙漠或沙地。風(fēng)力作用下土壤顆粒主要有懸移、躍移和蠕移三種運動(dòng)類(lèi)型，不同運動(dòng)方式風(fēng)蝕強度有一定的差異，其中以“懸移”方式的土壤損失最為明顯，對油氣管道危害最大。風(fēng)蝕積沙包括風(fēng)蝕、堆積和搬運三種狀態(tài)。其中，風(fēng)蝕是搬運的開(kāi)始，堆積是搬運的結束，搬運則是風(fēng)蝕和積沙的轉化，可應用這一風(fēng)蝕積沙規律開(kāi)展災害治理[2]。本文通過(guò)收集資料，總結歸納了西部管道沿線(xiàn)風(fēng)蝕沙埋災害的表現形式和相應的治理措施，為今后開(kāi)展相關(guān)工作提供借鑒。

1  風(fēng)蝕沙埋災害分布及危害

1.1  災害分布

西部管道風(fēng)蝕沙埋災害主要分布在西一線(xiàn)、輪吐線(xiàn)博斯騰湖南緣東部、西一線(xiàn)庫木塔格沙壟、澀寧蘭一線(xiàn)和澀寧蘭復線(xiàn)澀北首站及其以東約80 km的范圍內，呈流動(dòng)的沙地（丘）與半固定沙地（丘）相間斷續小片狀分布的特點(diǎn)（圖 1）。

圖 1 西部管道風(fēng)蝕沙埋災害示例

1.2  風(fēng)蝕危害

風(fēng)蝕地段，沙地（丘）在大風(fēng)作用下來(lái)回不定地移動(dòng)，會(huì )降低管道埋深或使管道外露、懸空（圖 2），同時(shí)使管道外圍溫度、濕度更接近于土壤表層或大氣環(huán)境，因含氧量、植物根系分布量增加，對煤焦油瓷漆防腐層破壞概率增高，溫度劇變造成防腐層易脫落，兩種因素加速了管道防腐層老化。冬季管道環(huán)境溫度降低，更易形成天然氣水合物，在露管管段下游或有降壓、截流部位會(huì )造成冰堵，嚴重影響油氣管道的安全運行和下游用戶(hù)的正常用氣[3]。除此之外，風(fēng)蝕容易造成陰保測試樁及各種標識物宣傳牌的傾斜、倒伏及伴行道路路基寬度減小、路肩路面坍塌等，影響行車(chē)安全。

圖 2 西一線(xiàn)庫木塔格沙壟段露管現場(chǎng)及應急處置

1.3  沙埋危害

風(fēng)積地段，由于風(fēng)沙流受阻積沙或沙丘前移，加大管道埋深，掩埋并中斷管道伴行道路（圖 3），在溫度及沙土重力作用下增大管道上覆層應力，可能使管道產(chǎn)生不均勻沉降。西一線(xiàn)管道KP788-KP793段穿越庫木塔格沙壟處五個(gè)典型截面的管道應變監測數據驗證了這一結論。

圖 3 風(fēng)蝕沙埋災害致伴行道路通車(chē)不暢

2  沙埋地災監測

2017年以來(lái)，西部管道新疆輸油氣分公司對西一線(xiàn)管道KP788—KP793段穿越庫木塔格沙壟處開(kāi)展管道應變監測。選取五個(gè)典型截面，其中X1、X2截面布設于1#沙丘兩端覆沙較薄段， X3、X5截面位于2#沙丘兩端覆沙較薄段，X4截面位于2#沙丘中部覆沙最厚段，截面間距約60 m（圖 4）。

圖 4 KP788—KP793管道應變監測截面布局示意圖

歷史監測周期內，僅有X4監測截面出現過(guò)2次黃色預警、1次藍色預警；其余監測截面均長(cháng)期處于無(wú)預警級別，詳見(jiàn)表 1。

表 1 西一線(xiàn)KP788—KP793管段X4監測單元預警情況

最新監測周期內，KP788-KP793管段應力監測值均未達到設定的監測預警級別，管道應力處于可接受范圍。由于管體溫度上升，附加壓應力增大；管體溫度下降，附加拉應力增大。X4截面處管道受季節性強風(fēng)的風(fēng)蝕沙埋影響較為明顯，需持續關(guān)注該監測單元管道應力變化情況。

3  防治措施

治沙措施按類(lèi)別分有工程措施、生物措施、綜合措施等，目的都是為了固沙、阻沙、導沙。國內多年沙害綜合治理表明，工程防沙措施由于其施工速度快、效果好而在油氣管道線(xiàn)路工程治沙中得到了廣泛應用[4]。

3.1  工程防沙

工程防沙指通過(guò)在流沙上設置沙障或其他防沙工程結構，人為控制地表的積蝕變化和改變風(fēng)沙流的搬運堆積條件，保護油氣管道、伴行道路免遭風(fēng)沙的危害。工程防沙不受水分條件限制，適用范圍廣、見(jiàn)效快，可作為植物防沙的先導工程。工程防沙能夠因地制宜采用當地材料，降低工程造價(jià)，在沙害治理中應用最為普遍。但工程防沙相對于植物防沙，存在防護年限短，需要經(jīng)常維護、更新的缺點(diǎn)。

（1）固沙措施。①沙面覆蓋。一般選用當地天然材料如碎石、黏土等平鋪于沙面，利用材料的抗風(fēng)蝕能力保護地表免遭風(fēng)蝕。近年來(lái)，噴灑化學(xué)材料固定流沙也已得到應用。②格狀沙障。利用麥草、蘆葦、塊石、鹽土、黏土等材料在流沙上設置成方格沙障，增加地面的粗糙度，降低地表風(fēng)速，抑制風(fēng)沙流的產(chǎn)生�，F階段應用的有草方格沙障、纖維筒沙障、黏土覆蓋、塑料沙障、瀝青沙障以及植物沙障(防風(fēng)固沙林帶)等，其中應用廣泛、效果最好的有草方格沙障和植物沙障（圖 5）。

圖 5 輪吐線(xiàn)博斯騰湖南緣東部草方格沙障防護

研究表明，沙障高度是決定防護效果的主要因素，沙障被嚴重沙埋會(huì )導致防風(fēng)固沙功能喪失，而輕度沙埋則有助于沙障形成穩定的結構體，在一定程度上提高防護效果[5]。

（2）阻沙措施。通過(guò)設置高立式阻沙柵欄攔截風(fēng)沙流的運動(dòng)，改變局部范圍氣流的方向和速度，使沙粒在柵欄附近堆積，以避免線(xiàn)路遭到沙埋。阻沙柵欄的阻沙效果與其結構有很大關(guān)系。緊密結構的柵欄，迎風(fēng)側積沙范圍一般為柵欄高度的2～3倍，背風(fēng)側約為4～5倍，空隙度為0.2的透風(fēng)結構柵欄，柵欄前積沙不多，柵欄后積沙長(cháng)度為柵欄高度的7～8倍，空隙度為0.5時(shí)，柵欄后積沙約為柵欄高的12～14倍。實(shí)際應用時(shí)，通常采用空隙度為0.25～0.45的透風(fēng)結構柵欄。阻沙帶主要設置在固沙帶的外緣，應離開(kāi)線(xiàn)路一定距離，否則堆積在線(xiàn)路兩側易形成新的沙源。阻沙帶主要采用各種形式的阻沙柵欄和阻沙溝堤，阻沙柵欄的材料可因地制宜采用樹(shù)枝、蘆葦、竹片等。

（3）輸沙措施。通過(guò)減少地表粗糙度和加強局部位置的風(fēng)速，將風(fēng)沙流輸移過(guò)線(xiàn)路，達到線(xiàn)路不產(chǎn)生積沙的目的。目前主要有下導風(fēng)柵板輸沙結構，它通過(guò)對氣流進(jìn)行壓流而提高下導風(fēng)出口處貼地表的風(fēng)速，在公路上應用效果較好。

（4）導沙措施。當主導風(fēng)沙方向與管道走向呈小交角時(shí)，可在線(xiàn)路外緣設置導沙結構，將風(fēng)沙流導離管道，目前試驗應用的主要有羽排導沙。羽排是由多塊平行的導風(fēng)板構成的一組羽毛狀導沙工程結構物，它能改變局部氣流的運動(dòng)風(fēng)向，引導風(fēng)沙流向線(xiàn)路的旁側運動(dòng)，從而避免風(fēng)沙流對線(xiàn)路的侵襲。導沙措施有一定的使用條件，如主導風(fēng)向與線(xiàn)路交角小，風(fēng)向較為單一或擺動(dòng)不大，線(xiàn)路附近有可儲沙的溝谷、洼地或使用在曲線(xiàn)地段。羽排導沙因受風(fēng)向和地形條件的限制應用較少。

3.2  生物措施

通過(guò)營(yíng)造防沙林帶，增加地面的粗糙度，削弱地面風(fēng)速，減輕風(fēng)沙流的運動(dòng)，改變沙地的理化性質(zhì)、生態(tài)環(huán)境，利用植物獲得長(cháng)久的防沙效益。沙漠地區氣候干旱、土壤貧瘠，不利于植物的生長(cháng)，為提高固沙造林的質(zhì)量必須解決好樹(shù)種選擇、林帶配置等技術(shù)問(wèn)題。防風(fēng)固沙的植物有許多，其中適宜流動(dòng)半流動(dòng)沙丘生長(cháng)的植物有梭梭、花棒、沙拐棗、三芒草等，它們被譽(yù)為沙漠中的先鋒植物。具有加固沙丘作用的植物有沙棗、沙棘、檸條、胡楊、紅柳、沙柳、白刺、沙冬青、沙蒿、旱麥草、蟲(chóng)實(shí)等，它們具有極強的抗早和避寒功能，是多年生短命植物；生于圈定沙丘上的地白蒿、紅砂、豬毛菜、旱麥草、鶴虱等，雖然不具有耐風(fēng)蝕、沙埋的能力，但耐鹽堿、耐旱。

3.3  綜合措施

防沙措施各有其使用條件，實(shí)際應用中應根據沙害特點(diǎn)采取綜合措施，并應特別注意固沙和阻沙措施的結合，避免單一措施[6]。如西一線(xiàn)KP792+300 m處采取沙袋固沙及柵欄阻沙綜合措施防護（圖 6）。

圖 6 沙袋固沙及柵欄阻沙綜合防護

4  結論

雖然油氣管道風(fēng)蝕沙埋占管道地質(zhì)災害的比例較低，但一旦受災將面臨管道裸露、懸空、防腐層破壞、露管下游降壓和截流部位冰堵風(fēng)險，伴行道路亦有中斷、掩埋風(fēng)險。生物措施雖能改變沙地的理化性質(zhì)、生態(tài)環(huán)境，獲得長(cháng)久的防沙效益，但需充分考慮項目區域內地表、地下水分布、發(fā)育情況。相對于生物措施，工程措施存在防護年限短，需要經(jīng)常維護、更新的缺點(diǎn)。實(shí)際應用中應根據沙害特點(diǎn)采取綜合措施，并應特別注意固沙和阻沙措施結合，提高防沙治理效果。

 

參考文獻：

[1]史社裕，白增飛，李炳.風(fēng)蝕沙埋對毛烏素沙地植被的影響及其防治[J].安徽農學(xué)通報，2011，17(15)：168-170，193.

[2]閆德仁，姚洪林，胡小龍.流動(dòng)沙丘不同部位風(fēng)蝕積沙特征研究[J].水土保持通報，2015，35(4)：288-292.

[3]田京.長(cháng)呼天然氣管道風(fēng)沙危害及其防治技術(shù)[J].中國科技信息，2005，2(19)：126.

[4]劉付喜.淺論蘇里格氣田沙露管段防風(fēng)固沙作業(yè)[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量，2011，31(8)：248-249.

[5]袁立敏，黃海廣，閆德仁，胡小龍.不同沙埋程度下帶狀沙障的防風(fēng)固沙效果研究[J].農業(yè)工程學(xué)報，2019，35(16)：172-179.

[6]錢(qián)征宇.中國沙漠鐵路的風(fēng)沙危害及其防治技術(shù)[J].中國鐵路，2003，(10)：24-26.

作者簡(jiǎn)介：武萬(wàn)，1985年生，本科，高級工程師，現任新疆輸油氣分公司副經(jīng)理，負責長(cháng)輸管道線(xiàn)路安全管理工作。聯(lián)系方式：18709375299，wuwan@pipechina.com.cn。