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)�各接觸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)�生態(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�；�監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。