西南地區(qū)成品油管道山地災害發(fā)育特點與防治

孔紀名 邱洪志 張引

①研究員，②③博士研究生，中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室，中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，成都 610041

西南地區(qū)成品油管道山地災害發(fā)育特點與防治

孔紀名①邱洪志②張引③

①研究員，②③博士研究生，中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室，中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，成都 610041

成品油管道；山地災害；災害防治

成品油管道作為一種線性工程，具有孕災環(huán)境復雜、人為干擾多、災害點多且分散等特點，災害發(fā)育易受到自然條件改變與人類活動的影響。受山地災害治理費用的限制，大量的災害點不可能都進行防治。管道建設用地為臨時征地，這就要求管道治理工程對土地的占用最小，用盡可能小的工程措施達到管道保護的最佳效果。基于以上管道建設獨特的工程特征與管道山地災害的防治要求，建立一套與管道工程環(huán)境相適應的山地災害早期判識、成災類型確定、預防和治理技術(shù)就顯得十分重要。在多年山地災害防治理論方法與技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合西南山區(qū)管道建設的實踐，形成一整套山區(qū)管道山地災害治理的理論方法與關(guān)鍵技術(shù)，并成功示范應用于中石化多條成品油管道的建設和運營中，保證了山區(qū)成品油管的安全。

成品油管道是一個國家生命線工程的重要組成部分，在國民經(jīng)濟中占有十分重要的地位。隨著近年來西部大開發(fā)的不斷推進，中國西部對能源的需求日益凸顯，成品油管道已成為西部地區(qū)能源供應的主要方式之一。然而，西部地區(qū)是中國山地分布最集中，山地災害最頻發(fā)、多發(fā)的區(qū)域。在這樣復雜的地質(zhì)、地貌環(huán)境下進行管道建設、運營和管理，不可避免地會遇到各種各樣的山地災害問題，由于管道大多采用地下淺埋的方式敷設，一旦發(fā)生山地災害引起管道變形和破壞，將造成嚴重后果和重大損失。因此，西部山區(qū)成品油管道的建設和運營管理過程中，必須高度重視山地災害的防治問題。

管道山地災害防治具有其自身獨特的“管道性”特征。一方面，管道工程作為一種線性工程，涉及的孕災環(huán)境復雜，人為干擾多，管道山地災害點多而分散，災害發(fā)育易受到自然條件改變的影響。受山地災害治理費用的限制，大量的災害點不可能都進行防治。另一方面，管道建設為臨時用地，這種方式本身就要求管道災害治理時將盡量減少占地的范圍，用盡可能小的工程措施達到管道保護的最佳效果?；谝陨瞎艿澜ㄔO獨特的工程特征和管道山地災害的防治要求，建立一套與管道線性工程環(huán)境相適應的災害早期判識、成災方式確定、預防和治理技術(shù)就顯得十分重要?？v觀國內(nèi)外管道山地災害治理技術(shù)方面的研究和實踐，還存在治理方法過于復雜導致操作性不強、前期判識不足造成后期工程投入過大等問題?；谥袊鞑可絽^(qū)管道建設的防災需求，在多年山地災害防治理論方法與技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)上，我們結(jié)合西南山區(qū)管道建設實踐，形成一整套山區(qū)管道山地災害治理的理論方法與關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建山區(qū)管道山地災害的治理模式，并成功示范應用于中國石油化工集團公司的多條成品油管道的建設和運營過程中，保證了山區(qū)成品油管的安全。同時，也可以為今后管道山區(qū)選線設計、施工和防災等提供借鑒。

1 管道山地災害特點

西南管道東起粵西，經(jīng)桂北、貴州、云南區(qū)域，沿線主要是以山地、丘陵和高原地形為主。在管道工程建設中，管道多穿越于河谷山川之間，通常要開挖大量的邊坡，管溝開挖改變了原有的地貌條件，并嚴重地破壞了地表植被，導致大量的水土流失，誘發(fā)滑坡、崩塌等山地災害，直接威脅到管道的正常運行。由于管道建設大多采用開挖作業(yè)的方式，作業(yè)帶一般為10～20 m，管道埋深一般小于2 m，因此，在管道施工和運營階段觸發(fā)的山地災害具有以下4個特點。

(1) 山地災害規(guī)模較小、數(shù)量多。2006—2007年的調(diào)查表明，西南管道主要災害點共149處(表1)，災害點多，規(guī)模大多在幾百立方米左右。

表1 管道山地災害調(diào)查表

(2) 災害類型多樣。西南管道建設和投產(chǎn)后爆發(fā)的山地災害類型有滑坡、崩塌、泥石流、巖溶塌陷、坡面侵蝕地表開裂等。對管道危害最大的是滑坡、巖溶塌陷、坡面侵蝕、水毀等4類災害，占總災害數(shù)的90.6%，其中滑坡以淺層滑坡為主。

(3) 災害主要沿管道分布。由于管道工程施工作業(yè)帶的特點，災害的發(fā)生與管道施工開挖、回填、防護技術(shù)措施不合理等有關(guān)，管道災害的分布具有明顯的區(qū)域集中性。

(4) 災害一旦發(fā)生，危害嚴重。管道災害都直接作用在管道上，災害發(fā)生將導致管道破壞，引發(fā)成品油泄漏，甚至爆炸，后果不堪設想。

2 管道山地災害的成因與發(fā)展趨勢

山地災害是中國山區(qū)常見的自然災害現(xiàn)象，管道山地災害的發(fā)育分布及其危害程度與管道敷設地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境背景條件、氣象水文條件、工程建設活動及其強度等有著極其緊密的聯(lián)系，其中不良氣候條件是山地災害頻繁爆發(fā)的最主要觸發(fā)因素，不合理的管道工程建設活動加劇了山地災害發(fā)生的頻率和成災強度。西南管道山地災害多次爆發(fā)，說明該地區(qū)具備了災害發(fā)生的地形、地貌、巖性及誘發(fā)因素條件。

西南管道經(jīng)過的地區(qū)地形復雜多樣，這些地區(qū)處于中國地勢的二三階梯過渡地帶。地形總的趨勢是北西高、東南低，呈階梯狀分布的地貌特征。較大的地形起伏，使這一區(qū)域普遍具有山地災害發(fā)生的地貌條件，也是中國山地災害極易發(fā)生和較易發(fā)生的地區(qū)。

西南管道敷設地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境比較復雜。根據(jù)地質(zhì)鉆探資料，西南管道沿線出露的地層除寒武系以前的老地層未出露外，其他地層均有出露。此外，管道通過區(qū)域普遍存在易滑地層(如煤系地層，第四系殘坡積、沖洪積松散地層)廣布于基巖上和河流兩岸等。大量開挖管溝，破壞了易滑地層的極限平衡狀態(tài)，以及在施工時沒有及時做好開挖邊坡的支護工作，觸發(fā)了大量的滑坡。貴州段管道大部分敷設在石灰?guī)r地層上，加上地下水很發(fā)育，導致這一地區(qū)的巖溶塌陷非常多，管道通過部位時常出現(xiàn)巖溶塌陷，危及管道的安全?；浳鞴艿姥鼐€普遍出露地層為第四系殘坡積、沖洪積層，山區(qū)出露基巖以花崗巖、泥灰?guī)r、石英砂巖為主。由于物理風化作用強烈，花崗巖風化殼比較厚，地表巖土極不穩(wěn)定，強降雨天氣誘發(fā)了嚴重的溝道和坡面侵蝕災害，造成大量管道露管，局部地段甚至引發(fā)擋土墻破壞、失效。

西南管道受降雨的影響明顯，管道經(jīng)過區(qū)幾乎全是多雨區(qū)，但降雨量分布不均，具有降雨多、降雨強度大等特點。調(diào)查表明，由于管道埋深淺，地表擾動后土層松散，在連續(xù)降雨之后，往往誘發(fā)滑坡、山洪、泥石流等山地災害。

管道工程建設是誘發(fā)山地災害的一個重要因素。首先，由于管道建設過程中對山地環(huán)境的保護不合理，處置不當，工程防護措施滯后，形成一些潛在的山地災害隱患。降雨量豐富的雨季，容易誘發(fā)山地災害，危及管道的安全。其次，人為的不合理的削坡、堆載加速了斜坡的變形。再次，由于管溝回填土回填不到位，改變了管道敷設地的地貌，人為制造了大量的積水坑和洼地，也為水土流失起到了促進作用。

山地災害的孕育、發(fā)生、發(fā)展是一個逐步演變的過程，山區(qū)管道工程的環(huán)境條件普遍具備山地災害形成的基本條件。表現(xiàn)為：①管道建設破壞了原地貌形態(tài)。在管道作業(yè)帶范圍內(nèi)堆積了較多的松散堆積物，甚至形成陡坎，成為潛在的災害隱患。②改變原斜坡的地表徑流狀態(tài)。由于地貌恢復不好，使得地表形成洼地或徑流侵蝕沖溝，導致地表匯流后侵蝕作用增強，形成對管道的沖蝕；同時，地表水匯集并滲入土層，增加了坡體失穩(wěn)的可能性。③管道由于線路長，可能發(fā)生的災害點多，防治工程僅對一些危害大并且急迫的災點進行治理，大部分管線段都是采用地貌恢復、逐漸穩(wěn)定的處理辦法。因此，在管道建成后的相當一段時間內(nèi)，山地災害和管道作業(yè)帶都將處于災害較易發(fā)生時段。據(jù)調(diào)查，西南管道在建設和運營中也逐漸暴露出了許多山地災害問題。2006年，貴州省降雨量較往年偏少，但一次強降雨觸發(fā)了許多嚴重危害管道的滑坡災害。這與管道建設改變地貌條件和保護措施不當有密切的關(guān)系。2007年汛期，貴州省降雨充沛，由于前期管道防護工程的陸續(xù)完工并且發(fā)揮了重要作用，雖然降雨觸發(fā)了一些新增加的管道山地災害，但是成災的數(shù)量和規(guī)模較以往均有不同程度的降低。

3 管道典型山地災害的防治方法

山區(qū)管道由于普遍具有山地災害發(fā)生的條件，一些存在潛在隱患的地段，當出現(xiàn)誘發(fā)因素時，管道山地災害仍將繼續(xù)發(fā)生，防災是一項長期的工作。因此，在山地災害危險程度高的地區(qū)，做好山地災害防治，對保護管道安全具有重要意義。根據(jù)山區(qū)地貌條件，管道建設容易發(fā)生山地災害的主要有兩類地貌類型：一是斜坡地貌，二是溝道。因此，管道山地災害防治模式主要針對這兩種類型。

3.1 管道沿斜坡敷設的山地災害防治

斜坡上發(fā)生的山地災害的類型主要有兩類方式：一是滑坡或坡體變形，二是坡面侵蝕(坡面泥石流)。由于管道通過斜坡的方式有垂直等高線和平行(斜交)等高線兩種，不同的通過方式承受斜坡上滑坡、坡面侵蝕等災害的作用方式不一樣?；碌淖饔昧梢允构艿雷冃位驍嗔?；侵蝕可使管道露管，破壞管道保護層，最終導致管道破壞。根據(jù)管道沿斜坡的不同敷設方式和災害發(fā)生形式，采用兩類管道滑坡防治方法。

3.1.1 管道垂直等高線敷設

垂直等高線敷設是山區(qū)管道所處地貌中最普遍的一種方式，這種方式敷設極易產(chǎn)生滑坡和坡面侵蝕。由于管道延伸方向與坡體的重力方向近于平行，管道施工對坡體的擾動容易產(chǎn)生坡體滑動；同時，管溝處的坡體被擾動也極易形成管溝侵蝕，危害管道安全。根據(jù)滑坡下滑力與管道之間的相互作用機理，垂直等高線敷設管道的災害防治主要采用抗滑擋土墻、截水擋土墻、截排水溝的形式進行防治。

抗滑擋土墻一般建在坡腳和斜坡地貌轉(zhuǎn)折的部位，通過建抗滑擋土墻，起到穩(wěn)定坡體，防治滑坡發(fā)生。截水擋土墻建在斜坡坡面管溝內(nèi)，通常有兩個作用：一是穩(wěn)定管溝的坡體；二是使坡面水土分離，防治管溝侵蝕。多道截水擋土墻的修建還能起到降低斜坡坡度，使斜坡穩(wěn)定(圖1)?？够瑩跬翂徒厮畵跬翂υ诠艿姥由旆较蚨ň嚯x修建，最終使斜坡被擾動坡體逐漸趨于穩(wěn)定，保護管道的安全。截、排水溝一般建在坡面，截、排斜坡上部的地表水，減少地表水進入管溝，也避免坡面形成較大的徑流，減少侵蝕。

圖1 垂直等高線埋設管道截水墻的布置示意圖

管道垂直等高線敷設另一個極易產(chǎn)生的災害是沿管溝侵蝕。管溝侵蝕與水土流失形成的原因通常是管道建設破壞了原地表的徑流狀態(tài)；同時，管道施工擾動了原坡面巖土體，植被破壞形成裸地。在降雨條件下導致管溝處水流集中，覆土大量流失，甚至露管，極大地危及管道的安全運營。對管溝侵蝕的防治，主要采用截水擋土墻、截排水溝和植物措施進行防治。截水擋土墻和截排水溝的建設方式與坡面巖土體變形的防治相同，一種措施產(chǎn)生多重作用。

植被恢復措施是控制侵蝕和穩(wěn)定邊坡的一個有效輔助措施[2]。管道建設開挖斜坡形成的坡面淺表層不穩(wěn)定，植被對于穩(wěn)定這類斜坡具有很大優(yōu)勢[3]。工程實踐表明，管道植被恢復主要選用草灌混栽的方式。由于草本植物具有繁殖快、生長迅速的優(yōu)點，能對管道施工擾動裸地進行快速覆蓋，減少地表的侵蝕和防治水土流失；同時，灌木根系發(fā)育好，對穩(wěn)定淺層坡體有利。

3.1.2 管道平行(含斜交)等高線敷設

管道平行(或斜交)等高線敷設是山區(qū)建設最不利于穩(wěn)定的一種方式。由于管道沿等高線建設對斜坡的開挖面大，易于誘發(fā)坡體失穩(wěn)；同時，使坡體變形或發(fā)生滑坡產(chǎn)生的作用力直接作用在管道承受外力最差的方向上，極易引起管道變形破壞。下面就管道平行(或斜交)等高線敷設的防治方法展開討論。

(1) 滑動面剪出口在管溝以下(圖2(a))，管道將隨滑坡一直滑動，滑坡的大部分，甚至全部推力作用在管道上，對管道將產(chǎn)生毀滅性的危害，使管道彎曲，甚至剪斷。由于管道滑坡災害的規(guī)模一般很小，治理此類滑坡可以采用抗滑樁支護結(jié)構(gòu)，結(jié)合管道工程實際情況，抗滑樁的材料可以采用鋼管樁或型鋼，甚至可采用鋼軌。

(2) 滑動面剪出口通過管溝(圖2(b))，管道將承受滑坡的推力而彎曲，甚至推斷，毀損。由于管道離滑動面剪出口較近，如施工場地比較寬敞的話，采用抗滑擋墻支護，如施工場地狹小可以采用抗滑樁支護。

圖2 管道平行等高線滑坡防治示意圖：(a) 滑動面剪出口在管道下方； (b) 滑動面剪出口通過管道

(3) 滑動面剪出口在管道之上，滑下來的巖土堆在管溝回填土以上，起到一個反壓坡腳的作用，對管道無明顯的危害，但對管道內(nèi)側(cè)邊坡的有一定的影響，需要加強地面巡視力度，針對邊坡破壞情況，適當修建擋土墻維持斜坡穩(wěn)定，避免管道保護層被破壞。

(4) 管溝外側(cè)棄土堆積層滑坡，由于棄土與原始地面間為軟弱結(jié)構(gòu)面，極易發(fā)生棄土堆積層沿此軟弱結(jié)構(gòu)面滑動，甚至牽引下覆原始松散土層一起滑坡。此時管道處于危險境地，懸空，甚至一起滑動破壞。在實際的管道施工中，遇到管道從滑坡體后緣通過，并且在管道的外側(cè)存在既有公路，為了不破壞公路結(jié)構(gòu)，需要在公路內(nèi)緣一側(cè)采用穩(wěn)管墩這一新的支護方式來保護管道，同時需要在公路路基外側(cè)修建抗滑樁。

3.2 管道沿溝道敷設的山地災害防治

3.2.1 溝道山地災害防治模式

管道沿溝道敷設是山區(qū)常見的一種形式，主要危害為山洪、泥石流侵蝕與沖擊，造成管道露管或損壞。2006年貴州省關(guān)嶺縣北盤江的一個支溝發(fā)生泥石流，使順溝敷設的管道被沖蝕，管道發(fā)生嚴重變形，嚴重影響管道安全。研究表明，管道沿溝道敷設可能遇到的災害中，水是誘發(fā)山地災害的主要因素。產(chǎn)生山地災害的原因：溝道水流對管道的侵蝕沖刷，因施工擾動，在溝道內(nèi)堆積了較多的松散物質(zhì)，溝道侵蝕使得溝道兩側(cè)斜坡發(fā)生滑坡，為溝道泥石流災害的發(fā)生提供了物質(zhì)條件。在這些因素中，水的作用是產(chǎn)生溝道山洪、泥石流災害的最主要因素。因此，根據(jù)溝道發(fā)生山地災害的特點，針對災害產(chǎn)生的主要原因，建立了“導水—攔渣—穩(wěn)坡—固床”的溝道山地災害防治模式。在這個模式中，導水是通過采取排水、引水和滯水等工程與生物措施，減少溝道水流對管道的沖刷。其作用：一是引走水流，做到水石分離；二是減少徑流水，改變溝道的水動力條件。攔渣是通過建立小型攔渣壩，攔擋溝中堆積物，減少發(fā)生泥石流的可能性；同時，堆積在溝內(nèi)的物質(zhì)也可起到壓腳穩(wěn)坡效果。穩(wěn)坡是對溝道斜坡上可能為溝道提供物質(zhì)的地段，采用抗滑支擋、坡面護坡等措施，防治坡體滑動，減少產(chǎn)生泥石流的物質(zhì)條件。固床是采用谷坊、固床壩等工程措施，起到穩(wěn)定溝道、控制侵蝕，從而保護管道的安全。管道建設的工程實踐表明，在沿溝道敷設管道的山地災害防治中，災害防治模式起到了很好的作用。

3.2.2 溝道山地災害主要防治措施

管道沿溝道敷設的山地災害防治模式中，導水、攔渣、穩(wěn)坡采用的防治技術(shù)措施包括前面提到的排水、穩(wěn)坡抗滑等共同防治措施；溝道山地災害防治的措施有防沖(侵蝕)墻、固床壩、谷坊。

(1) 防沖(侵蝕)墻

墻體的基本形式為重力式擋墻，建在管道的靠溝一側(cè)，沿溝修建，墻體的基礎(chǔ)埋深應在溝道的最大沖刷線以下。作用主要是防沖蝕，排導水流，改變水流流向，保護管道安全(圖3)。防沖(侵蝕)墻也可用于管道穿越溝道時的岸坡失穩(wěn)的防治。

圖3 溝道防沖(侵蝕)墻示意圖：(a)平面布置示意圖；(b)剖面示意圖

(2) 固床壩

固床壩的基本形式為重力式壩體，橫建在溝道中，可連續(xù)修建多道，起到穩(wěn)定溝道、控制侵蝕的作用(圖4)。固床壩體的基礎(chǔ)埋深應在溝道的最大沖刷線以下，壩體一般僅高出溝道底面15～20 cm，兩端嵌入溝道岸坡。工程實踐表明，固床壩的使用一般要求比降小于7‰的小型溝道，如溝道比降大，則不能使用固床壩，改為谷坊或攔擋壩為好。

圖4 溝道固床壩防治措施示意圖：(a)平面布置示意圖；(b)剖面示意圖

(3) 谷坊

谷坊基本形式為重力式砌石壩體，橫建在溝道中，起到攔擋溝道物質(zhì)，穩(wěn)定溝道與邊坡、控制侵蝕的作用(圖5)。谷坊基礎(chǔ)埋深應在溝道的最大沖刷線以下，兩端嵌入溝道岸坡。壩體一般采用高出溝道底面1～4 m的低壩形式，如溝道內(nèi)物質(zhì)較多，則采用連續(xù)多道的修建方式。

圖5 溝道谷坊防治示意圖

4 結(jié)語

(1) 西南管道所處的區(qū)域是中國山地最集中、山地災害最頻發(fā)、多發(fā)的區(qū)域。在這樣復雜的地質(zhì)、地貌環(huán)境下進行管道建設、運營和管理，山地災害防治是一項長期的工作，應該給予足夠的重視。

(2) 西南地區(qū)普遍具備了山地災害發(fā)生的基本條件，在管道建設完工后的5～6年時間內(nèi)，山地災害處于較為易發(fā)的時期，只要出現(xiàn)降雨、地震等強誘發(fā)因素，都會出現(xiàn)不同規(guī)模的山地災害。隨著防治措施的完善，災害發(fā)生的概率將會降低。

(3) 山區(qū)成品油管道由于埋深淺，易于受到各種因素的影響。管道容易發(fā)生山地災害的主要有兩種地貌類型：一是斜坡地貌，二是溝道。本文對敷設于這兩種地貌類型中管道的山地災害防治進行了總結(jié)，可為今后山區(qū)管道設計、施工和防災等提供借鑒。

(2014年9月3日收稿)■

[1] 中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所, 中國山地危險工程綜合培訓項目組. 中國山地災害防治工程[M]. 成都: 四川科學技術(shù)出版社, 1997: 137-210.

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The mountain hazards development and its prevention methods of oil pipeline in South-West China

KONG Ji-ming①, QIU Hong-zhi②, ZHANG Yin③
①Professor, ②③Ph. D. Candidate, Key Laboratory of Mountain Hazards and Surface Process, Chinese Academy of Sciences, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences & Ministry of Water Conservancy, Chengdu 610041, China

Oil pipeline as a linear project, with features on complex disaster-pregnant environment, human disturbance and much scattered disaster points, the developments of disasters are vulnerable to the effects of natural conditions change and human activities. Due to the limit of expense of disaster control, a large number of disaster points cannot be all prevented. On the other hand, land for pipeline construction is temporary, which requires pipeline management project on land occupied minimumly, with minimum possible structural measures to maximize the effect of pipeline protection. Base on the unique features of engineering and the requirements on disaster control, it is very important to establish a set of mountain hazards sentenced early identification, determining the type of disaster, prevention and control technology to adapt to the environment of pipeline engineering. On the basis of many years of research methods and techniques of mountain disaster prevention theory, combined with the practices of southwest pipeline construction, a set of theoretical methods and key technologies of mountain hazards for construction of pipeline in mountain are established, which is successfully applied to the construction and operation of oil pipeline for Sinopec to ensure that the safety of oil pipeline in the mountains.

oil pipeline, mountain hazard, disaster prevention

(編輯：段艷芳)

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.05.005