水毀災(zāi)害—石油管道的危險(xiǎn)源

羅守敬，馬志飛

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

0 引言

2010年8月下旬，由于河北省秦皇島市大石河水庫(kù)泄洪放水，導(dǎo)致鐵秦線石油管道穿越大石河?xùn)|段出現(xiàn)河床下切，固管樁及石油管道外露，嚴(yán)重威脅管道的安全運(yùn)營(yíng)。通過(guò)對(duì)中國(guó)石油管道公司秦京線、任京線及東北石油管網(wǎng)等石油管道的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查[1]，發(fā)現(xiàn)水毀災(zāi)害是平原區(qū)影響石油管道安全運(yùn)營(yíng)的一種重要災(zāi)害。它不同于崩塌、滑坡、泥石流等常規(guī)地質(zhì)災(zāi)害，現(xiàn)狀條件下它主要表現(xiàn)為在暴雨或洪水情況下，管道附近出現(xiàn)水土流失或者河流溝道堤岸受到破壞從而導(dǎo)致管道覆蓋層變薄、管道露管或者懸空，威脅管道的運(yùn)營(yíng)。水毀災(zāi)害是威脅石油管道安全的一種特殊災(zāi)害，必須加以重視。

1 水毀災(zāi)害的類型及發(fā)育特征

1.1 水毀災(zāi)害的類型

根據(jù)管道穿越地區(qū)水毀災(zāi)害發(fā)育的地點(diǎn)、特征及其危害，將水毀災(zāi)害劃分為臺(tái)田地水毀、坡面水毀及河溝道水毀三種類型。

1.2 水毀災(zāi)害的發(fā)育特征

（1）臺(tái)田地水毀

臺(tái)田地水毀一般發(fā)生在臺(tái)階式田地的陡坎部位，管道穿越陡坎地段的松散土體時(shí)容易受到降雨和地表徑流的沖刷，易在地表形成沖蝕溝，從而導(dǎo)致管道上覆土體流失、變薄。在管道與陡坎距離相對(duì)較近時(shí)，土體的嚴(yán)重流失可能會(huì)掏空管道上覆土體，出現(xiàn)露管現(xiàn)象。由于臺(tái)田地的整體坡度較緩，臺(tái)田地水毀災(zāi)害對(duì)管道的危害主要為水土流失、露管或者破壞陡坎處的管道護(hù)坡工程，因此臺(tái)田地水毀災(zāi)害對(duì)管道造成的危害相對(duì)較小。

（2）坡面水毀

坡面水毀一般發(fā)生坡體上，坡面水毀主要由坡面水力沖蝕土體引起，而坡面水力沖刷侵蝕的強(qiáng)弱主要取決于邊坡的坡度、坡長(zhǎng)、降雨、巖土體的性質(zhì)、地表植被覆蓋及人類工程活動(dòng)等因素[2]，其中邊坡的坡度、降雨和人類工程活動(dòng)是影響坡面水毀災(zāi)害的3個(gè)主要因素。坡面水毀災(zāi)害發(fā)育的嚴(yán)重程度取決于管道的敷設(shè)情況，如管道的埋深、管道上方覆土回填的密實(shí)程度等，同時(shí)也取決于管道的穿越方式，如管道與坡體是順向穿越、橫向穿越或斜向穿越[2]。一般情況下，坡面土體越松散，坡度越大，降雨強(qiáng)度越大，人類工程活動(dòng)越頻繁，坡面水毀災(zāi)害發(fā)生的可能性越大，其危害程度越大。坡面水毀的危害程度與臺(tái)田地水毀類似，一般不會(huì)造成斷管。

（3）河溝道水毀

河溝道水毀一般發(fā)生在管道穿越河流或溝道的地段，是流水沖蝕作用形成的，降雨、上游水庫(kù)放水、冰雪融水、地下水等水文變化都可能對(duì)河溝道及堤岸產(chǎn)生侵蝕和破壞[3]。在管道穿越河溝道的地方，河溝道水毀的破壞方式主要有以下4類：第一、長(zhǎng)期的流水沖蝕可能會(huì)掏空以直埋方式穿越河溝道的管道下方的土體而造成管道懸空；第二、石油管道的防腐層外露或者受到破壞；第三、外露的管道可能會(huì)繼續(xù)受到河溝道中的流水或者物體撞擊而出現(xiàn)管道凹陷或者斷管；第四、管道穿越河溝道時(shí)設(shè)置的防護(hù)工程受到破壞（圖1）。河溝道水毀災(zāi)害的發(fā)生，嚴(yán)重的結(jié)果是導(dǎo)致石油管道出現(xiàn)露管、斷管，危害管道的安全，如鐵秦線穿越大石河時(shí)上游水庫(kù)泄洪時(shí)的斷管、馬惠寧管道穿越環(huán)江時(shí)，汛期曾發(fā)生過(guò)斷管等[4]。河溝道水毀災(zāi)害的危害程度相對(duì)于其它兩種水毀災(zāi)害，危害程度最大，對(duì)管道的破壞最為嚴(yán)重。

圖1 管道敷設(shè)剖面示意圖[3]

2 秦京線輸油管道沿線水毀災(zāi)害的影響因素

“秦京線”為秦皇島—北京輸油管道，全長(zhǎng)為349.026km，管道管徑為φ529mm，埋深一般1.5～2m，管道外防腐涂層采用石油瀝青防腐層，管道設(shè)計(jì)年輸油量750萬(wàn)t?！扒鼐┚€”敷設(shè)地段屬華北平原區(qū)，穿越地區(qū)河流水系發(fā)育，農(nóng)田耕植、取土及河道挖砂等人類工程活動(dòng)頻繁。據(jù)調(diào)查，“秦京線”沿線共發(fā)育坡面水毀16處，河溝道水毀8處，臺(tái)田地水毀3處，水毀災(zāi)害已造成管道露管、支護(hù)工程破壞等。

通過(guò)調(diào)查分析，影響“秦京線”沿線水毀災(zāi)害發(fā)生的因素主要為地形地貌、地層巖性、降水及地表徑流以及人類工程活動(dòng)。

2.1 地形地貌

“秦京線”沿線部分地區(qū)斜坡陡坎較多，地形坡度一般大于5°，小型沖溝較發(fā)育。由于地形有起伏，降雨時(shí)在坡面上會(huì)形成小規(guī)模的洪流，沖刷侵蝕坡面上的土體，地表水土流失嚴(yán)重。在臺(tái)田地中有一些取土、取砂形成的陡坎地段或者因耕植活動(dòng)形成的斜坡坡面地段，這些地段易發(fā)生臺(tái)田地水毀和坡面水毀災(zāi)害。在河溝道地段，由于地形高差的變化，流水可能會(huì)沖蝕河溝道的堤岸或者下切溝底，破壞堤岸的穩(wěn)定從而形成塌岸破壞護(hù)堤工程或者導(dǎo)致露管，引發(fā)河溝道水毀災(zāi)害。

2.2 地層巖性

“秦京線”沿線為華北平原區(qū)，管道敷設(shè)地段主要是砂土、粉質(zhì)砂土及粘土等第四系沖洪積物，土體疏松，在降雨或地表徑流的擾動(dòng)下容易被沖刷，水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重。對(duì)于河堤由砂土、粘土組成的大、中型河流，或者未作護(hù)坡護(hù)堤工程的河溝渠地段，土體松散，在流水沖刷下堤岸易失穩(wěn)，形成河溝道水毀災(zāi)害；對(duì)于砂土分布的農(nóng)田陡坎、臺(tái)地及斜坡等地段則易形成臺(tái)田地水毀和坡面水毀災(zāi)害。

2.3 降水及地表徑流

水毀災(zāi)害的形成與水關(guān)系十分密切，而大氣降水則是關(guān)系最為密切的“水因素”，同時(shí)大氣降水的時(shí)空分布對(duì)地表徑流的影響極為明顯。強(qiáng)降雨是坡面水毀、河溝道水毀的主要促發(fā)因素，充足的降水使巖、土體處于飽和狀態(tài)，雨水匯集形成的地表徑流則極易引發(fā)坡面水毀或者臺(tái)田地水毀；而當(dāng)大雨或暴雨時(shí)，絕大部分雨水都會(huì)排入河溝道中，加大河流的流量和流速，從而增強(qiáng)河流的側(cè)蝕和底蝕作用，致使河溝道底部不斷下切或沖蝕岸堤，引發(fā)河溝道水毀災(zāi)害的發(fā)生?！扒鼐┚€”沿線河流縱橫交錯(cuò)，沿線河溝的特點(diǎn)是平時(shí)水流淺緩，雨季時(shí)河水暴漲，下切和側(cè)蝕能力強(qiáng)，由于管道多沿溝底埋設(shè)穿越或上部跨越，因此水毀對(duì)管道及其水工保護(hù)設(shè)施破壞性強(qiáng)。

2.4 人類工程活動(dòng)

“秦京線”沿線人類工程活動(dòng)頻繁，主要為農(nóng)田耕種、采砂、取土、建房、修路、修渠等。人類工程活動(dòng)的影響主要有：農(nóng)田耕種會(huì)擾動(dòng)管道上覆的土體，造成管道上覆土體變薄、疏松，加劇地表水的入滲，這是誘發(fā)臺(tái)田地水毀的主要原因之一；河道內(nèi)的采砂活動(dòng)可能會(huì)改變河道的水文地質(zhì)條件，加劇河道的下切或堤岸側(cè)蝕，甚至出現(xiàn)河流改道現(xiàn)象，并最終降低河溝堤岸的穩(wěn)定性，為河溝道水毀的發(fā)生埋下了隱患；除河道外，農(nóng)田中取土或取砂活動(dòng)亦十分嚴(yán)重，秦京線一處距離管道不足3m的地段仍存在大范圍的人工取土活動(dòng)，嚴(yán)重威脅管道的安全；在一些基礎(chǔ)設(shè)施修建過(guò)程中，如鐵路、公路修建時(shí)的橋涵（洞）、過(guò)水廊道可能會(huì)把原來(lái)降水時(shí)面狀的地表徑流人為地進(jìn)行匯聚，地表流水在通過(guò)橋涵（洞）后變?yōu)榧兴鳎魉亢土魉偌痹?，加大了流水的沖蝕力，在暴雨時(shí)易形成坡面水毀或河溝道水毀災(zāi)害，對(duì)管道及其伴行道路形成威脅。

3 秦京線輸油管道沿線水毀災(zāi)害實(shí)例

水毀災(zāi)害是威脅秦京線管道正常運(yùn)營(yíng)的主要災(zāi)害，本文就3種水毀災(zāi)害分別闡述其對(duì)管道的危害。

3.1 K173+100m處臺(tái)田地水毀

K173+100m處臺(tái)田地水毀災(zāi)害發(fā)育在河北省唐山市豐潤(rùn)區(qū)沙流河鎮(zhèn)，石油管道從沙流河鎮(zhèn)南的水塘邊穿過(guò)，管道周邊為村莊和農(nóng)田，地形平坦開(kāi)闊，地表以粉質(zhì)砂土為主。

管道從水塘堤岸南側(cè)穿行，走向270°，敷設(shè)方式為直埋穿越，埋深1.5～2m。但管道南側(cè)已發(fā)生水土流失并形成一個(gè)長(zhǎng)約3m、寬約3m的水蝕坑，深度約0.6m（圖2）。管道與水塘堤岸之間修筑有護(hù)坡工程，穩(wěn)定性較好，但由于水蝕坑尚未回填，水土流失仍將繼續(xù)發(fā)展，臺(tái)田地水毀災(zāi)害威脅仍在。

現(xiàn)狀條件下暫未發(fā)現(xiàn)臺(tái)田地水毀災(zāi)害對(duì)管道有明顯的破壞，但是在降雨和地表徑流的沖蝕作用下，管道附近水土流失現(xiàn)象將會(huì)加劇，臺(tái)田地水毀將進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)護(hù)坡工程造成威脅，影響管道安全運(yùn)營(yíng)。建議盡快回填水蝕坑，消除水土流失現(xiàn)象。

圖2 秦京線管道與臺(tái)田地水毀相對(duì)位置平面圖

3.2 K269-400m處坡面水毀

K269-400m處坡面水毀災(zāi)害位于北京市通州區(qū)馬莊村東500m處，穿越地區(qū)為農(nóng)田及林地，地形起伏小，地表以砂土為主，土體松散。

管道走向270°，敷設(shè)方式為直埋穿越，埋深1.5～2m。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在管道南側(cè)有一長(zhǎng)約150m的長(zhǎng)條型人工取土坑（圖3），坑深3m，坑壁平均傾角約60°，該取土坑距離管道最近處僅2m（圖4）?？颖诂F(xiàn)狀條件下相對(duì)穩(wěn)定，但無(wú)護(hù)坡措施，靠近管道一側(cè)坑壁坡面已發(fā)生坡面水毀災(zāi)害，時(shí)有土體坍塌或水土流失現(xiàn)象發(fā)生，微地貌亦發(fā)生改變。

圖3 秦京線管道與人工取土坑的相對(duì)位置平面圖

圖4 秦京線管道與人工取土坑的相對(duì)位置剖面圖

管道距離取土坑最近僅2m，位于坡面水毀區(qū)的邊緣，現(xiàn)狀條件下未見(jiàn)露管，由于坑壁土體為砂土，松散，穩(wěn)定性差，在降雨情況下易發(fā)生坑壁坍塌，進(jìn)而不斷向管道埋設(shè)處侵蝕，最終危及管道的安全。建議制止該處取土活動(dòng)并開(kāi)展管道一側(cè)坑壁坡面防護(hù)工程。

3.3 K144+080m處河溝道水毀

K144+080m處河溝道水毀災(zāi)害位于“秦京線”與陡河交匯處（圖5）。該點(diǎn)位于河北省唐山市豐潤(rùn)區(qū)銀城鋪鄉(xiāng)國(guó)持營(yíng)村，兩岸地形平坦開(kāi)闊，地表以粉土和粉質(zhì)粘土為主。陡河寬約30m，水面寬度約15m，平均水深約2m，流速約為2m/s。

圖5 秦京線管道與陡河的相對(duì)位置剖面圖

管道以大開(kāi)挖溝埋方式穿越陡河，走向270°，溝底管道平均埋深約2.5m，穿越處河堤坡度約70°，堤岸無(wú)防護(hù)工程。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，東側(cè)河堤塌岸現(xiàn)象較為嚴(yán)重，堤岸上有數(shù)十條寬約1～3cm的小裂縫，部分河堤已經(jīng)坍塌至河中，管道北側(cè)8m處的河堤出現(xiàn)一個(gè)半徑約2m的半圓形侵蝕坑，堤岸穩(wěn)定性差，在水位升高和流速加大時(shí)堤岸坍塌現(xiàn)象將加劇。由于陡河上游有水庫(kù)，水流的特征受水庫(kù)調(diào)節(jié)，水流速度平時(shí)較緩，上游水庫(kù)放水時(shí)水流流速增快，流水沖蝕作用加劇，加速塌岸災(zāi)害的發(fā)生。該處河道微地貌有明顯改變，坍塌、堤岸后退等水毀現(xiàn)象發(fā)育且具備一定規(guī)模，河溝槽擺動(dòng)明顯，暫未出現(xiàn)露管、管道漂浮等現(xiàn)象，水毀災(zāi)害仍在發(fā)展中。

由于陡河穿越處管道埋深為2.5m，根據(jù)《秦京線安全性改造工程陡河穿越水文分析及沖刷深度報(bào)告》提供的數(shù)據(jù)[5]，管道穿越斷面處百年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為162m3/s，設(shè)計(jì)最高洪水位為40.0m，最大水面流速為3.78m/s，設(shè)計(jì)河床最大沖刷深度計(jì)算值為4.06m，大于管道2.5m的埋深，因此該河溝道水毀災(zāi)害嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)管道安全造成較大的威脅。

4 防治建議

“秦京線”沿線共發(fā)育水毀災(zāi)害27處，引發(fā)水毀災(zāi)害的主要原因是降雨及地表徑流沖刷以及人類工程活動(dòng)，因此水毀災(zāi)害的防治應(yīng)從以下5個(gè)方面入手。

（1）修建截排水溝

修建截排水溝主要是針對(duì)臺(tái)田地水毀、坡面水毀災(zāi)害的，通過(guò)截排水溝工程減少流水對(duì)管道穿越地段的沖刷，減少水土流失，從而避免水毀災(zāi)害的發(fā)生。

（2）嚴(yán)格控制管道周邊采砂取土活動(dòng)

人類工程活動(dòng)是水毀災(zāi)害發(fā)生的主要原因之一，采砂取土活動(dòng)破壞了管道穿越地段土體的穩(wěn)定性，在降雨或流水沖刷下易形成水毀災(zāi)害，因此應(yīng)嚴(yán)格控制管道周邊的采砂取土等人類工程活動(dòng)。

（3）河溝道穿越處修建堤岸防護(hù)工程

河溝道水毀災(zāi)害的發(fā)生大多由于流水沖刷河溝堤岸導(dǎo)致其失穩(wěn)形成的，因此在管道穿越河溝時(shí)應(yīng)做好堤岸防護(hù)工程，減緩流水的沖刷側(cè)蝕，避免因水毀導(dǎo)致塌岸，破壞管道的正常運(yùn)營(yíng)[6]。

（4）回填管道近處的水蝕坑洞

水毀災(zāi)害的成災(zāi)時(shí)間相對(duì)緩慢，如坡面水毀、臺(tái)田地水毀，大多是穿越地段水土逐漸流失形成，因此對(duì)于管道近處的一些水土流失侵蝕坑洞應(yīng)及時(shí)回填，避免其形成危害。

（5）人工巡查

由于管道穿越地區(qū)廣，跨度大，要摸清管道是否遭受水毀災(zāi)害，人工巡查是極其重要的一個(gè)措施。通過(guò)人工巡查可以調(diào)查管道可能遭受的水毀災(zāi)害，也可以查清管道周邊的異常情況，為下一步的防治工作做好準(zhǔn)備。

5 結(jié)論

（1）水毀災(zāi)害是一種間接危害管道安全的特殊災(zāi)害，它不同于崩滑流等常規(guī)地質(zhì)災(zāi)害造成瞬間、劇烈的破壞，水毀災(zāi)害往往導(dǎo)致管道上覆土體被沖蝕或管道護(hù)坡工程破壞倒塌，會(huì)逐漸造成管道外露，暴露于空氣中的管道易于遭受腐蝕以及人為破壞等。

（2）水毀災(zāi)害成災(zāi)時(shí)間一般相對(duì)緩慢，但水毀災(zāi)害受降雨及地表徑流的影響大，災(zāi)害大多發(fā)生在降雨雨強(qiáng)較大、地表徑流量大或者河溝道流水急增的情況下，水毀災(zāi)害的破壞亦具有很強(qiáng)的突發(fā)性，為避免突發(fā)的水毀災(zāi)害危害管道的安全運(yùn)營(yíng)，須提前做好防護(hù)措施。

（3）建議針對(duì)管道沿線水毀災(zāi)害的發(fā)育特征，評(píng)價(jià)其對(duì)管道危害的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，然后根據(jù)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及其它因素，制定合適的防治規(guī)劃，開(kāi)展有針對(duì)性的防治工程，確保管道安全的運(yùn)營(yíng)。

[1]中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京市地質(zhì)研究所.秦京線、裝船線原油管道地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查及整治規(guī)劃[R].2010.

[2]吳 迪.西氣東輸管道沿線水毀災(zāi)害評(píng)價(jià)方法體系[D].西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文.2008:19~21.

[3]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（8）:49.

[4]梅云新.馬惠寧管道地質(zhì)災(zāi)害類型及水工保護(hù)問(wèn)題[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2003，22(11):35~38.

[5]中油四維工程勘察有限公司.秦京線安全性改造工程陡河穿越水文分析及沖刷深度報(bào)告 [R].2006.

[6]黃金池，孟國(guó)忠.管道穿河工程水毀災(zāi)害分析[J].泥沙研究，1998(2):42~49.