西北黃土濕陷性地區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害類型分析

李昌文 王寶成 馮帥

（1 甘肅省遠(yuǎn)大路業(yè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030；2 甘肅暢隴公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究院，甘肅 蘭州 730030；3 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756）

1 引 言

隨著我國的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，長距離的輸油氣管道不斷的建設(shè)并投入運(yùn)營，長管道不可避免的要穿越一些地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域，由此伴隨著的地質(zhì)災(zāi)害正在不斷的引起人們廣泛的認(rèn)識和關(guān)注。西北地區(qū)的濕陷性黃土多屬于第四紀(jì)形成的陸相黃色粉砂質(zhì)土狀堆積物，土質(zhì)較均勻、結(jié)構(gòu)疏松、孔隙發(fā)育，粉末性是黃土顆粒組成的最大特征之一。粉末性表明黃土粉末顆粒間的相互結(jié)合是不夠緊密的，所以每當(dāng)土層浸濕時(shí)或在重力作用的影響下，黃土層本身就失去了它的固結(jié)的性能，因而也就常常引起強(qiáng)烈的沉陷和變形。通過現(xiàn)場調(diào)研和相關(guān)資料的查閱，在所有長距離輸氣管道的地質(zhì)災(zāi)害中，水毀災(zāi)害是經(jīng)濟(jì)損失最嚴(yán)重和社會影響最大的自然災(zāi)害之一。

國內(nèi)的相關(guān)專家和學(xué)者對管道的水毀災(zāi)害進(jìn)行了大量的研究。 其中一些學(xué)者[1-3]等對西氣東輸工程管道遇到的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了分析和總結(jié)并提出相關(guān)的防治措施。孟國忠[4]研究了油氣管道穿越我國復(fù)雜山區(qū)時(shí)遭受的地質(zhì)災(zāi)害及相應(yīng)的防治措施。鐘威[5]等對崩塌、滑坡、泥石流3 種典型的地質(zhì)災(zāi)害影響因素進(jìn)行辨識、分類總結(jié)，充分考慮影響因素的相對權(quán)重，由此建立了油氣管道典型地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)體系。王磊[6]等專門研究了滑坡與管道常見位置關(guān)系及其相互作用機(jī)制，建立了力學(xué)計(jì)算模型并討論了相關(guān)影響因素對管道力學(xué)性狀的影響。李佳駿[7]等鑒于管道穿越地震帶所遭受荷載情況的復(fù)雜性，提出了建立應(yīng)力分析模型及邊界條件的簡化處理方法。李亮亮[8]等提出水毀災(zāi)害表現(xiàn)形式可分為漂管危害、懸跨危害、推移危害和撞擊危害4 類，分析了其各自的特征并提出相應(yīng)的防護(hù)結(jié)構(gòu)。吳迪[9]系統(tǒng)闡述了管道水毀的地質(zhì)環(huán)境條件、形成機(jī)理、發(fā)育類型及分布特征，提出了沿線水毀災(zāi)害評價(jià)方法體系。梅云新[10]結(jié)合馬惠寧輸油管道所處的自然環(huán)境、地形、地貌、地質(zhì)和水文氣象條件對管道所遭受的水毀災(zāi)害類型進(jìn)行了總結(jié)，提出有效的水工防護(hù)措施。但是目前關(guān)于西北地區(qū)油氣管道遇到的地質(zhì)災(zāi)害研究不是很多，本文將針對管道穿越西北濕陷性黃土的地質(zhì)災(zāi)害類型進(jìn)行闡述，并對一些現(xiàn)場災(zāi)害類型進(jìn)行分析。

2 西北地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型

由于西北地區(qū)全年雨量很少，但是雨量集中在7 ～9月份，導(dǎo)致濕陷性黃土極其易塌滑，同時(shí)溝道由于雨量的突然增大導(dǎo)致下切深度和側(cè)向侵蝕加劇，基于此管道常遇到的地質(zhì)災(zāi)害類型主要包括滑坡、崩塌、泥石流、黃土濕陷和水毀等5 類災(zāi)害。

2.1 崩塌對管道的危害

西北地區(qū)的濕陷性黃土，在雨季的沖刷下，黃土坡面被侵蝕，形成許多線狀的溝蝕，同時(shí)許多大大小的柱狀的落水洞，隨著雨水的不斷沖刷，溝蝕下切深度加劇，落水洞逐漸向下貫通，旱季時(shí)，坡面在陽光的暴曬下又會出現(xiàn)眾多的龜裂，進(jìn)一步加劇坡體的松散程度。雨季和旱季的來回交替、周而復(fù)始，臨空面的危巖體與母巖剝離開來，在重力作用下形成崩塌。崩塌對管道的危害大致可以分為兩類，一類是崩塌體撞擊地面形成巨大沖擊荷載，然后沖擊荷載再作用于管道及其周圍土體，致使管道被壓彎，埋深比較淺的情況下容易造成管道被砸斷，如圖1所示。另一類是崩塌體被剝離母巖使得管道出現(xiàn)懸掛的危險(xiǎn)，其形式類似于簡支梁，如果管道的懸掛跨度較大懸掛管道中部會出現(xiàn)嚴(yán)重彎曲變形，甚至發(fā)生折斷，如圖2所示。

圖1 崩塌體墜落沖擊管道

圖2 崩塌體墜落管道懸掛

2.2 滑坡對管道的危害

由于一些客觀原因，管道無法繞避必須穿越滑坡地區(qū)時(shí)，根據(jù)管道穿越方式與滑坡的滑動方向，分為橫向、縱向和斜向穿越三種方式，其中尤以橫向穿越危害最大，如圖3所示。

圖3 管道橫向穿越滑坡

圖4 管道被滑坡沖毀

圖5 滑坡滑落管道懸掛

以橫向管道為例，當(dāng)滑坡發(fā)生滑動變形時(shí)，滑坡的下滑推力將直接作用于管道，在滑坡蠕變期，下滑力相對較小，管道產(chǎn)生相應(yīng)的彎曲、剪切、拉壓等彈性變形；隨著變形的增大，坡體開始滑動，下滑力增大，管道變形將由彈性變形逐漸向塑性變形發(fā)展，最終管道被剪斷或者折斷，如圖4所示。另外一種情況如圖5所示，由于滑坡脫離母巖，管道出現(xiàn)懸掛的危險(xiǎn)，破壞形式大致與圖2所示的情況一致。

2.3 黃土濕陷對管道的危害

油氣管道采用大開挖直埋式，當(dāng)回填不夠密實(shí)造成的土質(zhì)疏松，再加上西北黃土的濕陷性，在暴雨情況下黃土的濕陷性表現(xiàn)的異常明顯，形成許多濕陷裂縫和細(xì)小的落水洞，極易造成地面的下陷，而且雨水的流動還會剝蝕地面松散的土質(zhì)。連續(xù)或周期性降雨條件下，裂縫不斷的向下延伸和向四周擴(kuò)大，最后裂縫之間相互貫通，造成地面塌陷，導(dǎo)致管道覆蓋層變薄或者外露，如圖6所示。

圖6 黃土濕陷示意圖

2.4 泥石流對管道的危害

泥石流是一種由大量液相（泥沙等）和固相（石塊等）構(gòu)成的特殊洪流，具有突然性以及流速快，流量大，物質(zhì)容量大和破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)。泥石流對坡面的破壞主要是下切侵蝕和溝岸侵蝕，西北地區(qū)坡面溝壑縱橫，大小沖溝不計(jì)其數(shù)，雨季泥石流爆發(fā)的時(shí)候，會沿著這些沖溝向下運(yùn)動，液相物質(zhì)會不斷的侵蝕沖溝，固相物質(zhì)會不停的撞擊沖溝，導(dǎo)致沖溝失穩(wěn)擴(kuò)大，沖溝逐漸變深變寬，最后各沖溝聯(lián)系到一起。一次次的泥石流使得坡面不斷的被沖刷，下切深度和寬度不斷的加大，管道距破面的垂直距離不斷的減小，覆蓋層厚度變薄，進(jìn)一步管道外漏，最終導(dǎo)致管道懸空，發(fā)展到最后管道被折斷，泄露造成不可逆的生態(tài)污染，如圖7所示。

圖7 泥石流侵蝕坡面

2.5 河溝段水毀災(zāi)害對管道的危害

2.5.1 河溝段水毀災(zāi)害主要作用方式

水毀災(zāi)害是長距離油氣管道沿線普遍

存在、發(fā)生頻率最高、危害巨大、貫穿全線的地質(zhì)災(zāi)害。河溝段水毀主要表現(xiàn)為下切作用和河岸侵蝕作用，如圖8和圖9所示。

圖8 河流下切示意圖

圖9 河岸侵蝕示意圖

河溝段的下切作用使得管道的覆蓋層不斷的變薄，若繼續(xù)沖刷下去會出現(xiàn)管道外漏甚至懸空，這時(shí)河流以及攜帶的卵石、漂石等就會持續(xù)的撞擊管道，導(dǎo)致管道出現(xiàn)嚴(yán)重的彎曲變形甚至斷裂。河岸侵蝕作用使得溝河不斷的變道使得凹岸處的管道覆蓋層被不斷的侵蝕，最終管道出現(xiàn)漂管、懸掛、推移等危害。

2.5.2 河溝段水毀災(zāi)害主要類型

由于河溝段的下切作用和河岸侵作用，水毀形式主要表現(xiàn)為漂管、懸掛、推移等3 類形式。

2.5.2.1 漂管危害

漂管是指采用大開挖直埋方式穿越河溝段的油氣管道，由于降雨水位高漲、各種沖刷和侵蝕等作用導(dǎo)致管道上覆土層不斷的被削方，最終由于覆蓋層厚度不夠管道外露出現(xiàn)漂管的現(xiàn)象。當(dāng)管道外露長度到某一臨界值時(shí)，管道將發(fā)生彎曲變形，若變形超過其屈服極限，將引起管道機(jī)械損壞，釀成事故。同時(shí)河溝水流的沖刷侵蝕不僅引起管道的裸露，而且其攜帶的砂卵石等將直接撞擊管道，甚至?xí)覕喙艿?，尤其?dāng)管道長距離裸露時(shí)，更容易出現(xiàn)事故，造成嚴(yán)重后果，如圖10 和圖11 所示。

圖10 忠武管道某河道漂管災(zāi)害圖

圖11 漂管示意圖

2.5.2.2 懸掛危害

漂管是指采用大開挖直埋方式穿越河溝段的油氣管道與河床面不直接接觸而出現(xiàn)懸掛的現(xiàn)象。當(dāng)水流的漩渦自激頻率與管道的固有頻率一致時(shí)，就會發(fā)生使管道破壞性的共振，為此要嚴(yán)格控制水下管道的懸空長度，避免發(fā)生共振。如圖12 所示，其中橫向振動對管道的影響較小，但是順向振動與管道固有頻率一致時(shí)會引發(fā)管道的共振，將會使管道出現(xiàn)剪切破壞。

圖12 旋渦引起的共振示意圖

2.5.2.3 推移危害

若油氣管道在河溝段埋深比較淺，短時(shí)強(qiáng)降雨（或者泥石流的等災(zāi)害）使得河水下切作用急劇增大，管道覆蓋層不斷被沖向下游，管道逐漸外露，在河水及其攜帶砂卵石沖擊下管道向下游方向彎曲，同時(shí)卵石、快石等不斷補(bǔ)充管道彎曲留下的空間，如此下去管道屈服位移不斷的增大，當(dāng)屈服變形達(dá)到管道極限強(qiáng)度時(shí)，管道會發(fā)生管損事故，甚至管道被折斷。

圖13 管道推移示意圖

3 部分實(shí)例分析

3.1 漂管危害

蘭成線甘肅某處輸油管道沿沖溝溝底走向鋪設(shè)，埋深約2m，實(shí)地考察時(shí)發(fā)現(xiàn)，溝底距地表面高度1.5m-2m，沖溝下切量較大，若沖溝繼續(xù)下切極易使管道外露造成破壞，如圖14 所示。

圖14 蘭成線某河溝段水毀

蘭成渝線甘肅某處輸油管道沿坡體走向，下穿河道，埋深2.0m，坡體未見明顯變形跡象，屬于穩(wěn)定坡體。河道由于雨水的匯集對溝底沖刷嚴(yán)重，下切速率快。如不及時(shí)采取措施，極易造成管道外露，危險(xiǎn)性高，如圖15 所示。

圖15 蘭成渝線某河溝段水毀

3.2 崩塌危害

蘭鄭長線蘭州某處輸油管道埋深1.5m-2.5m，與山體走向呈90°，山體坡度60°。埋管處兩側(cè)坡體表面雨水沖刷侵蝕嚴(yán)重，土體較為松散，為第四系大孔隙濕陷性黃土，坡面存在不同程度的落水洞，局部土體有開裂滑落等情況發(fā)生。坡腳處受洪水威脅，一旦爆發(fā)山洪對坡腳侵蝕嚴(yán)重極易發(fā)生坡體滑落、崩塌等災(zāi)害，對輸油管道存在極大威脅。坡腳處原有漿砌石擋土墻底部已被水侵蝕破壞嚴(yán)重，不能提供足夠有力支撐，需要立刻進(jìn)行加固，如圖16 所示。

圖16 蘭鄭長線某處崩坍

蘭成線某處輸油管道埋深1.5m-2.0m，管道距山體臨空面3m-4m，管道走向?yàn)轫樕襟w走向略有彎曲，坡腳處為一條省級公路。由于山體常年受雨水侵蝕，大型落水洞較多，有明顯開裂及山體滑塌現(xiàn)象，山頂較路面高30m，潛在崩塌體高度5-10m，長度30m，存在崩塌滑動雙重威脅。此處由于管道距開裂體較近，一旦崩塌或滑動管道容易外露或撕裂，此災(zāi)害點(diǎn)對管道危險(xiǎn)性高，亟待解決，如圖17 所示。

圖17 蘭成線某處崩坍

4 結(jié)語

隨著許多長距離的油氣管道的建設(shè)和運(yùn)營，其中管道遇到的地質(zhì)災(zāi)害正在不斷的引起人的認(rèn)識和研究，本文針對管道穿越西北濕陷性黃土地區(qū)所遇到地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行簡單的總結(jié)，并結(jié)合甘肅地區(qū)遇到的一些地質(zhì)問題進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）西北地區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害類型主要包括滑坡、崩塌、泥石流、黃土濕陷和水毀等5 類災(zāi)害，其中水毀最為嚴(yán)重；

2）水毀主要的作用方式包括河溝段下切作用和河岸侵蝕作用；

3）由于河溝段的下切作用和河岸侵作用，水毀形式主要表現(xiàn)為漂管、懸掛、推移等3 類形式。