输油气管道黄土地区环境工程地质问题及对策

【摘要】长庆油田主产区所处的区域主要为陕甘宁黄土高原地区，该区域黄土分布面积广,厚度大,存在陷穴、冲沟与河流侵蚀、滑坡、滑塌及崩塌等诸多环境工程地质问题,严重影响着油田长输油气管道的建设与安全运营。在分析环境工程地质问题形成机理的基础上,提出了相应的防治措施。
　　【关键词】管道环境工程地质对策
　　长庆油田主产区所处的区域主要为陕甘宁黄土高原地区，该区域黄土分布面积广、厚度大,地貌形态以梁、峁和沟壑为主,其次是黄土塬和黄土平原,该区域土壤侵蚀十分严重,陷穴、冲沟、河流侵蚀、滑坡、滑塌及崩塌等不良地质现象对油田长输油气管道的安全运营构成了潜在的威胁。
　　一、环境工程地质问题
　　黄土存在大孔隙、垂直节理、立壁性强及抗冲蚀能力差的缺点,按其生成年代可划分为新黄土和老黄土,其中新黄土为晚更新世马兰黄土和全新世黄土,分布在河谷Ⅰ、Ⅱ级阶地(一般为全新世黄土)或梁、峁、塬的表层(马兰黄土),土质结构松散,强度低,变形大,具有湿陷性。老黄土为早更新世午城黄土和中更新世离石黄土,主要分布在河流Ⅱ级以上阶地表层或在梁、峁、塬部位,在马兰黄土之下,由于成岩作用时间久,其强度高,变形小,所以离石黄土
　　的湿陷性一般已消失,但在较大压力下才会表现出湿陷性,午城黄土的湿陷性已完全退化消失。长输管道工程在黄土地区所遇环境工程地质问题主要发生在从地面至地下约10~15 m深度范围内的表黄土中,局部为老黄土中的离石黄土。常见的环境工程地质问题有以下几种。
　　1．陷穴发育部位有可能发生露管陷穴由入渗水流的溶解、潜蚀以及黄土自身的湿陷作用共同形成。在坡面径流集中部位,地下水的入渗使黄土中的易溶盐逐渐溶解,失去了其胶结作用,由于渗透水流带走了胶体粘土微粒,造成了潜蚀空洞。当下渗到不透水或弱透水层时,就汇集成地下水流,随后逐渐横向发展 ,形成通至沟谷壁或陡坎壁的陷沟。陷穴通常发育在黄土梁、峁和塬边缘的坡肩处,或宽阔冲沟的阶梯状沟床近陡坎部位。长输管道经过陷穴发育部位时,易被雨季汇流的水流冲出,导致输油气管道暴露。
　　2．冲沟和河流侵蚀使穿越管道易被冲出或冲断降雨时,雨滴直接打击土体,土体被击碎,离散的土粒或土块随溅散的雨滴跃起散落四周,地面的薄层水流向低洼处汇集,对地面产生不均匀的侵蚀,形成了深度和宽度在几厘米或几十厘米的细沟。细沟无固定汇水面积,呈网状分布。细沟经逐渐侵蚀扩展,就变成了深度和宽度为几十厘米乃至1~2 m的浅沟;也可能形成深度为10 m,宽度为几米甚至几十米的切沟;或者深度为十几米至几十米,宽度为几十米甚至上百米的冲沟。沟床下切、谷坡扩展和沟头前进是黄土浅沟、细沟、切沟和冲沟等各类沟谷共有的侵蚀方式。沟床下切过程也是沟床纵剖面的塑造过程,水流汇集到一定量后,首先发生下切侵蚀,同时伴有侧向侵蚀,受水流最小耗能原理支配,沟床呈现出一条起伏不平的阶梯状曲线。谷坡扩展是由于沟床不断下切和侧蚀,谷坡的相对平衡受到破坏所致。滑坡、滑塌及崩塌可导致谷坡的迅速扩展。沟头前进是我国黄土地区最活跃的沟谷侵蚀方式,大暴雨径流期间常常在沟头形成瀑布,在陡崖下方冲蚀成潭穴,使陡崖迅速崩塌后退。小暴雨径流期间,水沿崖面掏蚀,使陡崖面向内凹进,并引起凹部上方土体滑塌或崩塌,沟头作弧形扩展前进,埋于沟头前方的管道,极易被雨季汇集的水流冲出,穿越黄土各类沟谷的管道易被雨季水流冲出或冲断。当洪水来临时,水流速度与紊流强度迅速增大,携带泥沙的能力急剧提高,此时洪水中的泥沙含量往往小于携沙能力,因而连续冲刷河床,补充水流含沙量,逐渐形成滞后于洪峰后的一个含沙量高峰。由于各种因素的影响,顺直河道水流的深泓线会发生摆动,出现偏向于某一边岸的侧向侵蚀和垂向侵蚀,与此同时,另一岸则接受堆积,在这种情况下,受侵蚀的一岸因被淘刷而发生崩塌,后退移动,而另一岸因接受堆积而前进,这种侧向侵蚀与垂向侵蚀常常是往复式的,使得穿越河流的管道极易在河流的侧向侵蚀与垂向侵蚀中被冲出,甚至冲断。在宽谷中,由于泥流携带泥沙,比重大,对河床碎屑颗粒搬运能力成倍增长,从而刨蚀河床与岸坡,破坏水工建筑物。在狭窄的Ⅴ形谷中,因坡降大,并受到左右空间局限,泥流的刨蚀与破坏作用很大,穿越沟、河的管道如遇到泥流时,更易被冲出甚至冲断。
　　3．滑坡滑塌和崩塌危及近距离埋地管道的安全滑坡是指斜坡上的黄土体在重力作用下,沿着一定的软弱面整体向下滑动,而滑动土体内部的相对位置没有发生明显的改变,造成滑坡的原因除了与地质构造因素有关外,主要是雨水的渗入,增加了土体重量,降低了软弱结构面的抗剪强度,其次是冲沟、河流或人为影响,侧蚀了坡足。滑塌的活动过程是土体在斜坡或陡坡处先向下滑,由于地形高差大,地面坡度陡,下滑土体不能在斜坡上停留而继续向下运动,出现了土体破碎甚至翻转现象。崩塌是黄土地层受流水下切侵蚀,在冲沟或河流陡岸形成临空面以后,卸荷裂隙发育,土体破碎,多以垂直节理为软弱结构面,由于基部土体被流水掏蚀以及暴雨期或雨后不久剩余基部土体吸水软化,陡岸上部土体向下坡倾倒或倒塌。滑坡可使近距离埋地管道出现裸露,也容易使滑动土体内部埋设的管道出现裸露,甚至扭弯、拉断。滑塌、崩塌也可使近距离埋地管道出现暴露。当管道穿越冲沟与河流,边岸的滑塌、崩塌可使埋地
　　管道发生裸露或被冲断的危险。
　　4．上游桥梁和水库等水工建筑物对先期穿越河流管道构成威胁河流中的桥墩可导致河道局部变窄,造成下游在有限距离内水流速度和紊流强度提高,这样水流冲刷河床形成局部冲刷坑,冲刷起来的泥沙被冲到下游一定距离便沉积下来,对先期穿越河流的管道构成一定的威胁。拦河而建的水库对流水起到调节和卸载泥沙的作用,当汛期大流量放水时,对下游较长距离内的河床可产生冲刷,增大了原河道的冲刷强度,对先期穿越河流的管道同样构成威胁。
　　二、解决环境工程地质问题的主要措施
　　1、精细选线
　　在管道未建之前,首先要进行选线,这样可避免环境工程地质问题的出现,使管道的受损程度降到最小,选线的原则如下。
　　(1)黄土塬、梁、峁地段选线：
　　应选择坡体稳定、排水条件较好的地段,避免地形凌乱、沟谷深切地段,管道的上下边坡应尽量垂直坡面等高线展布或顺着梁、峁脊部展布,一般情况下不应倾斜于等高线展布。
　　(2)地表水富集地段的选线：
　　管道通过黄土地区拟建水库地段时,应考虑水库可能的溃坝、塌岸影响及蓄水后引起的周围工程地质条件变化等,避免管道与长大干渠近距离并行。
　　(3)新构造运动强烈地段的选线：
　　管道应尽量避开这一地段,必须通过时,应以较短的距离并采用简易工程(即沟埋敷设)通过,避免采用隧道、跨越等工程方案。
　　(4)冲沟和河谷地段的选线：
　　应利用河流宽谷阶地展布管道。管道穿跨越沟河时,选择沟、河床下切缓慢,沟、河顺直,岸坡稳定的地段通过,应避开谷坡凌乱地段。
　　(5)滑坡和滑塌地段的选线：
　　管道遇到滑坡、滑塌地段应考虑绕行。
　　(6)黄土隧道地段的选线：
　　隧道口应选择在山体稳定、地表排水条件较好的山坡;洞身应选择在塬、梁顶面平整或地形凸起地带,应避免在坡体凌乱、塬边缘或塬顶有封闭洼地地段通过。 (7)黄土沟梁相间地段的选线
　　将深挖与隧道、高填筑堤等工程方案进行比较,择优采用。
　　2．沟头防护工程
　　当沟头上部集水面积大而来水比较多时,可采用排水式沟头防护工程或跌水沟头防护工程,即在沟头上部修筑引流槽,在沟头陡坡地段修筑挡土墙及泄流槽。当沟头上部来水较少时,可采用蓄水式沟头防护工程,即沿沟头边缘修筑一道或数道水平弧形沟埂,拦蓄上游坡面径流,也可采用截流沟阻断径流。截流沟适用于坡度小于25°的坡地,间距一般为10~30 m,由水平沟、沟边土塄与沟间斜坡组成。通过分阶段滞留降雨来水,有效地减小地面径流,加强降雨入渗,从而削弱片流的冲刷强度,在水平沟汇集雨水,土壤墒情较好的情况下,可以栽植需水量较大的乔木,斜坡植被以灌木为主作用是稳定地表土体,。在沟边土楞上,草本植被比较合适,既不破坏土体完整性,又为土体加了筋。截流沟也可作为护坡工程,垂直管道布设。
　　3．深埋、抛石和修筑淤土坝抵御沟、河垂向下切当管道穿越沟、河时,应深埋于历史最大冲刷深度以下至少1 m,沟、河床与岸坡经人工挖填扰动后,其稳定性受到影响,应在沟、河床稍下游处进行抛石护底,抛石时可采用石笼或散石两种,石笼就是通过一定的骨架材料丝(如铁丝、荆巴与竹子等)编成笼子,内填石块而成,石笼稳定护管适用于水流速度较高的情况,一般在流速为4~5 m/s的河流中,可以有效地发挥作用,大的铁丝石笼可以抵御6m/s的急流。抛石应具有连续性,避免引起局部沟、河床未抛部分的冲刷,抛石厚度不宜过大,避免引起新的沟、河床形态变化。淤土坝实际是垂直埋设于沟、河床中的潜坝,一般由砂浆砌石构成,基础埋置于历史最大冲刷深度以下至少1m,顶端与沟、河床面平齐,如果增加淤土坝的高度,使其由潜伏变为突起,则“淤土坝”的概念就发生了改变,而称为“谷坊”。谷坊只用于冲沟,
　　既有拦蓄泥土,防止沟床下切,又兼具防止沟岸扩展与滑塌或崩塌的作用。谷坊的高度一般小于3m,按其材质有土谷坊、石谷坊、混凝土谷坊及柳谷坊等。多年以来,凡是被洪水及泥流垂向冲出或冲断的输油气管道,绝大多数是由于穿越段埋深不够造成的,只有少数管道是由于后期上游修建桥梁、水库或下游人为挖沙,导致局部下切,出现变形的。
　　4．抛石、砌石和修筑丁字坝抵御沟、河横向摆动为了施工方便,管道穿越沟、河时,一般采用弹性敷设自然弯曲抬升,采用这种方法,沟、河两岸陆地上的管道埋设标高要远大于沟、河床深槽处管道的埋设标高,一旦沟、河岸发生摆动和沟、河漕移位,原管道弹性敷设爬升段就会暴露于新的沟、河槽内,严重的可能被冲断,另外,平行于沟、河埋设的管道也有类似的情况发生,当边岸不断冲刷后退,原埋设管道的位置逐渐变为新的沟、河槽,导致管道外露。护岸工程包括抛石、砌石和丁字坝,作用是为了防止边岸坡脚进一步遭受冲刷以及由此引起的边岸横向摆动。抛石施工完成后,块石坡脚尚未冲刷以前,由于块石分布不可能均匀紧密,在水流作用下有一个自行调节的过程,当坡脚为水流冲刷时,护脚块石首先向深槽方向下滑,在坡度较缓或深泓处停积下来,与此同时,其上的块石在水流继续掏刷下持久地、间歇地向坡下滑动,重新覆盖被冲刷的坡脚,因此,往往需要多次反复抛石,通过水流连续冲刷调整,才能形
　　成较为稳定的防护面。砌石就是直接在被冲刷的沟、河岸边用水泥砂浆整齐的将块石砌好,以阻止水流对沟、河岸边的冲刷侵蚀,砌石基础应埋置于历史最大冲刷深度以下至少1m。丁字坝适合于建在被冲刷的沟、河岸上游位置,具有挑流的作用,改变水流原来的流动方向,可减弱水流对沟、河岸的冲刷,间接达到保护沟、河边岸的目的,丁字坝的基础埋深与砌石的基础埋深相同。护岸工程建设应注意以下问题。(1)护岸高度。如果洪水水位超过了护岸工程
　　高度,水流会通过漫顶形式在护岸工程背部进行淘蚀,使沟、河边岸稳定性变差。(2)基础的稳定性。砌石和丁字坝除了自身具有一定强度外,要求其基础一定要稳定,这就需要选择好地基持力地层,设计好基础埋深及其结构。
　　5．斜坡固定工程可防止斜坡的滑动与滑塌斜坡固定工程包括植物护坡、挡墙、抗滑桩、削坡、排水工程及护坡工程,可用于预防斜坡的滑动和滑塌(如加固管道跨越塔架处斜坡的稳定等),也可用于已经发生滑动的滑坡土体的治理。植物护坡包括坡面防护林、坡面种草等措施,作用是阻止地表片流对坡面的冲刷。挡土墙主要用于防治崩塌、小规模滑坡及大规模滑坡体前沿的再次滑动。抗滑桩是穿过滑坡土体并将其固定在滑床的桩柱,根据滑坡体的厚度、推力、防水要求和施工条件,选用木桩、钢桩、混凝土桩及钢筋混凝土桩。削坡主要用于崩塌和中小规模的滑坡,以减少滑坡体的体积,降低其滑动力,当斜坡高度较大时,削坡常分级进行,一般呈阶梯状。排水工程可减免地表水和地下水对坡体稳定性的影响,排除地表水工程主要包括防渗工程(如整平夯实和铺盖阻水等)与排水沟工程,排除地下水工程包括渗沟、明暗沟、排水孔、排水洞及截水墙等,其作用是排除和截断渗透水流。护坡工程是对坡面进行加固,防止崩塌,常见的形式有干砌石、浆砌石、混凝土喷锚、柳条堤及格状框条护坡等。
　　6．地基处理增强黄土脆弱地带的稳定性高原黄土的脆弱地带为倾斜边坡、断梁、窄梁、
　　陡坎及陡崖等,管道经过时,可采用以下方法对地基进行处理。首先将管沟底部一定深度内的黄土翻松,在最优含水量条件下,将翻松的土夯实;其次在夯实的管沟底部,做夯实2∶8灰土垫层,厚度为30~40 cm,管道居中铺设其上;最后将管沟用原土分层夯实回填,回填高度应略高于原始地表,以利于排水防渗。管道通过缓坡时,地表应设置一定数量的挡水土埂,该挡水土梗一般间距为7~15m,与管道的最小夹角为12°。对于陡坡地段,可根据边坡的坡度和长度,由上
　　至下,每间隔一定的距离(8~10m)设置2∶8灰土短桩(或截水墙),两桩之间管沟沟底应做好垫层,原土回填时应分层夯实,夯实回填质量控制在压实系数大于0.9。另外,长输管道的附属站址地基,应根据建筑物的附加应力、黄土的湿陷类型与等级按相关规范进行处理。黄土属于特殊性土,其自身特性、所处环境及人为影响,决定了其不良地质现象的多样性、多发性,也影响了长输管道的建设与安全运营,构成严重的环境工程地质问题,正确分析具形成机理,够制定相应的防治对策,对于管道建设与安全运营具有现实意义。