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管道研究

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西气东输二线甘陕段水土流失原因分析

来源:中国石油西气东输管道公司甘陕管理处 作者:钱祖国 艾 虎 时间:2018-4-17 阅读:

摘 要: 本文主要分析了黄土地区西气东输二线甘陕段水土流失现状, 探讨了水土流失的主要产生原因, 重点剖析了水土流失引起的管道风险隐患, 并提出了相应的治理措施和建议。

关键词: 黄土地区、 水土流失、 原因分析

0 引言

黄土高原是我国多条长距离输油、 输气管道主要经过地之一, 西气东输二线(以下简称西二线) 就是其中一条, 西二线甘陕段部分穿越黄土高原, 甘陕段管线总长439.3km, 西起甘肃省庆阳市镇原县, 东至陕西省渭南市潼关县, 途径2个省、 6个地级市、 15个县区。 黄土高原水土流失极为严重, 对西气东输二线甘陕段管道运行安全造成巨大威胁, 本文分析了西气东输二线甘陕段管道沿线水土流失现状及其产生的主要原因, 并提出相应治理措施。

1、水土流失类型分析

根 据 水 土 流 失 产 生 的 动力, 可以将西气东输二线甘陕段管道沿线的水土流失类型分为水力侵蚀、 重力侵蚀和风力侵蚀三大类。

1.1 水力侵蚀

水力侵蚀是由大气降水及其所形成的径流引起的, 其可以进一步细分为溅蚀、 面蚀、 沟蚀和河沟山洪侵蚀4种, 西气东输二线甘陕段管道沿线水力侵蚀以沟蚀和河沟山洪侵蚀为主。溅 蚀 是 指 裸 露 坡 地 受 到雨滴击溅而引起的水土流失的现象。 裸露坡地受到较大雨滴打击时, 溅起土粒。 溅起的土粒落回坡面, 坡下比坡上落得多, 因而土粒向坡下移动, 在坡 脚 堆 积 较 多 , 形 成 “ 倒 土堆”, 坡面往往形成薄泥浆层,如图1所示。

 

面蚀是由分散的地表径流冲走坡面表层土粒的侵蚀现象, 凡是裸露的坡地表面, 都有不同程度的面蚀存在, 如图2所示。 面蚀严重的区域大多分布在管道爬坡地段, 面蚀易造成管道上方覆土的流失, 造成管道和光缆埋深下降, 目前采取的措施是在边坡坡面修建鱼鳞坑和恢复植被。

溅蚀易造成管道穿越边坡以及台田地边缘局部的坍塌, 严重时会造成管道裸露的发生。 目前治理措施是, 高陡边坡区域分级夯填, 形成梯田状, 管道穿越台田地边缘采用2:8灰土进行夯实, 修建椽帮堰。 溅蚀较严重地段采用修建浆砌石挡土墙的措施。 如图3、 4对梯田、 边坡修建浆砌石挡土墙防止溅蚀、 面蚀的发生。

埋沟蚀是指由汇集成股的地表径流冲刷、 破坏土壤及其母质, 切入地表以下形成沟壑的侵蚀形式, 又可以细分为浅沟侵蚀、 切沟侵蚀和冲沟侵蚀三类(见图5、 图6、 图7) 。

沟蚀易造成管道上方覆土严重流失, 严重情况下将造成管道和光缆裸露, 目前主要治理措施是坡面修建土质简易排水渠或者浆砌石排水系统。 加强坡面排水是防止沟蚀最有效的措施。 如图8、 9是切沟侵蚀治理。

河沟山洪侵蚀系指山区河流洪水对沟道堤岸的冲淘、 对河床的冲刷或淤积过程(见图10) 。 河沟山洪侵蚀多发生在管道穿越山区, 汛期的强降雨造成管道上方覆土大量冲刷, 管道和光缆埋深急速下降, 引起管道和光缆裸露, 目前主要治理措施是在管道穿越河沟道下游8米修建防冲墙, 防止河道的下切, 保证管道上方覆土深度。

对于河沟山洪侵蚀, 治理措施多种多样, 较为常见的为: 修建护岸引导洪水流向、 修建过水路面保护河床、 修建防冲墙防止河床下切等措施。 如图11所示河沟洪水侵蚀治理。

1.2 重力侵蚀

重力侵蚀是一种以重力作用为主的土壤侵蚀, 主要有泄溜、崩塌、 滑坡等形式。

重力侵蚀是天然气管道所面临的一项重要威胁因素。 重力侵蚀一般造成的隐患风险较大, 例如: 横坡铺设管道, 山体受重力侵蚀滑坡, 易造成管道断裂。 目前针对重力侵蚀采取的措施是坡脚修建浆砌石挡土墙、 防止坡面进一步下滑,坡面分层夯填, 形成梯田状,在坡面修建合理的排水系统。如图12所示治理措施。

1.3 风力侵蚀

另外, 由于西气东输二线甘陕段所处的地区还存在风力侵蚀, 风力侵蚀受季节性影响, 一般冬春季节较为严重。 冬季、 春季地表植被枯萎, 且甘肃、 陕西境内风力较大。 管道上方覆土受风力作用迁徙。 风蚀发生较缓慢, 短时间内无法察觉。 同时,几种土壤侵蚀往往交织在一起,使水土流失速度加剧。

2、水土流失形成原因分析

水土流失形成原因极其复杂, 分析西气东输二线甘陕段水土流失产生原因, 可以归结为自然因素和人为因素两个方面:

2.1 自然因素

自然因素是水土流失形成原因的一项重要因素, 依据水土流失类型的不同, 自然因素又分为气候因素、 地层岩性因素、 地质构造及区域地壳稳定性的影响因素、 水文条件影响因素和地形地貌因素等。

2.1.1 气候因素

西气东输二线甘陕段全部位于黄土地区, 其气候属于半湿润半干旱的大陆型气候, 干旱少雨, 冬季酷寒, 夏季炎热, 四季分明, 冬、 春季节多西北风, 最大风力10级, 风力一般在4—6级, 因此其不可避免地出现风力侵蚀, 尤其是在管道施工完成时间不长, 扰动黄土土体植被被破坏的情况下, 风力侵蚀形成的概率大大增强。

西气东输二线甘陕段所在区域平均年降雨量在400-700mm,但降雨多集中在 7、 8、 9三个月, 占全年降雨量的58%以上,且多以大雨、 暴雨形式出现。 据统计大雨、 暴雨平均每年在3-5次以上, 是境内产生以崩塌、 滑坡为代表的重力侵蚀的主要诱发因素, 同时大雨、 暴雨还使溅蚀、 面蚀、 沟蚀等水力侵蚀产生的几率倍增。

2.1.2 地层岩性因素

西气东输二线甘陕段所在区域表层覆盖第四纪风积黄土, 是典型的粉砂沉积物, 粉粒占黄土总重量的50%, 结构疏松、 富含碳酸盐、 孔隙度大、 透水性强、遇水易崩解、 抗冲蚀性弱。 特别是容易发生溅蚀、 面蚀和沟蚀,坡面形成浅沟、 切沟和冲沟概率较大; 黄土抗剪强度 值一般在15°—25°, C值往往在0.03-0.06MPa, 且随含水率增加, 抗剪强度显著降低, 使其边坡极易发生泄溜、 崩塌、 滑坡等重力侵蚀。

2.1.3 地质构造及区域地壳

稳定性的影响因素

西气东输二线甘陕段所跨越的断裂自西向东主要有花所断裂、 玉都断裂、 纳河断裂等; 新构造运动在区内有明显反映, 主要表现为早白垩世以后地壳的抬升, 塬体破碎, 河流发育, 使塬体边缘及其下部沟谷流水深切,为滑坡、 崩塌等重力侵蚀形成了位移条件; 同时所在区域处于鄂尔多斯西南地震带, 据资料记载, 裂h度大于4.7度的地震有30次, 有6次地震震害较大, 很明显, 强烈的地震可以使黄土斜坡失稳、 解体、 脱离母体, 为滑坡、 崩塌形成产生了有利的条件。

2.1.4 水文条件的影响因素

西气东输二线甘陕段水系属黄河流域, 主要河流为黄河的一级支流渭河以及渭河的一级支流泾河, 其中泾河最大洪水流量达到4000m3/s(1996年7月26日) , 非洪水期河水清澈, 洪水期河水浑浊, 年平均泥沙含量68.6㎏/m3, 年平均泥沙输出量1729×104m3, 从此可以反映出西气东输二线甘陕段管道沿线植被稀少, 对降水径流的抑制作用较弱, 也为河沟洪水侵蚀创造了有利条件。

2.1.5 地形地貌因素

西气东输二线甘陕段管道沿线主要经过陇东黄土高原、 渭河谷地、 关中平原三个地貌单元,几乎全部被黄土覆盖, 黄土塬被流水切割, 形成残塬、 梁、 峁和沟川等不同地貌形态, 在关中平原, 被流水切割成平原和黄土大冲沟两种形态, 致使地形高低起伏, 沟深坡陡, 管道穿越大小河流30次, 穿越沟渠206处, 33条大冲沟, 加上开挖黄土土体扰动后, 压实系数不够, 极易形成水土流失。 再加上管道穿越地区局部高低落差, 管道运行后管沟沉降, 大量雨水汇集到管沟处, 在管沟处形成大型落水洞、 塌陷等问题。

2.2 人为因素

半个世纪以来, 随着科学技术的飞速发展, 人类活动的广度、 深度和能量越来越大, 越来越频繁, 特别是上世纪60-70年代人口增长, 毁草垦荒, 广种薄收, 造成了生态失调, 西气东输二线甘陕段所在区域, 在经历上世纪50年代中后期和60-80年代两次人类活动活跃期的摧残后,生态十分脆弱, 水土流失十分严重, 总体来说, 主要有以下四个方面对水土流失影响深重。

2.2.1 垦荒造地

垦荒造地, 破坏了原有的林木、 草地、 使土地的持水能力下降, 降水下渗, 岩土体裸露, 风化作用加强, 特别是大范围地修水平梯田及引水灌溉, 是造成水土流失的重要原因之一, 不过进入本世纪以来, 随着国家退耕还林政策的实施, 植被逐步恢复, 此种影响因素减弱。目前西二线甘肃段管道穿越地区, 甘肃省正在规划梯田建设任务, “十二五”期间, 甘肃省将规划750万亩的梯田建设任务。梯田建设, 增加了坡面蓄水面积, 同时农作物的大量种植也减少了水土的流失。

2.2.2 道路建设

道路建设, 开挖坡体, 使坡体变陡, 破坏了斜坡的稳定性,造成滑坡、 崩塌的大量产生, 从而使水土流失加剧。 近几年来,随着经济发展, 村村通建设, 给管道巡护工作带来了便利, 但道路建设给管道保护造成负面影响: 改变原地表水流运动通道,尤其是地表径流被路面拦截, 使径流更加集中, 不但冲刷路面,而且通过路面运移原坡面开挖后重力侵蚀产生的大量堆积物,从而使水土流失加剧; 同时开挖破坏原有坡面力学平衡条件, 严重时使原有坡面失去支撑, 为泄溜、 崩塌、 滑坡等重力侵蚀创造了有利条件; 另外, 当道路通过支、 毛沟沟头部位时, 还会有一定的填方, 填方形成新边坡, 也使水土流失加剧; 最后修建道路时损坏植被, 引起局部生态环境改变。

车辆在道路上行驶时, 会扬起大量灰尘, 这些灰尘沉积在植物叶面上会使植物光合作用减弱, 影响周围植物生长, 尤其对西气东输二线甘陕段管道经过的黄土地区这种作用更加明显。

2.2.3 窑洞建造影响

西气东输二线管道经过区域具有居住黄土窑洞与窑庄的生活传统和习惯, 虽然, 随着社会进步, 经济发展, 窑洞的居住方式逐渐减少, 但是开坡建窑, 使坡体应力重新分布, 坡体稳定性变差。

西二线甘陕段管道穿越地区废弃窑洞较多, 由于缺少维护, 部分出现坍塌。 西二线灵台段管道穿越桩号BO007和BO023处就曾出现因废弃窑洞坍塌引起管道边坡崩塌。

2.2.4 管道建设遗留问题影响

在长输管道敷设时, 大部分地区采用的是管沟开挖, 西二线管径1219mm, 顶面埋深1.2m, 因此施工开挖深度至少在2.6m, 开挖断面形状为梯形,在平原区, 管沟开挖在6m以上, 加上施工机械设备通行、管材运输以及开挖土方堆放,管道敷设对地表的直接扰动至少在30m以上, 在山区和丘陵区,扰动范围更大, 图13、 14是施工后土体扰动情况。

对于高陡边坡施工后管沟回填土体, 根据有关规范要求, 在上部无承载条件下, 压实系数应大于0.85, 坡比应大于1:1; 且应在回填体中部修筑大平台(戗台、 马道) , 以稳定坡体。 由于种种原因, 西二线甘陕段许多高陡边坡管沟回填土体均未按照此要求进行回填, 致使沉降裂缝、 落水洞分布较多, 且部分高陡边坡出现土体泄溜现象。 目前, 管道建设单位和运行单位正在积极对管道沿线植被进行恢复, 希望通过植被恢复防止水土流失的进一步发生。

2.2.5 管道沿线资源开发对管道的影响

西二线甘陕段管道经过地区受其经济活动如采砂、 采石的影响, 其对管道敷设地段水土流失的影响更加强烈。 采石采砂引起管道穿越地区自然环境改变, 严重采石引起山体滑塌, 严重情况会引起管道断裂,采石也造成管道穿越区域水土流失加剧。 如图15。

近年来, 随着资源勘探的开展, 管道沿线资源开发力度加大, 如: 麟游县境内煤炭开采施工, 甘肃省镇原县境内中石化石油勘探施工等项目对管道沿线自然环境影响较大,加剧了管道穿越地区的水土流失。 同时爆破和油井建设引起剧烈震动, 对管道穿越地区的边坡区域土质稳定性也会造成影响。

3、结论与建议

西二线高压天然气管道是国家能源战略的一项重大工程, 承担着重要的供气任务。近年来, 地质灾害对管道威胁的事件时有发生。 尤其是甘陕段管道地处黄土地区, 水土流失严重, 地质灾害频发。 本文系统的分析了西二线甘陕段管道沿线水土流失的现状、 剖析其原因, 通过分析识别侵蚀的类型, 并因地制宜的提出了相应的治理措施和意见。 结合目前西二线甘陕段黄土地区水工治理工程运行状态, 文中提出的治理措施对管道穿越地区水土流失问题起到了一定的缓解作用。

管道穿越黄土地区的水土流失治理工作是一项长期艰巨的任务, 科学的分析管道沿线水土流失问题能对今后的工作起到很好的指导性作用。对于水土流失问题追根溯源,从根本上进行治理, 能够避免防止地质灾害的发生, 保证我国这条能源大动脉的安全平稳运行。 ◢

参考文献

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5. 钱祖国、杜波等. 黄土地区油气管道工程地质灾害防治措施施工技术规范,中国石油天然气集团公司企业标准,2010年12月发布。

《管道保护》2012 年第 4 期(总第 5 期)

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