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管道研究

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兰郑长输油管道斜井病害整治方案

来源:《管道保护》杂志 作者:李巍 王林 潘志远 赵增琳 娄斌 马霖 时间:2018-7-21 阅读:

李巍 王林 潘志远 赵增琳 娄斌 马霖

中石油管道西安输油气分公司


摘要: 通过对兰郑长陕西段输油管道26处斜井病害基本特征、 成因分析以及对斜井病害整治方案进行论证, 综合提出斜井病害整治方案: 斜井井内采用黄土泥浆灌填稳固管道, 采用二八灰土分层夯实回填封堵斜井上、 下井口防水止水。 通过黄土泥浆配合比现场试验及斜井大面积施工取得的良好效果, 验证了斜井病害整治方案的可行性、 经济性及安全性。 总结斜井病害整治施工中的两大关键工序及黄土泥浆灌浆的四个关键点, 并提出存在的主要工程地质问题, 为此类斜井病害整治作了有益的探索。


引言

兰郑长输油管道横跨我国中西部五省69个县市, 主要穿越黄土塬、 梁、 沟壑地貌区, 地形起伏较大。 在兰郑长输油管道建设中, 采取斜井开挖法开挖管沟和溜管穿越法安装管道相结合的斜井穿越法进行管道施工, 成功地解决了在地势陡峭的黄土梁上进行管道施工的难题[1-3]。 该方法避免了传统的“大开挖”方法对坡面环境与植被破坏大、 施工进度缓慢及施工土方量过多等问题, 并且克服了在坡度较大的黄土边坡和冲沟等黄土地区地貌恢复、 水土流失和水工保护的困难 [4]。

由于受黄土地区水文、 地质和施工工艺等诸多因素的影响, 管道沿线的斜井工程不同程度的出现了病害, 可能导致管体发生弯曲或管体局部应力集中发生疲劳受损, 甚至可能发生斜井所在边坡失稳, 严重威胁到输油管道的安全营运。

斜井病害基本特征

在兰郑长输油管道斜井踏勘调查, 结合26处斜井施工过程资料调查, 可总结出兰郑长输油管道斜井病害主要具有以下基本特征: 1、 斜井内未填充, 井内管周均为空洞, 管道和光缆均处于“裸露”状态。 2、 井内管道局部悬空、 有摆动。 3、 斜井上、 下井口均未采取有效的防水止水措施, 地表水顺管沟流入井内, 导致斜井井底、 井壁遭受水流侵蚀, 井内壁垮塌。 4、 斜井上、 下井口地表出现塌陷坑、 落水洞, 管道直接裸露地表。

斜井病害成因分析

1、 井周黄土特殊性质。 首先, 黄土具有点棱接触支架多孔结构及湿陷性, 黄土颗粒胶结主要靠碳酸钙, 可被慢慢溶解, 水易于渗入其与土粒的接触面, 故黄土遇水易于碎裂、 崩解。 另外黄土在堆积加厚过程中受重力的影响, 垂直管状孔隙造成黄土垂直节理发育。

2、 斜井开挖后, 所在黄土边坡土体原始应力得到一定程度上的释放, 而其内部未进行回填,且亦未进行衬砌支护。

3、 斜井上、 下井口均未采取有效的防水止水措施, 而且井口周围大多为农耕地, 造成地表水冲刷、 淘蚀斜井井壁、 底, 导致斜井井内管道悬空。

4、 输油管道内输送的原油具有较大压强和重度, 可能导致管道发生弯曲或管体局部应力集中发生疲劳受损、 断裂灾害。

斜井病害整治方案论证

通过对兰郑长输油管道斜井病害基本特征及病害成因分析, 可以看出, 斜井病害整治的关键原则有三点: 1、 整治措施所用材料对管道不能有腐蚀性; 2、 斜井内为空洞, 管道局部悬空, 必须稳固管道, 对空洞斜井填充密实, 防止管道摆动、 损伤, 甚而断裂, 造成漏油污染生态环境;3、 斜井上、 下井口封口必须具有防水止水功能,能有效拦截井周地表水流, 确保地表水流不流入斜井井内。

遵循以上原则, 综合分析比较, 确定斜井病害整治方案: 斜井井内采用掺加外加剂(腐植酸钠、 水玻璃) 的黄土泥浆灌填悬空管道的四周用以稳固管道, 斜井上、 下井口管道四周均采用二八灰土分层夯实回填, 其顶部铺设防水土工布止水, 形成“止水塞”结构, 表部采用原耕植土复耕。

为验证方案的可行性, 四川省地质工程勘察院进行了黄土泥浆配合比现场试验及斜井试点施工。

根据黄土的特性, 黄土泥浆是采用试验场地附近的天然黄土、 水和适量的外加剂拌和而成的流体。 所需的外加剂选用腐植酸钠和水玻璃。 腐植酸钠(HA-NA) 极易溶于水, 在浆体中用作降粘、 降滤试剂, 可增加浆体的流动性; 水玻璃作为外加剂时可提高材料的强度, 提高浆体硬化速度。 黄土泥浆呈流塑——软塑态, 不会对管道造成损害。 黄土泥浆凝固后具有较好的强度, 管道将处于均质柔性环境中, 近似于原黄土, 可有效达到稳固管道防止其摆动的目的。

流动试验和固结试验结果表明, 当黄土泥浆含水量不超过27%时, 泥浆流动性较差, 基本不能流动或流动缓慢, 无法满足对斜井灌注要求。当黄土泥浆含水量大于30%时, 泥浆流动性好,但在固结过程中析出的水较多, 固结时间较长。而介于前两者之间的泥浆流动性较好, 固结过程中析水较少, 固结4天(96小时) 后具有一定强度。 也就是说, 含水量28~30%的黄土泥浆流动性及固化效果均较好, 能够满足斜井灌注要求。黄土泥浆的配合比建议值: 黄土68%、 水28%、水玻璃1%、 腐植酸钠3%。

试点斜井施工完两个月后挖开试点斜井下井口检查黄土泥浆与管道、 井壁黄土接触情况, 发现斜井内部黄土泥浆充填密实, 与四周的斜井井壁及管道均接合良好, 未发现有收缩缝存在, 同时泥浆并未完全固化, 略具弹性, 呈硬塑状。 说明黄土泥浆在斜井内部的固化时间相对较长。 造成这种现象的原因主要是因为斜井内部空间为密封状态, 黄土泥浆在固结过程中析出的水分完全依靠斜井四周土体自然吸收, 当土体吸收的水分达到一定程度时, 其吸水能力便会减弱, 同时密封空间内的温度较低, 黄土泥浆的固化时间便进一步延长。 可以推测, 随着时间的增长, 管道周围的黄土泥浆强度会逐渐增大, 管道的稳定性得到了极大的保证。

综上可知, 采用黄土泥浆灌填病害斜井稳固管道, 采用二八灰土分层夯实回填封堵斜井上、下井口防水止水的斜井病害整治方案可行, 既经济又安全。

斜井病害整治的工程实践

1、 兰郑长输油管道主要穿越坡度较陡的黄土陡坎时选择斜井穿越法, 主要采用人工开挖斜井。 斜井长度20~250m不等, 坡度15°~35°, 斜井断面上部为半圆形, 下部为矩形, 其形态似拱形门, 高度1~1.5m, 宽度0.9~1.8m。

斜井病害整治施工一般工序: 做好病害斜井上、 下井口周边临时排水的前提下以台阶形式打开斜井上、 下井口, 采用井下摄像或其它可视系统探查斜井内部垮塌黄土堵塞情况(根据实际情况选择性使用) ; 如存在堵塞情况, 进行水力通井工作。 如水力通井无法贯通斜井, 则采取在斜井中部开挖竖井或斜井或水平井等对病害斜井分段进行水力通井; 确保斜井畅通后, 采用二八灰土对斜井下井口分层夯实回填直至封口。 按试验配合比拌制黄土泥浆, 并从上口灌注黄土泥浆;灌注过程中密切观察并记录黄土泥浆在井内的流动情况及摊铺过程, 并据此及时调整黄土泥浆配合比, 满足灌注充实的要求。 灌填完毕后采用二八灰土对斜井上井口、 竖井、 斜井和水平井井口分层夯实回填封口, 铺设防渗土工布, 并做好地表地貌恢复工作。

2、 施工质量控制两大关键工序

关键工序一: 斜井上、 下井口的开挖按0.5m×0.5m台阶形式从地面向下开挖, 使斜井井口下口顺管道方向长4m, 垂直管道方向长3m。斜井井口地面开挖尺寸根据管道具体埋深确定,开挖深度至管底0.5m为准。 确保井口采用二八灰土分层夯填形成的“止水塞”能完全封堵斜井井口, 有效拦截地表水及顺管沟的潜流。

关键工序二: 经斜井整治工程施工反馈,将黄土泥浆的基本配合比调整为: 黄土65%、 水28%、 水玻璃4%、 腐植酸钠3%。 但各斜井长度、 坡度、 黄土性质及施工气候等均不同, 灌浆时实际黄土泥浆配合比应根据黄土泥浆配合比现场试验及现场实际情况调整确定。 黄土泥浆原则应保证泥浆呈流态, 能顺利往下输送, 使其与井壁及管道紧密结合, 确保其固结后与井壁及管道均能紧密接触, 达到稳固管道的工程目的。

黄土泥浆灌浆的四个关键点

关键点一:拌制质量。 黄土过筛筛孔大小, 水玻璃、 腐植酸钠质量, 拌制顺序, 拌制均匀度等均影响黄土泥浆拌制质量。

关键点二:浆液配比。 浆液的配比应参考设计配比, 但应根据各斜井现场浆液配比试验进行合理调整配比。 其稀稠度应考虑斜井的长度、坡度、 施工季节气候及拌料的技术参数等, 以确保拌制浆液既能顺利流入斜井井底, 又不至于浆液过稀对斜井下井口井底压力过大而导致漏浆或胀底现象发生。

关键点三:一次灌浆量。 斜井一般较长,坡度一般大于20°, 井壁均为原生黄土, 斜井下井口埋深一般2-5m, 灌浆后对斜井下井口压力较大, 故应控制一次灌浆量。 原则上一次灌浆长度不超过10m, 坡度较大时不超过5m。

关键点四:间歇时间。 黄土泥浆凝结时间较长, 施工过程相对较短, 现场黄土泥浆试验表明, 黄土泥浆初凝时间20h以上, 故采取灌浆间歇24h~36h后再进行下一次灌浆为宜, 既保证前一次灌注的黄土泥浆具有一定的强度, 又不耽误施工工期。

存在的主要工程技术问题

1、 黄土泥浆的配合比受斜井长度、 斜井坡度、 斜井井壁黄土特殊性状、 拌合料技术指标、拌制工艺、 施工季节气候等诸多因素的影响, 合适的配合比才能达到稳固管道的工程效果, 目前还没有这方面成熟的研究。 另外黄土泥浆外加剂(如掺入石灰、 水泥、 快凝剂等) 也是日后的一个研究方向。

2、 调查及施工过程中均发现部分斜井存在穿越废弃窑洞未做任何工程防护处理的情况, 此类隐蔽病害的工程治理也需进一步的探讨研究。

3、 部分斜井下井口位于冲沟内, 为保护输油管道安全而不得在管道周围动用机械, 井口淤泥土的开挖、 支护及降排水成了工程难题。

结论

通过对兰郑长输油管道斜井病害整治的设计与施工, 得出以下结论:

1、 今后的管道建设在大力推广斜井穿越法的同时, 应在管道铺设过程中及时采取有效的工程措施处理安全隐患, 可有效减少管道运营过程中斜井病害对管道安全运营的影响。

2、 通过对斜井病害基本特征、 成因的分析以及对斜井病害整治方案进行论证, 综合提出斜井病害整治方案: 斜井井内采用黄土泥浆灌填稳固管道, 采用二八灰土分层夯实回填封堵斜井上、下井口防水止水,

3、 通过黄土泥浆配合比试验及兰郑长输油管道陕西段26处斜井大面积施工的效果, 有力地验证了斜井病害整治方案的可行性、 经济性及安全性。

4、 设计为施工服务, 并指导施工, 而施工反馈信息优化完善设计, 两者相辅相成。 ◢

参考文献

[1] 孙毅力,王芝银等. 穿越黄土陡坡管道斜井支护方式[J].油气储运.2009.28(4) :67~70.

[2] 王怡,王芝银等. 管道穿越黄土陡坡斜井工程稳定性分析[J].岩土力学. 2008,29(5):267~271.

[3] 梁国俭. 黄土塬地区管道施工方法—斜井穿越法[J].石油工程建设. 2007,33(3):23~25.

[4] 王芝银,袁鸿鹄等. 管道穿越土质边坡斜竖井设计参数的确定方法[J].中国石油大学学报(自然科学版).2010,1(4):105~108.

[5] 胡道华. 陕京输气管道建设中水工保护的研究与实践[J].油气储运. 1998,17(10):24~28.

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