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管道研究

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油气管道建设在平原沙土区的水土流失危害与对策研究

来源:《管道保护》杂志 作者:武海峰 时间:2018-7-6 阅读:

武海峰

西气东输管道公司管道工程建设项目部 

位于长三角地区的江苏省土地面积约10万平方公里,其中平原沙土区面积约2万平方公里。油气管道在平原沙土区建设过程引发了农田地力下降、矿质营养元素流失、喷砂冒水、临近河道堵塞、植被难以恢复等水土流失问题,从而增加了管道建设难度和管道运行隐患。目前,我国对水土流失严重的西北、西南丘陵山区等地的治理措施及效益研究较多,一些切实有效的措施也被应用到具体的项目中,但是对平原沙土区水土流失的研究却很少。本文以如东-海门-崇明岛输气管道项目实施过程为例(以下简称如海崇管道),分析研究了水土流失的成因、危害和治理措施,以期为油气管道经过平原沙土区的水土保持治理工作提供借鉴。

1 如海崇管道工程有关情况

1.1 项目概况

如海崇管道工程全长88.77公里,设计压力6.3兆帕,管径610毫米,采用X70直缝埋弧焊钢管及加强级挤压聚乙烯三层结构防腐层,沿线设计两座场站、6座阀室。

1.2 自然特点

1.2.1 地质地貌与土壤

如海崇管道工程经过的如东县、滨海园区、海门市、崇明县四个县市级行政区域属于长江下游冲积平原,出露地层为第四系粘土、粉质粘土、粉土及粉砂等,揭露地层为粉土、粉砂,局部夹粉质粘土薄层。管道沿线鱼塘、水塘及河流多,地下水位较高,年平均水位约0.5m~0.7m。

1.2.2 气候与气象灾害

属于北亚热带湿润性气候区,四季分明,气候温和,光照充足,雨水充沛,多年平均降水量1020mm,无霜期长,常见的气象灾害有洪涝、干旱、梅雨、台风、暴雨、寒潮、高温、大风、雷击、冰雹等,是典型的气象灾害频发区。

1.2.3 植被

处于亚热带落叶阔叶林植物带,地带性植被属落叶阔叶和常绿阔叶混交林。作业区主要农作物有水稻、小麦、油菜、大豆、棉花以及香樟、意杨、紫穗槐等四旁林,林草覆盖约28%。

2 建设区水土流失成因分析

据测定,该管道建设区的平均水位在0.8m左右,土壤中的沙粒约占30%~40%,粉砂约占40%~50%,粘土约占10%~15%。总孔隙度小于50%,渗透系数1×10-6cm/s左右,土壤颗粒细小,结构松散。长时间形成的较为稳定的沙土区沙水结构在施工机械的外力作用下剪力破坏而“垮塌”,颗粒瞬间下沉而引起水压,水分上升外流并带走一部分粒径较小的颗粒,氮、磷、钾、钠等矿质元素也随之流失,导致地力下降。水分上升后颗粒下沉而使土壤受到“压缩”。管沟开挖出的土壤大范围裸露,加之雨水充沛,也会引起水土流失。土壤液化如图1所示。

 

 

 

 

 

 

3 平原沙土区水土流失危害

3.1 降低土地生产力

土地的耕作层一般为10cm~30cm,是农作物赖以生存的基础。管沟开挖必然对土壤的层次、质地产生很大改变。油气管道从焊接到下沟,从试压到回填、地貌恢复,需要较长一段时间,而工程队伍无论从技术上还是经济上都无法实现对开挖土壤的保护。据测定,管沟回填完成后土壤中的有机质、全氮、速效氮含量均显著低于非作业带,表层土壤全磷含量也显著低于非作业带。施工作业对原有土体构型必然产生扰动,使土壤养分状况受到影响,严重时使土壤性质恶化,甚至难以恢复,因而会对其上生长的植物产生影响。

管沟开挖、机械碾压不仅会破坏开挖土壤的结构,其产生的作用力还会使相邻土壤的结构受到破坏,引发土壤液化、地表下沉,导致土壤的紧实度、塑性、通透性、蓄水能力、根系穿透能力等发生改变,从而影响植物生长。

3.2 破坏生态环境

管道作业带一般宽为18m,管沟一般深1.5~2.0m,宽约1.1m~1.3m,施工机具进场、管沟开挖过程中会对原地生态产生扰动或破坏,损坏原来的水土保持设施,长时间的土壤暴露和雨水冲刷会加速当地水土流失,影响区域生态环境。

3.3 影响河道功能

管道沿线有长江、海门河、大洪河等数十条大中小型河流、河道和灌溉渠,如不进行合理的水土保持设计和施工,确保施工质量,施工过程中对土壤的扰动和液化不仅会加重水土流失,还会使河流边坡受损、河床淤积、输沙量增加,影响通航和灌溉。

3.4 危及周围建筑物安全

大型施工机具的连续作业会引起大范围土壤液化、地表沉陷,地面的倾斜、龟裂会影响周边房屋、围墙、大棚等的安全,带来人员伤亡和财产损失风险。

3.5 影响工程进度与安全

由于地下水位高、土壤液化,作业环境成为“泥潭”,使施工机具移动缓慢,管沟开挖速度变慢、开挖深度难以维持良好的作业基准面,管道敷设作业、焊接、组口等都会受到不同程度影响,从而影响施工速度和质量。土壤流失后可能造成地基失稳,施工作业过程中就可能发生人员伤害、机具毁坏和周围建筑物倾斜等情况。原土回填后,由于结构破坏,地表会发生沉降、渗漏,引起地基塌方,导致管道发生位移、变形,影响清管。另外,沉积的杂物和水会加速管道的锈蚀,影响管道安全和寿命。

4 水土流失防治措施

4.1 管道作业区

(1)设计阶段对管道沿线进行勘测,管道埋深要尽量避开高液化趋势区。

(2)施工前测定地下水位,对于地下水位较高的地段,作业面与非作业面应隔开,同时进行井点降水,降低作业面含水量并夯实地基。开挖过程要采取分层开挖、分层堆放,并将熟土层堆土遮拦起来,以保持土壤肥力。土壤液化区宜采用小型机械或者人工方式进行开挖,减少大型机械对作业区土壤的扰动。

(3)合理安排工序、工期,因地制宜地控制作业带宽度。避开雨季施工,作业完成后要及时进行回填和恢复。管沟回填应分层进行,接近地表层应混入约20%比例的粘土和一定的氮磷钾肥,以保持土壤肥力。恢复地貌时要结合当地情况,及时进行植被的补种补植。

(4)对临近河边、沟渠的特殊地段,应进行边坡砌护,防止管沟开挖引起土壤液化和边坡坍塌,造成水土流失。管沟处可采取板桩、沉箱、设置混凝土截水墙等措施进行截断,防止土壤液化时增加管道侧向应力,影响管道安全。

4.2 场站和阀室区

为防止建设期和运行期土壤液化对站场和阀室区的影响,在选址过程中要进行地质勘测,尽可能避绕高液化趋势区。无法避绕时,可考虑采取灌浆或加大基桩深度(约0.5m~1.0m)使其穿过高液化趋势区到达稳定的土层。

本文所举管道工程案例就采取了加深基桩深度进行进行稳固的方式。施工中,应设置临时排水沟,排除基根处的水分,防止受干扰后地基失稳。

 

4.3 管理措施

严格执行水土保持“三同时”制度,委托具有专业资质的水土保持方案编制单位、监理单位、监测单位、设计单位和施工单位开展各阶段水土保持工作,确保水土保持工作保质保量完成,各项水土保持措施起到预期效果。

在工程发包标书中明确提出水土保持要求,设计、施工、监理和监测单位在投标文件中对照项目水土保持方案及批复要求提出具体明确的水土保持防治措施。在设计阶段,应参照水土保持方案,结合工程实际情况编制水土保持投资概算,并确保资金专款专用。施工前应进行环境保护、水土保持交底,将各项水土保持措施及要求纳入工程建设施工计划。施工中应落实水土保持工程进度及质量控制,定期开展水土保持监测,严格执行既定的各项水土保持措施,严禁偷工减料、降低工程标准。

5 水土保持效益分析

与拟定的水土保持方案比较,如海崇管道工程在实际施工中,作业带和场站、阀室的土壤流失控制比由1.0降低至约0.78和0.8,植草恢复及治理度由97%提高到98.4%,林草覆盖率由15%提高到29.9%,管道作业带每公里失土量较平原沙土区未采取措施的地区减少约120立方,同时减少了工程区及周边水域的泥沙淤积量和水体污染,未发生一起因土壤液化引起的建筑受损和人员伤亡事件。农作物在管道作业带恢复结束三个月后能够实现良好生长,临时施工带来的农田临时补偿由2-3季降低为补偿1季即可,减少了工程投资。

工程建设按照计划如期完成,未因作业环境特殊而受到影响,工程质量和地质稳定性得到了提高,有利于管道安全运行和延长使用寿命。同时,减少了工程维护和管理费用,间接效益良好。

参考文献:

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[10]李国强,李杰,苏小卒.建筑结构抗震设计[M].北京:中国建筑工业出版社, 2009. 

作者:武海峰, 1987年生,男,在读硕士,工程师,供职于中国石油西气东输管道公司管道工程建设项目部,主要研究方向为土壤侵蚀、水土保持技术和荒漠化治理。

《管道保护》2016年第6期(总第31期)

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