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管道研究

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我国西南山区管道沿线坡面泥石流灾害成灾特征及防治

来源:《管道保护》杂志 作者:王仁超 孔纪名 崔云 时间:2018-8-13 阅读:

王仁超1,2,孔纪名1 ,崔云1

1.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室/中国科学院 水利部成都山地灾害与环境研究所;2.中国科学院大学


摘要:坡面泥石流是山区油气管道面临的主要斜坡地质灾害之一,分析了我国西南山区管道沿线坡面泥石流形成条件与基本特征,其两种成灾模式分别为“侵蚀型” 和“坍滑型”。讨论了坡面泥石流对油气管道的致灾机理,提出了相应的防治对策,对指导山区油气管道地质灾害防灾减灾工作具有重要意义。

关键词:坡面泥石流;成灾特征;油气管道;防治对策


我国西南地区山地集中、地形复杂,斜坡地质灾害频发、多发。同时,西南山区又是我国油气管道分布较多的区域,管道沿途穿越不同的地貌单元,面临着不同地质灾害类型的挑战[1~7]。近年来多条管道受到大面积坡面泥石流灾害的影响(图1)。


图1 西南山区管道沿线坡面泥石流灾害

(a.蒙自马街坡面泥石流;b.都匀昌明坡面泥石流;c.昆明水节箐坡面泥石流;d.建水龙排冲坡面泥石流)


根据泥石流发育地点的不同,分为坡面泥石流和沟道泥石流。坡面泥石流强大的冲刷、刮铲和撞击能力,造成管道埋深变薄、外露、防腐层剥离甚至失效泄漏,对管道的安全运行及生态环境造成威胁。坡面泥石流作为西南山区管道沿线最常见的一种灾害类型,目前尚未引起管道运营管理部门的足够重视,经常在概念上与水毁、洪水等水文灾害混为一谈,在治理对策上归入水工保护因而缺少针对性防护措施。为此,笔者就坡面泥石流的类型、分布规律以及成灾方式进行分析,并对坡面泥石流灾害防治进行初步探讨,以期为坡面泥石流灾害发育的山区管道保护提供科学依据。

1 管道坡面泥石流灾害类型与成灾方式

1.1 坡面泥石流类型

山区管道沿线坡面泥石流属于典型的斜坡地质灾害,多发育于30°以上的自然山坡或堑坡上,山坡覆盖层厚度一般为0.5~4 m,其形态多呈条状,流域面积小,无明显沟槽,管道顺坡沟槽发育不完善,是初期的新生沟谷,纵坡与坡面基本一致,无明显的流通段。参与泥石流活动的固体物质总体积不超过10000 m3。坡面泥石流在发育过程中,往往具有同其他斜坡灾害(崩塌、滑坡)互相促进、加速扩充的协同特点。

坡面泥石流按固体物源补给方式划分为以下两类。

(1)侵蚀型:在连续降雨作用下,坡面沟谷发育不完善,斜坡强地表漫流,冲刷坡面松散土体而形成的泥石流现象(图2)。


图2 侵蚀型坡面泥石流物源补给演化模式


(2)坍滑型:在突发性水动力条件下(包括但不仅限于强降雨),自然山坡溜坍和浅层滑坡后大量岩土体顺坡倾入已有斜坡槽形浅沟,与水流混合形成的泥石流现象(图3)。

图3 坍滑型坡面泥石流物源补给演化模式


1.2 坡面泥石流分布与成灾方式

侵蚀型坡面泥石流发生在山坡坡面分布有较厚的土层和破碎风化岩体的地区,其中施工期管沟回填覆土、弃土及管道施工扰动松散土体是主要物源[8,9]。泥石流发生斜坡沟谷不发育,往往是新生沟谷。发生时间上跟降雨过程密切相关,其出现的地区与暴雨中心在山区出现的位置基本一致。大暴雨时强地表漫流冲刷陡坡松散土体形成侵蚀型坡面泥石流。云南蒙自马街坡面泥石流(图1 a)和贵州都匀昌明坡面泥石流(图1 b)即属此种类型。由于侵蚀型坡面泥石流多为槽形浅沟,一般情况下造成管道露管,排查时容易被误认为坡面水土流失而忽视。其实不然,坡面泥石流的发生往往伴生着浅层滑坡的发育,滑坡推力对管道安全造成威胁(图4)。


图4  侵蚀型坡面泥石流演化为滑坡案例

(a.重庆綦江坡面泥石流;b.广西田阳坡面泥石流)


坍滑型坡面泥石流集中出现于区域性断裂破碎带以及岩性松软破碎的地段,发育有明显的泥石流流通沟道,堆积物中常含有原状结构土体和植物残体。分布地域上与易滑、易流的软弱岩土层分布相一致,并且具有高位泥石流特征[10,11]。暴雨期间,沟道两侧崩塌、滑坡体为泥石流提供物源,顺槽形浅沟下泻,对坡面或坡脚管道形成撞击。昆明水节箐坡面泥石流(图1 c)和建水龙排冲坡面泥石流(图1 d)即属此种类型。坍滑型坡面泥石流发生时,泥石流浆以跳跃、冲撞、滚动或滑动等运动方式中的一种或几种的组合快速向下运动。泥石流漂石对管道具有极大的破坏性,可以冲刷覆盖层从而使管道暴露,漂石作用于管道的冲击力造成管道变形破损。泥石流致损管道主要方式为间接撞击和直接撞击(图5、6)。


图5 漂砾―覆土―管道间接模式

(a.现场照片; b.漂砾撞击覆土示意图)

图6 漂砾―管道直接作用模式

(a.撞击照片;b.漂砾撞击管道变形平面投影示意图)


2 管道坡面泥石流灾害防治思路与对策

2.1 断链

针对坡面泥石流呈现侵蚀―坍滑―泥石流的灾害链生特点,治理时优先考虑将灾害链断开,即将坡面泥石流治理的重点应放在如何有效地控制泥石流的“物源”或“水源”上。

(1)调控水源

一是沟谷源头或坡面中上段汇水地形条件的改善,若是“盆状”地形则采取回填或者硬化,避免集中汇水;二是汇水的处理,可通过截排水措施(排水隧洞、管道以及排水明渠等地表截排水工程等),从源头上拦截和排除地表水流,尽量减少地表水的入沟量,弱化甚至消除泥石流的启动条件。

(2)减少物源

坡面侵蚀和沿程坍滑体是泥石流的主要物源。控制好 “物源”可以降低泥石流的规模。采取支挡和排导工程等措施对分布于沟道沿线、源头及两侧的坍滑体进行治理,避免其转化为泥石流物源。

(3)水石分离

由于坡面泥石流具有先洪水后泥石流的特点,一味地拦挡反而会抬升坝前静水压力。此时宜采取水石分离,暂时放先头来水通过,柔性网在受冲击过程中吸收漂砾的绝大部分能量,达到消能、阻止或减缓泥石流启动的目的[12]。目前泥石流柔性防护系统已经成熟,适用于流域宽度小于30 m的中小型泥石流沟治理(图7~9)。

图7  柔性网拦挡泥石流脱水过程

图8柔性网拦挡泥石流冲击的数值模拟

图9泥石流柔性防护系统结构示意


2.2 降坡

坡面泥石流具有高势能的特点,在有效地控制 “物源”或“水源”基础上,还应兼顾减小坡降,分级拦挡分级降坡(图10)。


图10 挡土墙分级拦挡降坡


2.3 综合防治

生物防治较工程防治费用小、效益高,能从根本上减轻水土流失,改善生态环境,使泥石流形成条件日趋退化,应结合流域实际,分析气候和地势条件,利用护坡、植被综合治理(图11)。


图11 格构护坡和植被复绿综合治理


3 结论

(1)我国西南山区管道沿线具备坡面灾害发生的基本条件,在管道建设期后的10年内,坡面泥石流处于较为易发时期,只要出现降雨、溃决等强诱发因素,就会出现不同规模的坡面泥石流灾害。

(2)西南山区管道沿线坡面泥石流灾害分为侵蚀型和坍滑型两种,其主要危害方式为冲刷露管、淘蚀下切和漂砾撞击,其中漂砾撞击具有速度快、破坏力强等特点,是主要致灾方式。

(3)综合考虑泥石流灾害特点和管道防护需求,提出断链、降坡和综合防治治理方式。

(4)山区油气管道坡面泥石流灾害防治是项长期的工作,应该给予足够的重视。随着防治措施的完善,灾害发生的概率将会降低。

参考文献

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基金项目:中国石化华南管网潜在地质灾害判识与风险评价示范研究。

作者简介:王仁超,男,1989生,中国科学院大学岩土工程专业博士研究生,中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室研究助理,主要从事山区油气管道地质灾害判识与致灾机理研究。

《管道保护》2018年第4期(总第41期)

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