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管道研究

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油气管道穿越泥石流沟道的防治措施

来源:《管道保护》杂志 作者:刘小晖 时间:2019-11-26 阅读:

刘小晖 马烨 袁海 王景巍

中国石油西南管道兰州输油气分公司

 

 

近年来我国长输管道发展迅速,截至2017年底,在役油气管道总里程已超过13万公里,形成了东西南北互通的能源管网。随着管道运营里程增加,管道地质灾害的发育也越来越多[1]。 国内外对管道地质灾害的研究[2-6],一方面集中于对埋地管线荷载力的力学分析;另一方面专注于管道风险管理和评价,倾向于事故前控制。泥石流是山区常见的自然现象,当油气管道与泥石流沟道并行或者相交时,发育的泥石流轻则造成管道埋深不足或局部出露,重则造成管道长距离悬空、变形、扭曲、断裂等。本文梳理和总结发育的泥石流沟道,对穿越油气管道防治地质灾害有一定指导意义。

1 响河沟泥石流沟道的基本情况

武山县位于甘肃省东南部,天水市西北方向,地处秦岭与黄土高原的过渡带,黄河一级支流渭河的上游。境内响河沟位于县城东约15公里处的洛门镇北。穿越管道位于响河沟流域中、下游区段,如图 1所示。

2006年8~9月,武山县响河沟流域连续发生了三次规模较大的稀性泥石流灾害,冲毁龙(泉)榆(盘)路多处,并给兰成渝输油管线响河沟段管道造成了较为严重的灾害险情,危及管道的安全。 8月13日夜间和18日凌晨,响河沟流域两次强降雨,形成灾害性泥石流,冲毁公路十余处,造成公路内侧路肩下输油管道外露、悬空,处于极其危险的状态,且洛门镇地势较低,直接威胁洛门镇的安全。

2 响河沟泥石流基本特征

响河沟因泄洪期间带响声而得名,历史上即是一条泥石流沟。根据走访当地老百姓, 2006年连发三次稀性泥石流,特别是第一次泥石流暴发时,数公里外就可听到沟谷中巨石相互摩擦、撞击的响声,而沟道河床上比比皆是巨大漂石,泥石流所过之处树皮被剥(年坪村前主沟漫滩上直径25 cm粗树皮被剥高度达2.5 m)。

2.1 稀性泥石流的发育特点

与一般的泥石流沟相比,响河沟泥石流的形成区、流通区、堆积区有较为特殊的组合特点。从沟谷形态、沟谷比降、松散固体物质来源、地表汇水径流特征等泥石流主要形成要素分析,在类似于不规则树叶形的流域内,除主沟槽(中部党家沟、水帘洞沟和下游的响河沟)外,上游及两侧山区均为泥石流形成 区,区内沟谷坡降大、松散物质丰富,汇流集中,是水、固体物质混合、搅拌的场所,最终以泥石流形式进入流通区;流通区位于“树叶”中部基岩裸露区和主支部位——即党家口村和水帘洞以下到年坪村之间的狭长主沟槽中,沟床坡降介于3%~4%,是形成区泥石流物质向堆积区传输的通道;堆积区位于年坪村以下的主沟床及沟口外、渭河以北宽缓开阔的洪积扇区,该段堆积区泥石流物质冲刷、堆积转换频繁,沟床下切与侧岸侵蚀强烈,在自然状态下,扇面主冲沟呈跳跃式摆动,目前由于人工开挖、引导和防护,主沟道被固定下来。

由图 2可以看出,响河沟泥石流形成区面积大,所有支沟和坡面沟地形陡峻、沟谷狭窄、坡降大,为迅速汇集的大量径流与松散固体物质下泄提供了非常有利的地形、沟道条件。流通区相对较小,沟道狭窄,坡降较大,以搬运为主,蛇曲迎水段冲刷侵蚀强烈,背水段存在局部少量淤积,基本处于动态平衡。堆积区宏观上处于堆积状态——沟床在逐年抬升,但主沟道内主流摆动造成局部强烈冲刷、塌岸现象较为普遍,严重影响当地居民的生活与生产。而下游人为固定主沟槽,从某种程度上违反了泥石流的冲淤变化规律,必然带来一系列的工程问题。

由于区域地壳升隆,沟谷下切,坡降增大,重力地质作用增强,而频繁发生的强大暴雨致使该沟的泥石流频度增大,历史上曾频繁发生过不同程度的泥石流,因此该沟道目前处于泥石流发育旺盛期。据走访调查并查阅有关历史资料,响河沟每隔1~2年都发生不同程度的稀性泥石流,较为明显的稀性泥石流每10年两次,其中灾害性泥石流约15年暴发一次,严重灾害性泥石流约50~70年暴发一次。但2006年8~9月先后暴发三次规模较大的稀性泥石流,冲断公路、严重危及管道安全。

2.2 响河沟泥石流的运移特征

(1)泥石流过程。泥石流历时为泥石流龙头出沟口到泥石流停止堆积所经历的时间过程。根据历史记载和调查访问,响河沟历史上发生的造成严重灾害的泥石流历时在20~50 min 之间,属于单峰型。

(2)响河沟稀性泥石流重度调查。根据沟道中泥石流堆积体的颗粒分析、高漫滩堆积形态、沟壁泥膜等调查资料,对比以往不同重度拌合试验,结合天水地区类似沟道研究成果,采用工程地质比拟法和相关经验公式,确定该沟稀性泥石流重度值介于14~15 kN/m3

(3)响河沟稀性泥石流流量调查。为了较为真实地反映响河沟稀性泥石流暴发时的实际情况,我们对14 km治理工程重点沟道进行了详细的水文地质调查。在2006年泥石流爆发后不久,选取三个泥膜较为清晰、断面较为规矩的主沟槽过流断面,实地测量后计算泥石流的实际流量,作为校正理论流量的参照,结果见表 1。

(4)响河沟稀性泥石流的流态特点。据亲眼目睹2006年泥石流的当地居民介绍,响河沟泥石流发生时具有较为强大的龙头。特别是间歇时间较长、多年不遇的首场泥石流,其龙头高陡宽大,泥深是平均泥深的3~4倍,龙头覆盖了年坪村口附近高约6.5 m的水泵房并将其卷走。龙头具有直进性,直接爬过该处左岸3 m多高的河堤挡墙,进入公路内侧居民区,残留的泥膜高出地面1.2~1.5 m,龙头过处,树木、庄稼及轻型构筑物全部被毁。而横断面上泥石流呈中间高、两侧低的特点,与沟道正中间几棵树树皮被剥高 度的形态相吻合。龙头过后,沟道内泥石流的流态呈连续性流动,但受各支沟汇流时间差的影响,连续流的流量并不稳定,具有阵发变化特点。

(5)响河沟稀性泥石流的粒度特征。响河沟稀性泥石流的粒度成分在不同区域、不同地段有较大的变化。调查中发现,汇流区坡面的上部分固体物质粒度小,但呈块状结构,下部分基岩外露处,大块状坚硬砂岩参与泥石流活动,粒径介于0.2~1.2 m。流通区峡谷地段巨大坚硬砂岩以崩塌、错落等形式介入泥石流活动,在流通区与堆积区的上半部沟床上,分布有大量的漂石,其中最大漂石的长轴达3 m、厚1.2 m、宽1.8 m。堆积区开阔的沟床成为大量泥沙、角砾以及砾岩块石的沉积场所,但主流对沟床、沟坡底蚀、侧蚀强烈,形成局部冲刷,大量沙砾卵石被冲出河谷顺沟道直接排入渭河。该区沉积厚度一般5~7 m,最厚处达10 m以上。但整个来看,从沟脑到入渭河间,沟道内松散固体物质的粒度在逐渐变细,具有渐变规律,而细粒物质呈现为逐渐增加的规律。

3 综合防治措施

3.1 工程确定原则

《兰成渝管道响河沟泥石流沟道治理工程》项目开展之初,首先对管道改线和沟道治理方案进行了论证。两种方案中沟道治理方案无论是费用还是施工技术可行性,都更为可靠、经济、合理。采用治理沟道方案是全流域治理还是有针对性的部分治理,是治理并行道路间接保护管道,还是直接保护管道,所有工程是全部新建,还是利用原来部分工程修复重建,经过专家和技术人员的比选和分析,采取了对与管道并行敷设的沟道进行治理,采用新建水工保护设施,通过保护道路从而达到间接保护管道的目的。

为了对12 km长且处于不同状态的管道进行有效防护,首先开展了全流域的泥石流调查工作,在对不同位置管道、伴行路、沟道、泥石流流态等空间关系分析的基础上,进行针对性的防护工程设计,工程形式与规模的确定原则是:

(1)按50年一遇泥石流灾害防护标准进行设计。

(2)穿越段管道埋深小于理论冲刷深度处进行防冲刷治理,顺沟段管道与伴行路视为一体进行统一规划治理。

(3)设计参数的选取以理论计算、经验判断和实地调查结果为依据综合考虑,各工程基础埋置深度必须至少在最大冲刷深度以下0.5 m,河堤挡墙高度必须满足设计最高泥位要求等。

(4)在保证安全的情况下以节约经费为原则。

3.2 各工程确定说明

(1)河堤挡墙。

①由于2#~9#地处峡谷地带,现有公路挤占部分河床,本次设计采用C20钢筋砼仰斜式挡墙,其中墙顶宽度根据是否处于顶冲段设计0.6~0.8 m。

②0#~1#和10#~18#地形相对开阔,现有公路基本不侵占河床,本次设计均采用浆砌块石重力式墙,其中墙顶宽度根据是否处于顶冲段设计0.6~0.8 m,块石强度等级大于MU30,砂浆强度等级大于M 10。

③17#~18#工点地处响河沟出口,沟道左侧农户及农田较多,为了更好地治理该段在沟道左岸也设计浆砌块石仰斜式墙或护坡。

(2)防冲底槛的高度计算。

为了加强对0#和13#两处管道穿越河床段和狭谷段及17#工程排洪道的安全和防止沟床下切,在该段防洪道中设置防冲底槛,并在最下游的防冲底槛处修建消力池,防冲底槛高度由下式确定:

H =L(I0-I′ )

式 中 : H 为 坝 高 (m ) ; L 为 相 临 坝 间 距(m); I0为原沟床坡降; I′ 为回淤后的沟床坡降。

(3)过水涵洞工程。

为了避免伴行路侧山坡支沟水流对管道和道路的冲刷,对较大支沟均设计了过水涵洞,孔径一般2.5~4.0 m,均为钢筋砼盖板明涵。

3.3 该项目的主要治理措施

(1)综合护岸工程。该工程保护挡墙、防冲墙、挑坝等工程形式。首先进行河堤挡墙施工,施工程序是:清理场地→施工放线→基坑开挖→验基→基础筑砌→墙体筑砌→墙后置反滤层并回填→充填伸缩缝→疏通泄水孔→勾缝压顶,待挡墙主体完成后再进行挑坝挖基、筑砌,全部砌体工程完成后,夯填超挖空间、墙后空间,最后填埋,平整美化场地。

(2)排洪道工程。该工程保护涵洞、挡墙等工程形式。排洪道施工,应先进行两岸河堤挡墙施工,按清理场地→施工放线→基坑开挖→验基→基础筑砌→墙体筑砌→墙后置反滤层并回填→充填伸缩缝→疏通泄水孔→勾缝压顶程序进行;待墙体完成后再分别修建各防冲底槛,其施工程序同上。待上述所有工程完成后,再清理沟道、平整场地、回填超挖区域,做 到施工场地平顺美观。

4 结论

(1)响河沟泥石流沟道为稀性泥石流沟道。

(2)该泥石流的形成,具有充足的物源、陡峭的地形、短历时的强降雨,具备泥石流发育特征。

(3)管道和泥石流沟道并行敷设,造成管道、光缆悬空,给管道的安全运营造成了极大的危害。

(4)采用淤土坝、防冲墙、挡墙、挑坝等措施相结合的综合防治工程,具有较好的治理效果。

(5)响河沟防护工程2007年完成施工,经过10多年运营,防护效果良好,管道安全平稳运行,充分说明治理措施合理可行。

 

参考文献:

[1] 刘兴荣,杨军,颉丽.泥石流对兰成渝输油管道的 危害及防治[J].甘肃科学学报, 2009, (01): 88-92.

[2] 李海荣. 管道穿越泥石流沟设计方法[J]. 石油规划设计, 2006, (06): 47-49.

[3] 何媛,袁爱萍,胡影,张超,夏照华.北京泥石流沟道现状调查及特征分析[J].中国水利, 2013,(21): 49-51.

[4] 孙志忠,张满银,谢荣,卡毛措,王生新.长输管道河沟道水毁危害探析[J]. 防灾科技学院学报, 2015,(03): 56-61.

[5] 吕惠明.泥石流对油气管道的危害特征、机理及对策[J]. 产业与科技论坛, 2009, (05): 113-115.

[6] 贺拿,陈宁生,曾超.泥石流起动机理研究现状及趋势[J]. 灾害学, 2013, (01): 121-125.

 

作者:刘小晖, 1986年生,工程师,硕士研究生,主要研究方向为管道地质灾害防治。


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