陕京输气管道黄土崾岘水毁机理与防治措施.pdf

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1、石 油 工 程 建 设 陕京 输 气 道 黄 土 崾 岘 水 毁 郭存杰 ，张来斌z ，梁伟 ，郭磊。 1 中石油北京天然气管道有限公司，北京 1 0 0 1 0 1 2 中国石油大学( 北京 ) ，北京 1 0 2 2 4 9 3 中石油昆仑燃气有限公司，北京 1 0 0 1 0 1 摘要 敷设于黄土崾岘 地区的油气管道易遭受由洪水引发的滑坡、坍塌等水毁 工程设计l 厶 蠹灶 i= 1 了日 地质灾害，严重威胁管道的安全运行。文章以 陕京输气管道所途经的黄土崾岘地区为例，分析了黄土崾岘水毁机理 ，介绍了治理方法及具体措施 ，指出了可不采取 工程治理措施的崾岘类型 ，最后给出了素土、水泥土及灰

2、土用于崾岘边坡治理时的适用范围。 关键词 陕京输气管道 ；黄土崾岘；机理 ；防治 Me c h a n i s m a n d T r e a t me n t o f S h a a n x i B e i j i n g G a s P i p e l i n e D a ma g e f r o r r F l o o d i n L e o s s Y a o x i a n Ar e a s G u o C u n j i e ，Z h a n g L a ib i n 2 L i a n g W e i 2 G u o L e i 。 1 P e t r o C h i n a B

3、 e ij i n g N a t u r a l G a s P i p e li n e C o ，L t d ，B e ij i n g 1 0 0 1 0 1 ，C h i n a 2 C h i n a U n iv e r s it y o f P e t r o le u m( B e i j i n g ) ，B e i j i n g 1 0 2 2 4 9 ，C h i n a 3 P e t r o C h i n a K u n l u n G a s C o ，L t d ，B e i j i n g 1 0 0 1 0 1 ，C h i n a Ab s t r a

4、 c t T h e g e o l o g i c a l d i s a s t e r s t o o i l g a s p i p e l i n e s ， s u c h a s la n d s l i d e a n d c o l l a p s e c a u s e d b y f l o o d a r e e a s i l y h a p p e n e d i n l e o s s y a o x i a n a r e a s ， a n d t h r e a t e n s e v e r e ly p i p e l i n e o p e r a t

5、 i o n s a f e t y T a k i n g S h a a n i B e i j i n g g a s p i p e l i n e f o r e x a m pl e， t hi s p a pe r a n aly z e s t h e m e c h an i s m o f t he di s a s t er s， i n t r o du c e s t h e t r e a t m en t me t h od s a n d c on c r e t e m e a s ur e s， pu t s f or w a r d t h e y a o

6、x i a n t y p es w h i c h c o ul d n o t n ee d t r e a t men t p r ob ab l y， a n d gi v e s t h e a pp l i c a t i o n r a n ge s o f pl a i n s oi l ， c emen t s oi l a n d l i me s oi l i n ya o x i an s l op e t r e a t men t K e y wo a S ： S h a a n x i B e ij i n g g a s p i p e l i n e ；l e

7、 o s s y a o x i a n ；me c h a n i s m；p r e v e n t i o n me a s u r e 陕京输气管道作为我国天然气管网的重要组成部 分，是向京、津、冀等地区供气的重要 “ 生命线” ，包括 4条干线、7条支线，总长度 3 4 2 7 k m。陕京输气管道 线路经过陕北晋西黄土高原地段 ，途经的黄土崾岘地区 易发生滑坡、坍塌等水毁地质灾害 ，研究此类型地质灾 害发生的原因和条件 ，提出经济有效的防治措施 ，对管 道建设和安全运行具有一定的指导意义。 黄土崾岘水毁机理 0 一 ? 黄土崾岘水毁主要由其地形、土质和降雨决定。由 于崾岘是连接两个

8、梁峁坡地的通道 ，在任何区域崾岘均 处在较低地段，即崾岘是长期水土流失和雨水； q S U 形成 的地貌类型。目前陕晋地区未治理的黄土崾岘在短历时 强暴雨的作用下 ，当降雨强度远大于土壤的入渗速率 时，会产生较强烈的坡面径流 ，径流水沿梁峁坡面汇集 到崾岘 ，造成崾岘坡面； 中 刷 ，冲毁崾岘坡角 ，引发崾岘 萎 4 0誉 幕 5尊3 1一 施 与 里一 机 _工程设计 石油工 程建设 滑塌或崩塌，进而导致崾岘宽度逐年缩窄。 陕京输气管道途经的崾岘，其顶部多为 Q 。 和 Q 黄 土，具有大孔隙结构、柱状节理。在干燥情况下结构良 好，强度大 ，稳定性好。但 Q 。 和 Q 黄土抗蚀力差 ，且

9、遇水强烈浸泡后发生崩解( 原有结构受到破坏、结构强 度丧失 ) ，使柱状节理破坏 ，大孔隙结构丧失导致发生 沉陷或湿陷；对于自重湿陷性黄土，其在无外荷载作用 下遇水时也会发生下沉，危及管道安全。 陕京输气管道在陕西黄土高原沟壑区多处崾岘上敷 设( 见图 1 ) ，崾岘土体结构上部一般为 Q 黄土，向下 依次为 Q 。 、Q 和 Q 黄土。大部分崾岘经过多年治理基 本处于稳定状态 ，但由于未采取有效的综合治理措施 ， 在短历时强降雨的作用下仍有可能再次发生水毁。 神木县杨家畔坡村崾岘 Q 黄土厚度约 1 m，Q 。 黄 土厚度约 1 5 m，Q 黄土厚度约 1 O m，Q 黄土在沟底露 头 3

10、m。输气管道在该崾岘上的敷设长度约 6 0 m，埋深 约 1 2 m。对该崾岘 Q 。 和 Q 黄土在不同含水率条件下 的土样进行了物理力学性质试验 ，Q 。 和 Q 黄土基本物 理指标及其在不同含水率下的抗剪强度 、结构强度和干 密度的变f -b l况见表 1 表 5 。 含水率 干密度 原状土强度 重素土强度 结构强度 ( g c m。 ) k P a k P a k P a 试验结果表明 Q 。 、Q 黄土结构强度和抗剪强度与 土壤含水率的关系非常密切。 ( 1 )Q 。 、Q 黄土的抗剪强度随含水率增加而显著 降低 。由表 2可见 ，当 Q 。 黄土土样含水率 由 1 5 5 增加到

11、2 4 时 ，其原状土样抗剪强度由 7 3 k P a降低 到 2 0 k P a ，内摩 擦角 由 2 8 5 。降 至 1 3 0 。 ；由表 3可 见 ，当 Q 黄土土样含水率由 1 1 1 8 增加到 1 8 5 9 时，其原状土样抗剪强度由 1 4 5 k P a降低到 5 8 k P a ，内 摩擦角无明显变化。 ( 2 ) Q 。 、Q 黄土的结构强度随含水率增加而急剧 降低。由表 4可见，当 Q。 黄土土样含水率由 1 4 0 增 加到 2 4 时，其原状土样结构强度由 1 3 8 6 k P a减小到 4 1 6 k P a ，土样平均含水率每增加 1 时其结构强度降 低约

12、1 0 k P a ；由表 5可见，当 Q 黄土土样含水率由 1 5 2 3 增加 到 2 4 。 0 3 时 ，其 原状土 样结 构 强度 由 1 8 3 5 k P a 减小到 7 8 9 k P a ，土样平均含水率每增加 1 时其结构强度降低约 1 2 k P a 。 此外，由表 2表 5可知 ，在同等条件下 ，Q 黄土 的结构强度远高于 Q 。 黄土 ，Q 黄土的抗剪强度也高于 郭存杰等：陕京输气管道黄土崾岘水毁机理与防治措施 Q 。 黄土。分析原因，是由于 Q 黄土的形成远早于 Q。 黄 土 ，受古气候干湿交替溶滤长期作用，其形成了更加显 著的柱状节里 ；同时 Q 黄土受到上部 Q

13、。 和 Q 黄土的 自重压力作用 ，形成更加稳定的原始结构强度。因此 ， 受强降雨汇集水作用 ，当 Q 和 Q 。 黄土产状向外倾斜 时 ，容易发生溜滑 ；在长历时强降雨或连阴雨天气时 ， 当 Q 和 Q 。 黄土产状向里倾斜时 ，容易产生漏斗型土壤 侵蚀 ，进而形成坡体崩塌。 通过以上分析可知 ，在崾岘地段敷设输气管道产生 水毁高风险点的内在因素是黄土具有的大孔隙结构 、柱 状节理，外因是降雨汇集。要改变崾岘土壤的物理力学 性质 ( 如更换为灰土或水泥土 )工程量大、费用高 ，因 此 ，崾岘治理的主要措施是改变崾岘地段的微地貌 ( 如 修筑鱼鳞坑 、水平阶、梯田等 )，增加截排水工程 ，从

14、而改变崾岘地段的水流汇集条件 ，保障崾岘处在干燥条 件下 。 2 黄土崾岘水毁治理措施 l 综上所述 ，黄土崾岘滑塌主要原因可分为两类 ，即 由降雨径流为主导因素的外因条件 ，以及由黄土崾岘立 地为主导因素的内因条件。因此崾岘治理措施也可分为 两类 ： ( 1 )消除降雨径流对崾岘的危害 ，可采取在崾岘 两侧梁峁上修筑水土保持工程的措施 ，一是修筑如鱼鳞 坑 、水平阶、水平沟等工程就地拦蓄暴雨径流，二是在 崾岘两侧梁峁汇水坡面修筑截排水工程 ，以分散降雨径 流在 崾岘处的汇集 。 ( 2 )修建必要的工程建筑物 ，以改善崾岘土体结 构 增加 黄土的稳 定性 ，如修 筑护坡工程和 挡土墙 工 程

15、 。 通过对榆林市榆阳区麻黄梁畔坡村几处崾岘的分 析 ，部分崾岘已于 2 0 0 9年春季进行 了整治 ，如桩号 S l 一 0 3 7 0处崾岘 2 0 0 9 年采取 3： 7 灰土夯实处理，现稳 定性良好。该处崾岘治理前地貌和治理后现状见图 2 。 该崾岘治理坡高为 2 4 m，经力学分析得知，若保证 崾岘边坡稳定安全系数不， J -T -1 5时，素土夯实回填的 稳定坡比为 1： 0 7 5 ，2： 8灰土、3： 7灰土和 1： 9水 泥土夯实回填的稳定坡比均为 1： O 5 。该崾岘边坡治理 时采用 3： 7灰土夯实回填 ，平均坡比为 1： 1 0 ，处于 稳定状态。 根据现场调查

16、，该处沟谷两侧天然边坡陡峻 ，坡比 在 1： 0 2 51： 0 5之间，若沟道边坡高度为 2 4 m，保 证其稳定安全系数不小于 1 5时，沟道天然边坡在干燥 情况下的稳定坡比为 1： 0 5 ；在湿润情况下的稳定坡比 为 1： 0 7 5 ；在饱和情况下边坡坡比在 1： 0 51： 1 2 5 工程设计_ ( a ) 治理 前 ( b )治理后 2 S l ) 3 【 ) ， 、 l l i 之间均处于不稳定状态。 为保障沟道边坡长期处于稳定状态，必须保证其土 壤处于干燥状态。因此 ，应在梁峁坡地上修筑鱼鳞坑、 水平阶和截水沟 ，防止两侧梁峁降雨径流向崾岘处汇集。 鱼鳞坑、水平沟和水平阶防

17、御标准应根据各地不同降雨 情况 ，分别采用不同的暴雨频率和当地最易产生严重水 土流失的短历时高强度暴雨 ，或按照 GB T 1 6 4 5 3 水 土保持综合治理技术规范，设计标准采用 1 0 a或 2 0 a 一遇 3 h 或 6 h 最大暴雨设计。 ( 1 ) 鱼鳞坑 。梁峁坡度大于 2 5 。的坡面设置鱼 鳞坑 。单个鱼鳞坑呈半圆形 ，长径 0 81 5 m，短径 0 50 8 m，坑深 0 30 5 m，下沿成弧形土埂 ，高 0 20 3 m。鱼鳞坑在坡面上宜沿等高线布设 ，上下两 行呈 “ 品”字形错开排列。 ( 2)水平沟。梁峁坡度在 1 5 。2 5 。的陡坡段应 设置水平沟。水

18、平沟上口宽宜为 0 61 0 m，沟底宽宜 为 0 30 5 m，沟深宜为 0 40 6 m，水平沟沿等高线 开挖，每两行水平沟呈 “ 品”字形排列 ，每个水平沟长 35 m，沟内植树 35株。根据坡面和暴雨径流情况 确定水平沟间距和具体尺寸。 ( 3 )水平阶。梁峁坡度在 1 5 。2 5 。的陡坡段 ， 根据暴雨强度和暴雨量设置水平阶 ，阶面宽度宜为 1 0 1 5 m，呈 3 。5 。 反坡。可根据暴 雨情况确定阶 面 宽 度 、反 坡坡 度 (或阶边设埂 )，或调 整阶间距 离。 4 0 譬 5 3 3 _工程设计 石油l 程建设 通过现场考察和计算，分析认为：对于未整治的崾 岘，若崾

19、岘坡高、坡比满足一定条件 ( 当崾岘天然坡高 在 1 0 m 左右时 ，坡比 1： 0 7 5 ；当崾岘天然坡高在 2 O m左右时，坡比 1： 1 0 ；当崾岘天然坡高 3 0 m 时，坡比 1： 1 2 5 ；当崾岘天然坡高 5 0 m时 ，坡 比 1： 1 5 )，可采用水土保持整地措施和植物措施进 行相应治理 ，降低崾岘的水毁风险，而不必再采用工程 措施对其进行治理。 通过计算得出：素土夯实回填适用于坡高 1： 0 7 5或坡高 1： 1 1 5的崾 岘边坡 ；1： 9水泥土适用于坡高 1： 0 5或 2 O m 1： 0 7 5的崾岘边 坡 ；2： 8灰土适 用于 坡高 1： 0 5

20、或坡 高 3 0 m，坡比 1： 1 0崾岘边坡 ；3： 7灰土适用 于坡高 1： 0 5或坡高 3 0 m，坡比 1： 0 7 5的崾岘边坡。若整治后的崾岘满足上述相应 坡比的要求，则水毁风险低。 为保障管道安全运行，还可采用改变局部微地形的 方法，促使降雨就地拦蓄入渗 ，以减少崾岘两侧梁峁坡 地降雨径流的汇流量。 1 胡晓梅 水工保护在 黄土高坡上的应 用【 J 】 天然气与石油 ， 2 0 0 5 ， 2 3 ( 4) ： 6 1 6 4 2 】 吴克信 ， I U I 8 黄土地区油气管道工程线路水工保护措施探讨【 J 】 天 然气与石油 ， 2 0 0 3， 2 1 ( 4) ： 5

21、 8 6 2 运 ， 2 0 0 1 ， 2 0 ( 4) ： 2 8 3 1 4 张歆， 余剑平 陕京输气管道工程水土流失分析及防治措施 人民 长江 ， 2 0 0 6。 3 7 ( 2) ： 4 5 4 7 5 】 石长远， 赵万里 油气工程中湿陷性黄土地基处理 J 】 天然气与石油， 2 0 0 6 ， 2 4 (1) ： 6 3 6 6 6 】郝世 英 ， 苏勇 ， 常宏 ， 等 黄土 高原 长输管道生态型水 工保护 技术 石 油工程建设 ， 2 0 0 4， 3 0 (1) ： 3 1 3 4 7 】 陈勤功， 徐国桥 ， 张国强， 等 黄土塬； 中 沟地段长输管道的水工保护方 法

22、【 J 】 石油工程建设 ， 2 0 0 8 ， 3 4 (2) ： 6 3 6 5 郭存杰( 1 9 7 8 一 ) ，男，山东青岛人，工程师，2 0 0 5 年毕业于中国石 油大学( 北京)机械电子工程专业，硕士，现从事陕京输气管道地质 灾害研究和管理工作。 3 王卫民， 张文伟 黄1 - 地区长输管道地质灾害分析及治理 J 】 油气储 西气东输三线西段工程全线贯通 2 0 1 4年 8月 2 5日，甘肃省瓜州县腰占子村 ，随着西气东输三线 ( 简称西三线 ) 瓜州站金 口焊接完成 ，标 志着全长 2 4 4 5 k m的西三线西段全线贯通。西三线西段建成投产后，中亚 “ 蓝金”和新疆煤制

23、天然气将通过中卫站 向长三角、珠三角、环渤海和川渝地区输送，管道沿线数以亿计的民众将从中受益。 西三线工程全长 7 3 7 8 k m，沿线经过新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、湖北、湖南、江西、福建和厂东 1 0个省 区，年设计输量 3 0 0亿 m。 ，上游与中国 一中亚天然气管道 C线连接。西三线采取分段、分期建设投产的方式 ，霍尔 果斯 一中卫为西段 ，中卫 一吉安为中段 ，吉安 一福州为东段 ，东段和西段工程于 2 0 1 2年 1 0月 1 6日开工 ，中段工 程预计今年年底开工。 西三线作为我国首个引入社会资本和民营资本参与建设的国家重点工程，首次大规模应用国产电驱、燃驱压缩机 组和大口径高压球阀。通过开展0 8 强度设计系数管道建设，使我国管道设计系数达到国际一流水平。组织开展自动 焊和聚氨酯补口等一系列科技攻关和实验 ，推动我国经济发展转型步伐3 0 1央 和民族工业产业升级 ，带动相关产业发展。 目前，西三线西段正有序推进站场等后续工程建设 ，预计 9月底具备投产条件 ；西三线东段已完成 7 5 管道 焊接量 ，2 0 1 5年 1 2月具备投产条件 ；2 0 1 6年年底 ，西三线中段将建成投产。西三线将与我国原有管道构成超过 4万 k m 的天然气输气骨干管网。