劉小暉 馬燁 袁海 王景巍

中國石油西南管道蘭州輸油氣分公司

 

 

近年來我國長輸管道發(fā)展迅速，截至2017年底，在役油氣管道總里程已超過13萬公里，形成了東西南北互通的能源管網(wǎng)。隨著管道運(yùn)營里程增加，管道地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育也越來越多[1]。 國內(nèi)外對管道地質(zhì)災(zāi)害的研究[2-6]，一方面集中于對埋地管線荷載力的力學(xué)分析；另一方面專注于管道風(fēng)險管理和評價，傾向于事故前控制。泥石流是山區(qū)常見的自然現(xiàn)象，當(dāng)油氣管道與泥石流溝道并行或者相交時，發(fā)育的泥石流輕則造成管道埋深不足或局部出露，重則造成管道長距離懸空、變形、扭曲、斷裂等。本文梳理和總結(jié)發(fā)育的泥石流溝道，對穿越油氣管道防治地質(zhì)災(zāi)害有一定指導(dǎo)意義。

1 響河溝泥石流溝道的基本情況

武山縣位于甘肅省東南部，天水市西北方向，地處秦嶺與黃土高原的過渡帶，黃河一級支流渭河的上游。境內(nèi)響河溝位于縣城東約15公里處的洛門鎮(zhèn)北。穿越管道位于響河溝流域中、下游區(qū)段，如圖 1所示。

2006年8～9月，武山縣響河溝流域連續(xù)發(fā)生了三次規(guī)模較大的稀性泥石流災(zāi)害，沖毀龍（泉）榆（盤）路多處，并給蘭成渝輸油管線響河溝段管道造成了較為嚴(yán)重的災(zāi)害險情，危及管道的安全。 8月13日夜間和18日凌晨，響河溝流域兩次強(qiáng)降雨，形成災(zāi)害性泥石流，沖毀公路十余處，造成公路內(nèi)側(cè)路肩下輸油管道外露、懸空，處于極其危險的狀態(tài)，且洛門鎮(zhèn)地勢較低，直接威脅洛門鎮(zhèn)的安全。

2 響河溝泥石流基本特征

響河溝因泄洪期間帶響聲而得名，歷史上即是一條泥石流溝。根據(jù)走訪當(dāng)?shù)乩习傩眨?nbsp;2006年連發(fā)三次稀性泥石流，特別是第一次泥石流暴發(fā)時，數(shù)公里外就可聽到溝谷中巨石相互摩擦、撞擊的響聲，而溝道河床上比比皆是巨大漂石，泥石流所過之處樹皮被剝（年坪村前主溝漫灘上直徑25 cm粗樹皮被剝高度達(dá)2.5 m）。

2.1 稀性泥石流的發(fā)育特點(diǎn)

與一般的泥石流溝相比，響河溝泥石流的形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)有較為特殊的組合特點(diǎn)。從溝谷形態(tài)、溝谷比降、松散固體物質(zhì)來源、地表匯水徑流特征等泥石流主要形成要素分析，在類似于不規(guī)則樹葉形的流域內(nèi)，除主溝槽（中部黨家溝、水簾洞溝和下游的響河溝）外，上游及兩側(cè)山區(qū)均為泥石流形成 區(qū)，區(qū)內(nèi)溝谷坡降大、松散物質(zhì)豐富，匯流集中，是水、固體物質(zhì)混合、攪拌的場所，最終以泥石流形式進(jìn)入流通區(qū)；流通區(qū)位于“樹葉”中部基巖裸露區(qū)和主支部位——即黨家口村和水簾洞以下到年坪村之間的狹長主溝槽中，溝床坡降介于3%～4%，是形成區(qū)泥石流物質(zhì)向堆積區(qū)傳輸?shù)耐ǖ�；堆積區(qū)位于年坪村以下的主溝床及溝口外、渭河以北寬緩開闊的洪積扇區(qū)，該段堆積區(qū)泥石流物質(zhì)沖刷、堆積轉(zhuǎn)換頻繁，溝床下切與側(cè)岸侵蝕強(qiáng)烈，在自然狀態(tài)下，扇面主沖溝呈跳躍式擺動，目前由于人工開挖、引導(dǎo)和防護(hù)，主溝道被固定下來。

由圖 2可以看出，響河溝泥石流形成區(qū)面積大，所有支溝和坡面溝地形陡峻、溝谷狹窄、坡降大，為迅速匯集的大量徑流與松散固體物質(zhì)下泄提供了非常有利的地形、溝道條件。流通區(qū)相對較小，溝道狹窄，坡降較大，以搬運(yùn)為主，蛇曲迎水段沖刷侵蝕強(qiáng)烈，背水段存在局部少量淤積，基本處于動態(tài)平衡。堆積區(qū)宏觀上處于堆積狀態(tài)——溝床在逐年抬升，但主溝道內(nèi)主流擺動造成局部強(qiáng)烈沖刷、塌岸現(xiàn)象較為普遍，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳�活與生產(chǎn)。而下游人為固定主溝槽，從某種程度上違反了泥石流的沖淤變化規(guī)律，必然帶來一系列的工程問題。

由于區(qū)域地殼升隆，溝谷下切，坡降增大，重力地質(zhì)作用增強(qiáng)，而頻繁發(fā)生的強(qiáng)大暴雨致使該溝的泥石流頻度增大，歷史上曾頻繁發(fā)生過不同程度的泥石流，因此該溝道目前處于泥石流發(fā)育旺盛期。據(jù)走訪調(diào)查并查閱有關(guān)歷史資料，響河溝每隔1～2年都發(fā)生不同程度的稀性泥石流，較為明顯的稀性泥石流每10年兩次，其中災(zāi)害性泥石流約15年暴發(fā)一次，嚴(yán)重災(zāi)害性泥石流約50～70年暴發(fā)一次。但2006年8～9月先后暴發(fā)三次規(guī)模較大的稀性泥石流，沖斷公路、嚴(yán)重危及管道安全。

2.2 響河溝泥石流的運(yùn)移特征

（1）泥石流過程。泥石流歷時為泥石流龍頭出溝口到泥石流停止堆積所經(jīng)歷的時間過程。根據(jù)歷史記載和調(diào)查訪問，響河溝歷史上發(fā)生的造成嚴(yán)重災(zāi)害的泥石流歷時在20～50 min 之間，屬于單峰型。

（2）響河溝稀性泥石流重度調(diào)查。根據(jù)溝道中泥石流堆積體的顆粒分析、高漫灘堆積形態(tài)、溝壁泥膜等調(diào)查資料，對比以往不同重度拌合試驗，結(jié)合天水地區(qū)類似溝道研究成果，采用工程地質(zhì)比擬法和相關(guān)經(jīng)驗公式，確定該溝稀性泥石流重度值介于14～15 kN/m3。

（3）響河溝稀性泥石流流量調(diào)查。為了較為真實(shí)地反映響河溝稀性泥石流暴發(fā)時的實(shí)際情況，我們對14 km治理工程重點(diǎn)溝道進(jìn)行了詳細(xì)的水文地質(zhì)調(diào)查。在2006年泥石流爆發(fā)后不久，選取三個泥膜較為清晰、斷面較為規(guī)矩的主溝槽過流斷面，實(shí)地測量后計算泥石流的實(shí)際流量，作為校正理論流量的參照，結(jié)果見表 1。

（4）響河溝稀性泥石流的流態(tài)特點(diǎn)。據(jù)親眼目睹2006年泥石流的當(dāng)?shù)鼐用窠榻B，響河溝泥石流發(fā)生時具有較為強(qiáng)大的龍頭。特別是間歇時間較長、多年不遇的首場泥石流，其龍頭高陡寬大，泥深是平均泥深的3～4倍，龍頭覆蓋了年坪村口附近高約6.5 m的水泵房并將其卷走。龍頭具有直進(jìn)性，直接爬過該處左岸3 m多高的河堤擋墻，進(jìn)入公路內(nèi)側(cè)居民區(qū)，殘留的泥膜高出地面1.2～1.5 m，龍頭過處，樹木、莊稼及輕型構(gòu)筑物全部被毀。而橫斷面上泥石流呈中間高、兩側(cè)低的特點(diǎn)，與溝道正中間幾棵樹樹皮被剝高 度的形態(tài)相吻合。龍頭過后，溝道內(nèi)泥石流的流態(tài)呈連續(xù)性流動，但受各支溝匯流時間差的影響，連續(xù)流的流量并不穩(wěn)定，具有陣發(fā)變化特點(diǎn)。

（5）響河溝稀性泥石流的粒度特征。響河溝稀性泥石流的粒度成分在不同區(qū)域、不同地段有較大的變化。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，匯流區(qū)坡面的上部分固體物質(zhì)粒度小，但呈塊狀結(jié)構(gòu)，下部分基巖外露處，大塊狀堅硬砂巖參與泥石流活動，粒徑介于0.2～1.2 m。流通區(qū)峽谷地段巨大堅硬砂巖以崩塌、錯落等形式介入泥石流活動，在流通區(qū)與堆積區(qū)的上半部溝床上，分布有大量的漂石，其中最大漂石的長軸達(dá)3 m、厚1.2 m、寬1.8 m。堆積區(qū)開闊的溝床成為大量泥沙、角礫以及礫巖塊石的沉積場所，但主流對溝床、溝坡底蝕、側(cè)蝕強(qiáng)烈，形成局部沖刷，大量沙礫卵石被沖出河谷順溝道直接排入渭河。該區(qū)沉積厚度一般5～7 m，最厚處達(dá)10 m以上。但整個來看，從溝腦到入渭河間，溝道內(nèi)松散固體物質(zhì)的粒度在逐漸變細(xì)，具有漸變規(guī)律，而細(xì)粒物質(zhì)呈現(xiàn)為逐漸增加的規(guī)律。

3 綜合防治措施

3.1 工程確定原則

《蘭成渝管道響河溝泥石流溝道治理工程》項目開展之初，首先對管道改線和溝道治理方案進(jìn)行了論證。兩種方案中溝道治理方案無論是費(fèi)用還是施工技術(shù)可行性，都更為可靠、經(jīng)濟(jì)、合理。采用治理溝道方案是全流域治理還是有針對性的部分治理，是治理并行道路間接保護(hù)管道，還是直接保護(hù)管道，所有工程是全部新建，還是利用原來部分工程修復(fù)重建，經(jīng)過專家和技術(shù)人員的比選和分析，采取了對與管道并行敷設(shè)的溝道進(jìn)行治理，采用新建水工保護(hù)設(shè)施，通過保護(hù)道路從而達(dá)到間接保護(hù)管道的目的。

為了對12 km長且處于不同狀態(tài)的管道進(jìn)行有效防護(hù)，首先開展了全流域的泥石流調(diào)查工作，在對不同位置管道、伴行路、溝道、泥石流流態(tài)等空間關(guān)系分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行針對性的防護(hù)工程設(shè)計，工程形式與規(guī)模的確定原則是：

（1）按50年一遇泥石流災(zāi)害防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。

（2）穿越段管道埋深小于理論沖刷深度處進(jìn)行防沖刷治理，順溝段管道與伴行路視為一體進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃治理。

（3）設(shè)計參數(shù)的選取以理論計算、經(jīng)驗判斷和實(shí)地調(diào)查結(jié)果為依據(jù)綜合考慮，各工程基礎(chǔ)埋置深度必須至少在最大沖刷深度以下0.5 m，河堤擋墻高度必須滿足設(shè)計最高泥位要求等。

（4）在保證安全的情況下以節(jié)約經(jīng)費(fèi)為原則。

3.2 各工程確定說明

（1）河堤擋墻。

①由于2#～9#地處峽谷地帶，現(xiàn)有公路擠占部分河床，本次設(shè)計采用C20鋼筋砼仰斜式擋墻，其中墻頂寬度根據(jù)是否處于頂沖段設(shè)計0.6～0.8 m。

②0#～1#和10#～18#地形相對開闊，現(xiàn)有公路基本不侵占河床，本次設(shè)計均采用漿砌塊石重力式墻，其中墻頂寬度根據(jù)是否處于頂沖段設(shè)計0.6～0.8 m，塊石強(qiáng)度等級大于MU30，砂漿強(qiáng)度等級大于M 10。

③17#～18#工點(diǎn)地處響河溝出口，溝道左側(cè)農(nóng)戶及農(nóng)田較多，為了更好地治理該段在溝道左岸也設(shè)計漿砌塊石仰斜式墻或護(hù)坡。

（2）防沖底檻的高度計算。

為了加強(qiáng)對0#和13#兩處管道穿越河床段和狹谷段及17#工程排洪道的安全和防止溝床下切，在該段防洪道中設(shè)置防沖底檻，并在最下游的防沖底檻處修建消力池，防沖底檻高度由下式確定：

H =L（I0－I′ ）

式 中 ： H 為 壩 高 （m ） ； L 為 相 臨 壩 間 距（m）； I0為原溝床坡降； I′ 為回淤后的溝床坡降。

（3）過水涵洞工程。

為了避免伴行路側(cè)山坡支溝水流對管道和道路的沖刷，對較大支溝均設(shè)計了過水涵洞，孔徑一般2.5～4.0 m，均為鋼筋砼蓋板明涵。

3.3 該項目的主要治理措施

（1）綜合護(hù)岸工程。該工程保護(hù)擋墻、防沖墻、挑壩等工程形式。首先進(jìn)行河堤擋墻施工，施工程序是：清理場地→施工放線→基坑開挖→驗基→基礎(chǔ)筑砌→墻體筑砌→墻后置反濾層并回填→充填伸縮縫→疏通泄水孔→勾縫壓頂，待擋墻主體完成后再進(jìn)行挑壩挖基、筑砌，全部砌體工程完成后，夯填超挖空間、墻后空間，最后填埋，平整美化場地。

（2）排洪道工程。該工程保護(hù)涵洞、擋墻等工程形式。排洪道施工，應(yīng)先進(jìn)行兩岸河堤擋墻施工，按清理場地→施工放線→基坑開挖→驗基→基礎(chǔ)筑砌→墻體筑砌→墻后置反濾層并回填→充填伸縮縫→疏通泄水孔→勾縫壓頂程序進(jìn)行；待墻體完成后再分別修建各防沖底檻，其施工程序同上。待上述所有工程完成后，再清理溝道、平整場地、回填超挖區(qū)域，做 到施工場地平順美觀。

4 結(jié)論

（1）響河溝泥石流溝道為稀性泥石流溝道。

（2）該泥石流的形成，具有充足的物源、陡峭的地形、短歷時的強(qiáng)降雨，具備泥石流發(fā)育特征。

（3）管道和泥石流溝道并行敷設(shè)，造成管道、光纜懸空，給管道的安全運(yùn)營造成了極大的危害。

（4）采用淤土壩、防沖墻、擋墻、挑壩等措施相結(jié)合的綜合防治工程，具有較好的治理效果。

（5）響河溝防護(hù)工程2007年完成施工，經(jīng)過10多年運(yùn)營，防護(hù)效果良好，管道安全平穩(wěn)運(yùn)行，充分說明治理措施合理可行。

 

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作者：劉小暉， 1986年生，工程師，碩士研究生，主要研究方向為管道地質(zhì)災(zāi)害防治。