鄧豐林

國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道公司蘭州輸油氣分公司

摘  要：地質(zhì)災(zāi)害影響油氣管道運(yùn)行安全和使用壽命。黃土高原作為我國油氣管道東西和南北的交叉點(diǎn)，其災(zāi)害發(fā)育與黃土濕陷有明顯的相關(guān)性。從油氣管道管理工作實(shí)際出發(fā)，簡要分析了黃土濕陷機(jī)理和其對(duì)油氣管道的危害，探討了防治措施，總結(jié)目前在黃土濕陷治理方面比較有效的經(jīng)驗(yàn)，希望對(duì)油氣管道穿越黃土地區(qū)災(zāi)害防控有所幫助。

關(guān)鍵詞：油氣管道；山區(qū)管道；黃土地區(qū)；黃土濕陷；防治措施

黃土高原是國家西氣（油）東輸、北油（氣）南運(yùn)等油氣管網(wǎng)重大工程的必經(jīng)之地，目前該區(qū)域內(nèi)的在役管道里程累計(jì)逾5000 km，各類地質(zhì)災(zāi)害中有超過80%以上均與黃土濕陷作用有關(guān)。因黃土濕陷導(dǎo)致地基下沉或洞穴發(fā)育，發(fā)生管溝的不均勻沉陷、裂縫或管道的懸空、裸露等危害，嚴(yán)重影響其安全運(yùn)行。筆者開展山區(qū)油氣管道黃土濕陷形成機(jī)理以及防治措施探討，以期為黃土濕陷災(zāi)害監(jiān)測(cè)與治理提供依據(jù)。

1  黃土濕陷產(chǎn)生機(jī)理

黃土是在干燥條件下形成的一種富含孔隙、結(jié)構(gòu)疏松、垂直節(jié)理發(fā)育、一般具有不同程度濕陷性的第四紀(jì)特殊沉積物，它以粉土顆粒為主，富含碳酸鹽類，具有多孔性和柱狀節(jié)理發(fā)育。引起濕陷的原因是黃土在形成時(shí)是極松散的，季節(jié)性的短期降雨把松散的粉粒黏結(jié)起來，而長期的干旱氣候又使土中水分不斷蒸發(fā)，隨著含水量的減少土粒彼此靠近，形成了以粗粉粒為主體骨架的多空隙結(jié)構(gòu)。當(dāng)黃土受水浸濕時(shí)，結(jié)合水膜增厚楔入顆粒之間，于是結(jié)合水連接消失，鹽類溶于水中，骨架強(qiáng)度隨之降低，土體在上覆土層的自重壓力或在自重壓力與附加壓力共同作用下，其結(jié)構(gòu)迅速破壞，土粒向大孔滑移，粒間孔隙減小，從而導(dǎo)致大量的附加沉陷，即黃土濕陷。

理論上黃土濕陷經(jīng)歷了兩個(gè)階段。第一階段即黃土隨著含水量的增加產(chǎn)生濕陷的過程，至含水量增加到25%左右時(shí)，黃土的變形量基本穩(wěn)定，濕陷性基本消失。第二階段當(dāng)黃土含水量增加到 25%以后，在一定的壓力作用下，黃土顆粒間黏結(jié)力消失，產(chǎn)生快速變形而致黃土結(jié)構(gòu)破壞，即液化變形階段。

2  黃土濕陷對(duì)管道的危害

2.1  黃土濕陷災(zāi)害發(fā)展過程

據(jù)2019年蘭成原油管道地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查資料，甘肅段黃土地區(qū)共發(fā)育災(zāi)害188處，其中黃土濕陷54處，占發(fā)育災(zāi)害總量的29%（表 1），表明黃土濕陷發(fā)育密集、規(guī)模大，易發(fā)性高。黃土濕陷災(zāi)害由產(chǎn)生到威脅管道安全經(jīng)歷以下過程。

（1）未被夯實(shí)且結(jié)構(gòu)遭到破壞的管溝填土，在雨水和濕土自重作用下會(huì)發(fā)生沉降，產(chǎn)生局部負(fù)地形，為水流進(jìn)一步匯入創(chuàng)造了條件。

（2）水流匯入后，水頭壓力增大，帶走黃土中的黏土粒和粉土粒，擴(kuò)大土體節(jié)理、裂縫和動(dòng)植物孔穴，溶解易溶鹽，產(chǎn)生陷穴。

（3）水流找到出口后流速增大，溶蝕和土粒搬運(yùn)能力增強(qiáng)，陷穴不斷擴(kuò)大。管道上部覆土濕陷下沉?xí)��?dǎo)致管道淺埋，陷穴則會(huì)最終導(dǎo)致露管、管道懸空、管道下沉彎曲變形，由此造成管道破壞。而陷穴屬于隱蔽性災(zāi)害，不易察覺，有的陷穴規(guī)模較大。

2.2  黃土濕陷對(duì)管道的危害

黃土濕陷對(duì)管道的危害主要體現(xiàn)在管溝塌陷、管道裸露、管道暗懸等，如圖 1所示。

（1） 管溝塌陷。管溝塌陷是黃土地區(qū)最為頻繁發(fā)生的災(zāi)害類型。管道建設(shè)中對(duì)沿線原黃土層和植被造成的擾動(dòng)，是導(dǎo)致管溝塌陷的主要因素。其中溝蝕對(duì)管溝的危害最為嚴(yán)重, 主要表現(xiàn)在溝底下切、溝岸擴(kuò)展和溝頭前進(jìn)，嚴(yán)重時(shí)地面沉陷，造成管道裸露懸空。

（2）腰峴垮塌。管道沿黃土山脊修建時(shí)，在特殊地段依托腰峴通過較為常見，但濕陷性黃土腰峴在遇到降雨、灌溉、降雪時(shí)，容易發(fā)生垮塌，造成管道及光纜裸露懸空。

（3）管道裸露。由于黃土濕陷，在管道上方形成負(fù)地形，影響原有的水流途徑，水流呈散流狀引起沖刷下切、側(cè)蝕或溯源侵蝕，最終造成邊坡失穩(wěn)，管道裸露。

（4）管道暗懸。地表下沿管道發(fā)育的暗溝多位于連續(xù)斜坡上，其源頭位于斜坡上部管線附近的黃土漏斗、陷穴、落水洞等下方，水從源頭流入，沿管道侵蝕管道周邊及下方黃土，至斜坡下方管線附近的出水口流出，形成的管道暗懸具有隱蔽性，致使發(fā)現(xiàn)這類災(zāi)害的難度極大。

3  黃土濕陷防治措施

（1）疏導(dǎo)水。黃土濕陷防治最主要思路是疏導(dǎo)水流，其主要措施為修建截排水溝/土埂等水工保護(hù)工程。截排水溝將水引至它處，避免水流向管道上方低洼處或沖刷水工保護(hù)工程主體而發(fā)生黃土濕陷或護(hù)坡?lián)p壞。截排水溝可用混凝土制作或者預(yù)制，也可用三七灰土或二八水泥土夯筑，或嘗試在迎水面以石籠替代土埂，效果不錯(cuò)。

（2）固土法。包括抗滑樁、擋土墻、格構(gòu)、坡體植草等，都是針對(duì)腰峴處的災(zāi)害特殊性，使土體不流失而進(jìn)行的固土措施。如蘭成原油管道柏家山段腰峴處的災(zāi)害治理措施，前期投入雖較高，但后期投入較少，維護(hù)較為方便。

（3）夯實(shí)法。適用于管溝塌陷和管道暗懸的地質(zhì)災(zāi)害治理。管溝回填高于地面100～200 mm，超出管溝外 300 mm 左右，回填土應(yīng)分層夯實(shí)，在管道上方 0.5 m 以下應(yīng)仔細(xì)回填, 壓實(shí)系數(shù)不低于0.93�；靥盍细鶕�(jù)實(shí)際情況可選用黃土、灰土或者水泥土，并保證最優(yōu)的含水量。

（4）預(yù)浸法。較多用在大面積建筑工程地基，處理效果明顯。近些年嘗試用于山區(qū)管道黃土濕陷災(zāi)害治理。做法如老鄉(xiāng)的水澆地，使黃土濕陷慢慢消除，形成穩(wěn)定狀態(tài)。在土地相對(duì)較平坦、有水源情況下，可以有限度嘗試應(yīng)用。

（5）截水墻。該方法是目前治理黃土濕陷、防治大面積開挖的主要手段之一。其主要做法是間隔5 m左右，開挖到管道下方0.5 m，再回填夯實(shí)至地面高程。施工過程中可以添加石灰或水泥，治理效果更好。

（6）添加改良劑。常用的改良劑有水玻璃、抗疏力土壤穩(wěn)定劑、酒石酸鈉等。其作用原理基本類似，即讓土顆粒具有吸附黏土顆粒、帶有負(fù)電荷、水化能力強(qiáng)的特性，能夠起到聚結(jié)穩(wěn)定性、分散和護(hù)膠作用。

蘭州分公司在蘭鄭長成品油管道K9+480米處以抗疏力改良黃土夯筑擋土墻，經(jīng)凍融和汛期考驗(yàn)，未出現(xiàn)垮塌和沖刷現(xiàn)象，且植被恢復(fù)效果較佳（圖 2）。進(jìn)一步優(yōu)化方案后，在蘭成原油管道K47+900米處開展了新型黃土改良劑擋土墻嘗試，表明其不影響農(nóng)作物生長，施工快捷，具有很好的推廣和應(yīng)用價(jià)值（圖 3）。

作者簡介：鄧豐林，1973年生，畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，工程師，現(xiàn)任蘭州輸油氣分公司副經(jīng)理，從事長輸油氣管道管理工作。聯(lián)系方式：18087118326，1144130450@qq.com。