武萬 寇健 王軍亮

西部管道新疆輸油氣分公司

摘要：長(zhǎng)輸油氣管道在沙漠、戈壁地段敷設(shè)時(shí)，受地形地貌、土體性質(zhì)、氣候、植被等影響，易遭受風(fēng)蝕沙埋災(zāi)害威脅。主要分析了西部管道風(fēng)蝕沙埋災(zāi)害分布和危害，總結(jié)歸納了目前典型、有效的防治措施，為降低對(duì)管道、伴行道路的影響，保障油氣管道安全運(yùn)行提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：油氣管道；風(fēng)蝕沙埋；危害；防治措施

我國(guó)西北地區(qū)受土壤風(fēng)蝕及土地沙漠化影響的面積占國(guó)土總面積的二分之一以上[1]，在干旱、多風(fēng)，晝夜溫差懸殊，光輻射強(qiáng)烈氣候條件下，巖土體遭受寒凍和機(jī)械等物理風(fēng)化的作用非常強(qiáng)烈，不斷產(chǎn)生大量的砂和粉砂物質(zhì)，形成了沙地（丘），使途經(jīng)敷設(shè)的油氣管道容易遭受風(fēng)蝕沙埋災(zāi)害的威脅。

風(fēng)蝕地貌主要是由風(fēng)和風(fēng)沙流的吹蝕和磨蝕作用塑造的地表形態(tài)，包括風(fēng)蝕坑（洼地）和戈壁。風(fēng)積地貌則是平緩沙地、沙丘及由沙丘組成的沙漠或沙地。風(fēng)力作用下土壤顆粒主要有懸移、躍移和蠕移三種運(yùn)動(dòng)類型，不同運(yùn)動(dòng)方式風(fēng)蝕強(qiáng)度有一定的差異，其中以“懸移”方式的土壤損失最為明顯，對(duì)油氣管道危害最大。風(fēng)蝕積沙包括風(fēng)蝕、堆積和搬運(yùn)三種狀態(tài)。其中，風(fēng)蝕是搬運(yùn)的開始，堆積是搬運(yùn)的結(jié)束，搬運(yùn)則是風(fēng)蝕和積沙的轉(zhuǎn)化，可應(yīng)用這一風(fēng)蝕積沙規(guī)律開展災(zāi)害治理[2]。本文通過收集資料，總結(jié)歸納了西部管道沿線風(fēng)蝕沙埋災(zāi)害的表現(xiàn)形式和相應(yīng)的治理措施，為今后開展相關(guān)工作提供借鑒。

1  風(fēng)蝕沙埋災(zāi)害分布及危害

1.1  災(zāi)害分布

西部管道風(fēng)蝕沙埋災(zāi)害主要分布在西一線、輪吐線博斯騰湖南緣東部、西一線庫(kù)木塔格沙壟、澀寧蘭一線和澀寧蘭復(fù)線澀北首站及其以東約80 km的范圍內(nèi)，呈流動(dòng)的沙地（丘）與半固定沙地（丘）相間斷續(xù)小片狀分布的特點(diǎn)（圖 1）。

圖 1 西部管道風(fēng)蝕沙埋災(zāi)害示例

1.2  風(fēng)蝕危害

風(fēng)蝕地段，沙地（丘）在大風(fēng)作用下來回不定地移動(dòng)，會(huì)降低管道埋深或使管道外露、懸空（圖 2），同時(shí)使管道外圍溫度、濕度更接近于土壤表層或大氣環(huán)境，因含氧量、植物根系分布量增加，對(duì)煤焦油瓷漆防腐層破壞概率增高，溫度劇變?cè)斐煞栏瘜右酌撀�，兩種因素加速了管道防腐層老化。冬季管道環(huán)境溫度降低，更易形成天然氣水合物，在露管管段下游或有降壓、截流部位會(huì)造成冰堵，嚴(yán)重影響油氣管道的安全運(yùn)行和下游用戶的正常用氣[3]。除此之外，風(fēng)蝕容易造成陰保測(cè)試樁及各種標(biāo)識(shí)物宣傳牌的傾斜、倒伏及伴行道路路基寬度減小、路肩路面坍塌等，影響行車安全。

圖 2 西一線庫(kù)木塔格沙壟段露管現(xiàn)場(chǎng)及應(yīng)急處置

1.3  沙埋危害

風(fēng)積地段，由于風(fēng)沙流受阻積沙或沙丘前移，加大管道埋深，掩埋并中斷管道伴行道路（圖 3），在溫度及沙土重力作用下增大管道上覆層應(yīng)力，可能使管道產(chǎn)生不均勻沉降。西一線管道KP788-KP793段穿越庫(kù)木塔格沙壟處五個(gè)典型截面的管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這一結(jié)論。

圖 3 風(fēng)蝕沙埋災(zāi)害致伴行道路通車不暢

2  沙埋地災(zāi)監(jiān)測(cè)

2017年以來，西部管道新疆輸油氣分公司對(duì)西一線管道KP788—KP793段穿越庫(kù)木塔格沙壟處開展管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)。選取五個(gè)典型截面，其中X1、X2截面布設(shè)于1#沙丘兩端覆沙較薄段， X3、X5截面位于2#沙丘兩端覆沙較薄段，X4截面位于2#沙丘中部覆沙最厚段，截面間距約60 m（圖 4）。

圖 4 KP788—KP793管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)截面布局示意圖

歷史監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，僅有X4監(jiān)測(cè)截面出現(xiàn)過2次黃色預(yù)警、1次藍(lán)色預(yù)警；其余監(jiān)測(cè)截面均長(zhǎng)期處于無預(yù)警級(jí)別，詳見表 1。

表 1 西一線KP788—KP793管段X4監(jiān)測(cè)單元預(yù)警情況

最新監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，KP788-KP793管段應(yīng)力監(jiān)測(cè)值均未達(dá)到設(shè)定的監(jiān)測(cè)預(yù)警級(jí)別，管道應(yīng)力處于可接受范圍。由于管體溫度上升，附加壓應(yīng)力增大；管體溫度下降，附加拉應(yīng)力增大。X4截面處管道受季節(jié)性強(qiáng)風(fēng)的風(fēng)蝕沙埋影響較為明顯，需持續(xù)關(guān)注該監(jiān)測(cè)單元管道應(yīng)力變化情況。

3  防治措施

治沙措施按類別分有工程措施、生物措施、綜合措施等，目的都是為了固沙、阻沙、導(dǎo)沙。國(guó)內(nèi)多年沙害綜合治理表明，工程防沙措施由于其施工速度快、效果好而在油氣管道線路工程治沙中得到了廣泛應(yīng)用[4]。

3.1  工程防沙

工程防沙指通過在流沙上設(shè)置沙障或其他防沙工程結(jié)構(gòu)，人為控制地表的積蝕變化和改變風(fēng)沙流的搬運(yùn)堆積條件，保護(hù)油氣管道、伴行道路免遭風(fēng)沙的危害。工程防沙不受水分條件限制，適用范圍廣、見效快，可作為植物防沙的先導(dǎo)工程。工程防沙能夠因地制宜采用當(dāng)?shù)夭牧�，降低工程造價(jià)，在沙害治理中應(yīng)用最為普遍。但工程防沙相對(duì)于植物防沙，存在防護(hù)年限短，需要經(jīng)常維護(hù)、更新的缺點(diǎn)。

（1）固沙措施。①沙面覆蓋。一般選用當(dāng)?shù)靥烊徊牧先缢槭�、黏土等平鋪于沙面，利用材料的抗風(fēng)蝕能力保護(hù)地表免遭風(fēng)蝕。近年來，噴灑化學(xué)材料固定流沙也已得到應(yīng)用。②格狀沙障。利用麥草、蘆葦、塊石、鹽土、黏土等材料在流沙上設(shè)置成方格沙障，增加地面的粗糙度，降低地表風(fēng)速，抑制風(fēng)沙流的產(chǎn)生�，F(xiàn)階段應(yīng)用的有草方格沙障、纖維筒沙障、黏土覆蓋、塑料沙障、瀝青沙障以及植物沙障(防風(fēng)固沙林帶)等，其中應(yīng)用廣泛、效果最好的有草方格沙障和植物沙障（圖 5）。

圖 5 輪吐線博斯騰湖南緣東部草方格沙障防護(hù)

研究表明，沙障高度是決定防護(hù)效果的主要因素，沙障被嚴(yán)重沙埋會(huì)導(dǎo)致防風(fēng)固沙功能喪失，而輕度沙埋則有助于沙障形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體，在一定程度上提高防護(hù)效果[5]。

（2）阻沙措施。通過設(shè)置高立式阻沙柵欄攔截風(fēng)沙流的運(yùn)動(dòng)，改變局部范圍氣流的方向和速度，使沙粒在柵欄附近堆積，以避免線路遭到沙埋。阻沙柵欄的阻沙效果與其結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。緊密結(jié)構(gòu)的柵欄，迎風(fēng)側(cè)積沙范圍一般為柵欄高度的2～3倍，背風(fēng)側(cè)約為4～5倍，空隙度為0.2的透風(fēng)結(jié)構(gòu)柵欄，柵欄前積沙不多，柵欄后積沙長(zhǎng)度為柵欄高度的7～8倍，空隙度為0.5時(shí)，柵欄后積沙約為柵欄高的12～14倍。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常采用空隙度為0.25～0.45的透風(fēng)結(jié)構(gòu)柵欄。阻沙帶主要設(shè)置在固沙帶的外緣，應(yīng)離開線路一定距離，否則堆積在線路兩側(cè)易形成新的沙源。阻沙帶主要采用各種形式的阻沙柵欄和阻沙溝堤，阻沙柵欄的材料可因地制宜采用樹枝、蘆葦、竹片等。

（3）輸沙措施。通過減少地表粗糙度和加強(qiáng)局部位置的風(fēng)速，將風(fēng)沙流輸移過線路，達(dá)到線路不產(chǎn)生積沙的目的。目前主要有下導(dǎo)風(fēng)柵板輸沙結(jié)構(gòu)，它通過對(duì)氣流進(jìn)行壓流而提高下導(dǎo)風(fēng)出口處貼地表的風(fēng)速，在公路上應(yīng)用效果較好。

（4）導(dǎo)沙措施。當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)沙方向與管道走向呈小交角時(shí)，可在線路外緣設(shè)置導(dǎo)沙結(jié)構(gòu)，將風(fēng)沙流導(dǎo)離管道，目前試驗(yàn)應(yīng)用的主要有羽排導(dǎo)沙。羽排是由多塊平行的導(dǎo)風(fēng)板構(gòu)成的一組羽毛狀導(dǎo)沙工程結(jié)構(gòu)物，它能改變局部氣流的運(yùn)動(dòng)風(fēng)向，引導(dǎo)風(fēng)沙流向線路的旁側(cè)運(yùn)動(dòng)，從而避免風(fēng)沙流對(duì)線路的侵襲。導(dǎo)沙措施有一定的使用條件，如主導(dǎo)風(fēng)向與線路交角小，風(fēng)向較為單一或擺動(dòng)不大，線路附近有可儲(chǔ)沙的溝谷、洼地或使用在曲線地段。羽排導(dǎo)沙因受風(fēng)向和地形條件的限制應(yīng)用較少。

3.2  生物措施

通過營(yíng)造防沙林帶，增加地面的粗糙度，削弱地面風(fēng)速，減輕風(fēng)沙流的運(yùn)動(dòng)，改變沙地的理化性質(zhì)、生態(tài)環(huán)境，利用植物獲得長(zhǎng)久的防沙效益。沙漠地區(qū)氣候干旱、土壤貧瘠，不利于植物的生長(zhǎng)，為提高固沙造林的質(zhì)量必須解決好樹種選擇、林帶配置等技術(shù)問題。防風(fēng)固沙的植物有許多，其中適宜流動(dòng)半流動(dòng)沙丘生長(zhǎng)的植物有梭梭、花棒、沙拐棗、三芒草等，它們被譽(yù)為沙漠中的先鋒植物。具有加固沙丘作用的植物有沙棗、沙棘、檸條、胡楊、紅柳、沙柳、白刺、沙冬青、沙蒿、旱麥草、蟲實(shí)等，它們具有極強(qiáng)的抗早和避寒功能，是多年生短命植物；生于圈定沙丘上的地白蒿、紅砂、豬毛菜、旱麥草、鶴虱等，雖然不具有耐風(fēng)蝕、沙埋的能力，但耐鹽堿、耐旱。

3.3  綜合措施

防沙措施各有其使用條件，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)沙害特點(diǎn)采取綜合措施，并應(yīng)特別注意固沙和阻沙措施的結(jié)合，避免單一措施[6]。如西一線KP792+300 m處采取沙袋固沙及柵欄阻沙綜合措施防護(hù)（圖 6）。

圖 6 沙袋固沙及柵欄阻沙綜合防護(hù)

4  結(jié)論

雖然油氣管道風(fēng)蝕沙埋占管道地質(zhì)災(zāi)害的比例較低，但一旦受災(zāi)將面臨管道裸露、懸空、防腐層破壞、露管下游降壓和截流部位冰堵風(fēng)險(xiǎn)，伴行道路亦有中斷、掩埋風(fēng)險(xiǎn)。生物措施雖能改變沙地的理化性質(zhì)、生態(tài)環(huán)境，獲得長(zhǎng)久的防沙效益，但需充分考慮項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)地表、地下水分布、發(fā)育情況。相對(duì)于生物措施，工程措施存在防護(hù)年限短，需要經(jīng)常維護(hù)、更新的缺點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)沙害特點(diǎn)采取綜合措施，并應(yīng)特別注意固沙和阻沙措施結(jié)合，提高防沙治理效果。

參考文獻(xiàn)：

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[2]閆德仁，姚洪林，胡小龍.流動(dòng)沙丘不同部位風(fēng)蝕積沙特征研究[J].水土保持通報(bào)，2015，35(4)：288-292.

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[4]劉付喜.淺論蘇里格氣田沙露管段防風(fēng)固沙作業(yè)[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2011，31(8)：248-249.

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[6]錢征宇.中國(guó)沙漠鐵路的風(fēng)沙危害及其防治技術(shù)[J].中國(guó)鐵路，2003，(10)：24-26.

作者簡(jiǎn)介：武萬，1985年生，本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)任新疆輸油氣分公司副經(jīng)理，負(fù)責(zé)長(zhǎng)輸管道線路安全管理工作。聯(lián)系方式：18709375299，wuwan@pipechina.com.cn。