輸油氣管道黃土地區(qū)環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題及對(duì)策輸油氣管道黃土地區(qū)環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題及對(duì)策【摘要】長(zhǎng)慶油田主產(chǎn)區(qū)所處的區(qū)域主要為陜甘寧黃土高原地區(qū)，該區(qū)域黃土分布面積廣,厚度大,存在陷穴、沖溝與河流侵蝕、滑坡、滑塌及崩塌等諸多環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題,嚴(yán)重影響著油田長(zhǎng)輸油氣管道的建立與平安運(yùn)營(yíng)。在分析環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題形成機(jī)理的根底上,提出了相應(yīng)的防治措施。【關(guān)鍵詞】管道環(huán)境工程地質(zhì)對(duì)策長(zhǎng)慶油田主產(chǎn)區(qū)所處的區(qū)域主要為陜甘寧黃土高原地區(qū)，該區(qū)域黃土分布面積廣、厚度大,地貌形態(tài)以梁、峁和溝壑為主,其次是黃土塬和黃土平原,該區(qū)域土壤侵蝕非常嚴(yán)重,陷穴、沖溝、河流侵蝕、滑坡、滑塌及崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象對(duì)油田長(zhǎng)輸油氣管道的平安運(yùn)營(yíng)構(gòu)成了潛在的威脅。一、環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題黃土存在大孔隙、垂直節(jié)理、立壁性強(qiáng)及抗沖蝕才能差的缺點(diǎn),按其生成年代可劃分為新黃土和老黃土,其中新黃土為晚更新世馬蘭黃土和全新世黃土,分布在河谷Ⅰ、Ⅱ級(jí)階地(一般為全新世黃土)或梁、峁、塬的表層(馬蘭黃土),土質(zhì)構(gòu)造松散,強(qiáng)度低,變形大,具有濕陷性。老黃土為早更新世午城黃土和中更新世離石黃土,主要分布在河流Ⅱ級(jí)以上階地表層或在梁、峁、塬部位,在馬蘭黃土之下,由于成巖作用時(shí)間久,其強(qiáng)度高,變形小,所以離石黃土的濕陷性一般已消失,但在較大壓力下才會(huì)表現(xiàn)出濕陷性,午城黃土的濕陷性已完全退化消失。長(zhǎng)輸管道工程在黃土地區(qū)所遇環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題主要發(fā)生在從地面至地下約10~15深度范圍內(nèi)的表黃土中,部分為老黃土中的離石黃土。常見(jiàn)的環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題有以下幾種。1．陷穴發(fā)育部位有可能發(fā)生露管陷穴由入滲水流的溶解、潛蝕以及黃土自身的濕陷作用共同形成。在坡面徑流集中部位,地下水的入滲使黃土中的易溶鹽逐漸溶解,失去了其膠結(jié)作用,由于浸透水流帶走了膠體粘土微粒,造成了潛蝕空洞。當(dāng)下滲到不透水或弱透水層時(shí),就聚集成地下水流,隨后逐漸橫向開(kāi)展,形成通至溝谷壁或陡坎壁的陷溝。陷穴通常發(fā)育在黃土梁、峁和塬邊緣的坡肩處,或?qū)掗煕_溝的階梯狀溝床近陡坎部位。長(zhǎng)輸管道經(jīng)過(guò)陷穴發(fā)育部位時(shí),易被雨季匯流的水流沖出,導(dǎo)致輸油氣管道暴露。2．沖溝和河流侵蝕使穿越管道易被沖出或沖斷降雨時(shí),雨滴直接打擊土體,土體被擊碎,離散的土粒或土塊隨濺散的雨滴躍起散落四周,地面的薄層水流向低洼處聚集,對(duì)地面產(chǎn)生不均勻的侵蝕,形成了深度和寬度在幾厘米或幾十厘米的細(xì)溝。細(xì)溝無(wú)固定匯水面積,呈網(wǎng)狀分布。細(xì)溝經(jīng)逐漸侵蝕擴(kuò)展,就變成了深度和寬度為幾十厘米乃至1~2的淺溝;也可能形成深度為10,寬度為幾米甚至幾十米的切溝;或者深度為十幾米至幾十米,寬度為幾十米甚至上百米的沖溝。溝床下切、谷坡擴(kuò)展和溝頭前進(jìn)是黃土淺溝、細(xì)溝、切溝和沖溝等各類(lèi)溝谷共有的侵蝕方式。溝床下切過(guò)程也是溝床縱剖面的塑造過(guò)程,水流聚集到一定量后,首先發(fā)生下切侵蝕,同時(shí)伴有側(cè)向侵蝕,受水流最小耗能原理支配,溝床呈現(xiàn)出一條起伏不平的階梯狀曲線(xiàn)。谷坡擴(kuò)展是由于溝床不斷下切和側(cè)蝕,谷坡的相對(duì)平衡受到破壞所致?；?、滑塌及崩塌可導(dǎo)致谷坡的迅速擴(kuò)展。溝頭前進(jìn)是我國(guó)黃土地區(qū)最活潑的溝谷侵蝕方式,大暴雨徑流期間常常在溝頭形成瀑布,在陡崖下方?jīng)_蝕成潭穴,使陡崖迅速崩塌后退。小暴雨徑流期間,水沿崖面掏蝕,使陡崖面向內(nèi)凹進(jìn),并引起凹部上方土體滑塌或崩塌,溝頭作弧形擴(kuò)展前進(jìn),埋于溝頭前方的管道,極易被雨季聚集的水流沖出,穿越黃土各類(lèi)溝谷的管道易被雨季水流沖出或沖斷。當(dāng)洪水降臨時(shí),水流速度與紊流強(qiáng)度迅速增大,攜帶泥沙的才能急劇進(jìn)步,此時(shí)洪水中的泥沙含量往往小于攜沙才能,因此連續(xù)沖刷河床,補(bǔ)充水流含沙量,逐漸形成滯后于洪峰后的一個(gè)含沙量頂峰。由于各種因素的影響,順直河道水流的深泓線(xiàn)會(huì)發(fā)生擺動(dòng),出現(xiàn)偏向于某一邊岸的側(cè)向侵蝕和垂向侵蝕,與此同時(shí),另一岸那么承受堆積,在這種情況下,受侵蝕的一岸因被淘刷而發(fā)生崩塌,后退挪動(dòng),而另一岸因承受堆積而前進(jìn),這種側(cè)向侵蝕與垂向侵蝕常常是往復(fù)式的,使得穿越河流的管道極易在河流的側(cè)向侵蝕與垂向侵蝕中被沖出,甚至沖斷。在寬谷中,由于泥流攜帶泥沙,比重大,對(duì)河床碎屑顆粒搬運(yùn)才能成倍增長(zhǎng),從而刨蝕河床與岸坡,破壞水工建筑物。在狹窄的Ⅴ形谷中,因坡降大,并受到左右空間局限,泥流的刨蝕與破壞作用很大,穿越溝、河的管道如遇到泥流時(shí),更易被沖出甚至沖斷。3．滑坡滑塌和崩塌危及近間隔埋地管道的平安滑坡是指斜坡上的黃土體在重力作用下,沿著一定的軟弱面整體向下滑動(dòng),而滑動(dòng)土體內(nèi)部的相對(duì)位置沒(méi)有發(fā)生明顯的改變,造成滑坡的原因除了與地質(zhì)構(gòu)造因素有關(guān)外,主要是雨水的滲入,增加了土體重量,降低了軟弱構(gòu)造面的抗剪強(qiáng)度,其次是沖溝、河流或人為影響,側(cè)蝕了坡足?；幕顒?dòng)過(guò)程是土體在斜坡或陡坡處先向下滑,由于地形高差大,地面坡度陡,下滑土體不能在斜坡上停留而繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng),出現(xiàn)了土體破碎甚至翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。崩塌是黃土地層受流水下切侵蝕,在沖溝或河流陡岸形成臨空面以后,卸荷裂隙發(fā)育,土體破碎,多以垂直節(jié)理為軟弱構(gòu)造面,由于基部土體被流水掏蝕以及暴雨期或雨后不久剩余基部土體吸水軟化,陡岸上部土體向下坡傾倒或倒塌?；驴墒菇g隔埋地管道出現(xiàn)裸露,也容易使滑動(dòng)土體內(nèi)部埋設(shè)的管道出現(xiàn)裸露,甚至扭彎、拉斷?；?、崩塌也可使近間隔埋地管道出現(xiàn)暴露。當(dāng)管道穿越?jīng)_溝與河流,邊岸的滑塌、崩塌可使埋地管道發(fā)生裸露或被沖斷的危險(xiǎn)。4．上游橋梁和水庫(kù)等水工建筑物對(duì)先期穿越河流管道構(gòu)成威脅河流中的橋墩可導(dǎo)致河道部分變窄,造成下游在有限間隔內(nèi)水流速度和紊流強(qiáng)度進(jìn)步,這樣水流沖刷河床形成部分沖刷坑,沖刷起來(lái)的泥沙被沖到下游一定間隔便沉積下來(lái),對(duì)先期穿越河流的管道構(gòu)成一定的威脅。攔河而建的水庫(kù)對(duì)流水起到調(diào)節(jié)和卸載泥沙的作用,當(dāng)汛期大流量放水時(shí),對(duì)下游較長(zhǎng)間隔內(nèi)的河床可產(chǎn)生沖刷,增大了原河道的沖刷強(qiáng)度,對(duì)先期穿越河流的管道同樣構(gòu)成威脅。二、解決環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題的主要措施1、精細(xì)選線(xiàn)在管道未建之前,首先要進(jìn)展選線(xiàn),這樣可防止環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題的出現(xiàn),使管道的受損程度降到最小,選線(xiàn)的原那么如下。(1)黃土塬、梁、峁地段選線(xiàn)：應(yīng)選擇坡體穩(wěn)定、排水條件較好的地段,防止地形混亂、溝谷深切地段,管道的上下邊坡應(yīng)盡量垂直坡面等高線(xiàn)展布或順著梁、峁脊部展布,一般情況下不應(yīng)傾斜于等高線(xiàn)展布。(2)地表水富集地段的選線(xiàn)：管道通過(guò)黃土地區(qū)擬建水庫(kù)地段時(shí),應(yīng)考慮水庫(kù)可能的潰壩、塌岸影響及蓄水后引起的周?chē)こ痰刭|(zhì)條件變化等,防止管道與長(zhǎng)大干渠近間隔并行。(3)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈地段的選線(xiàn)：管道應(yīng)盡量避開(kāi)這一地段,必須通過(guò)時(shí),應(yīng)以較短的間隔并采用簡(jiǎn)易工程(即溝埋敷設(shè))通過(guò),防止采用隧道、跨越等工程方案。(4)沖溝和河谷地段的選線(xiàn)：應(yīng)利用河流寬谷階地展布管道。管道穿跨越溝河時(shí),選擇溝、河床下切緩慢,溝、河順直,岸坡穩(wěn)定的地段通過(guò),應(yīng)避開(kāi)谷坡混亂地段。(5)滑坡和滑塌地段的選線(xiàn)：管道遇到滑坡、滑塌地段應(yīng)考慮繞行。(6)黃土隧道地段的選線(xiàn)：隧道口應(yīng)選擇在山體穩(wěn)定、地表排水條件較好的山坡;洞身應(yīng)選擇在塬、梁頂面平整或地形凸起地帶,應(yīng)防止在坡體混亂、塬邊緣或塬頂有封閉洼地地段通過(guò)。(7)黃土溝梁相間地段的選線(xiàn)將深挖與隧道、高填筑堤等工程方案進(jìn)展比擬,擇優(yōu)采用。2．溝頭防護(hù)工程當(dāng)溝頭上部集水面積大而來(lái)水比擬多時(shí),可采用排水式溝頭防護(hù)工程或跌水溝頭防護(hù)工程,即在溝頭上部修筑引流槽,在溝頭陡坡地段修筑擋土墻及泄流槽。當(dāng)溝頭上部來(lái)水較少時(shí),可采用蓄水式溝頭防護(hù)工程,即沿溝頭邊緣修筑一道或數(shù)道程度弧形溝埂,攔蓄上游坡面徑流,也可采用截流溝阻斷徑流。截流溝適用于坡度小于25的坡地,間距一般為10~30,由程度溝、溝邊土塄與溝間斜坡組成。通過(guò)分階段滯留降雨來(lái)水,有效地減小地面徑流,加強(qiáng)降雨入滲,從而削弱片流的沖刷強(qiáng)度,在程度溝聚集雨水,土壤墑情較好的情況下,可以栽植需水量較大的喬木,斜坡植被以灌木為主作用是穩(wěn)定地表土體,。在溝邊土楞上,草本植被比擬適宜,既不破壞土體完好性,又為土體加了筋。截流溝也可作為護(hù)坡工程,垂直管道布設(shè)。3．深埋、拋石和修筑淤土壩抵御溝、河垂向下切當(dāng)管道穿越溝、河時(shí),應(yīng)深埋于歷史最大沖刷深度以下至少1,溝、河床與岸坡經(jīng)人工挖填擾動(dòng)后,其穩(wěn)定性受到影響,應(yīng)在溝、河床稍下游處進(jìn)展拋石護(hù)底,拋石時(shí)可采用石籠或散石兩種,石籠就是通過(guò)一定的骨架材料絲(如鐵絲、荊巴與竹子等)編成籠子,內(nèi)填石塊而成,石籠穩(wěn)定護(hù)管適用于水流速度較高的情況,一般在流速為4~5/s的河流中,可以有效地發(fā)揮作用,大的鐵絲石籠可以抵御6/s的急流。拋石應(yīng)具有連續(xù)性,防止引起部分溝、河床未拋部分的沖刷,拋石厚度不宜過(guò)大,防止引起新的溝、河床形態(tài)變化。淤土壩實(shí)際是垂直埋設(shè)于溝、河床中的潛壩,一般由砂漿砌石構(gòu)成,根底埋置于歷史最大沖刷深度以下至少1,頂端與溝、河床面平齊,假如增加淤土壩的高度,使其由埋伏變?yōu)橥黄?那么淤土壩的概念就發(fā)生了改變,而稱(chēng)為谷坊。谷坊只用于沖溝,既有攔蓄泥土,防止溝床下切,又兼具防止溝岸擴(kuò)展與滑塌或崩塌的作用。谷坊的高度一般小于3,按其材質(zhì)有土谷坊、石谷坊、混凝土谷坊及柳谷坊等。多年以來(lái),但凡被洪水及泥流垂向沖出或沖斷的輸油氣管道,絕大多數(shù)是由于穿越段埋深不夠造成的,只有少數(shù)管道是由于后期上游修建橋梁、水庫(kù)或下游人為挖沙,導(dǎo)致部分下切,出現(xiàn)變形的。4．拋石、砌石和修筑丁字壩抵御溝、河橫向擺動(dòng)為了施工方便,管道穿越溝、河時(shí),一般采用彈性敷設(shè)自然彎曲抬升,采用這種方法,溝、河兩岸陸地上的管道埋設(shè)標(biāo)高要遠(yuǎn)大于溝、河床深槽處管道的埋設(shè)標(biāo)高,一旦溝、河岸發(fā)生擺動(dòng)和溝、河漕移位,原管道彈性敷設(shè)爬升段就會(huì)暴露于新的溝、河槽內(nèi),嚴(yán)重的可能被沖斷,另外,平行于溝、河埋設(shè)的管道也有類(lèi)似的情況發(fā)生,當(dāng)邊岸不斷沖刷后退,原埋設(shè)管道的位置逐漸變?yōu)樾碌臏?、河?導(dǎo)致管道外露。護(hù)岸工程包括拋石、砌石和丁字壩,作用是為了防止邊岸坡腳進(jìn)一步遭受沖刷以及由此引起的邊岸橫向擺動(dòng)。拋石施工完成后,塊石坡腳尚未沖刷以前,由于塊石分布不可能均勻嚴(yán)密,在水流作用下有一個(gè)自行調(diào)節(jié)的過(guò)程,當(dāng)坡腳為水流沖刷時(shí),護(hù)腳塊石首先向深槽方向下滑,在坡度較緩或深泓處停積下來(lái),與此同時(shí),其上的塊石在水流繼續(xù)掏刷下持久地、間歇地向坡下滑動(dòng),重新覆蓋被沖刷的坡腳,因此,往往需要屢次反復(fù)拋石,通過(guò)水流連續(xù)沖刷調(diào)整,才能形成較為穩(wěn)定的防護(hù)面。砌石就是直接在被沖刷的溝、河岸邊用水泥砂漿整齊的將塊石砌好,以阻止水流對(duì)溝、河岸邊的沖刷侵蝕,砌石根底應(yīng)埋置于歷史最大沖刷深度以下至少1。丁字壩合適于建在被沖刷的溝、河岸上游位置,具有挑流的作用,改變水流原來(lái)的流動(dòng)方向,可減弱水流對(duì)溝、河岸的沖刷,間接到達(dá)保護(hù)溝、河邊岸的目的,丁字壩的根底埋深與砌石的根底埋深一樣。護(hù)岸工程建立應(yīng)注意以下問(wèn)題。(1)護(hù)岸高度。假如洪水水位超過(guò)了護(hù)岸工程高度,水流會(huì)通過(guò)漫頂形式在護(hù)岸工程背部進(jìn)展淘蝕,使溝、河邊岸穩(wěn)定性變差。(2)根底的穩(wěn)定性。砌石和丁字壩除了自身具有一定強(qiáng)度外,要求其根底一定要穩(wěn)定,這就需要選擇好地基持力地層,設(shè)計(jì)好根底埋深及其構(gòu)造。5．斜坡固定工程可防止斜坡的滑動(dòng)與滑塌斜坡固定工程包括植物護(hù)坡、擋墻、抗滑樁、削坡、排水工程及護(hù)坡工程,可用于預(yù)防斜坡的滑動(dòng)和滑塌(如加固管道跨越塔架處斜坡的穩(wěn)定等),也可用于已經(jīng)發(fā)生滑動(dòng)的滑坡土體的治理。植物護(hù)坡包括坡面防護(hù)林、坡面種草等措施,作用是阻止地表片流對(duì)坡面的沖刷。擋土墻主要用于防治崩塌、小規(guī)?；录按笠?guī)?；麦w前沿的再次滑動(dòng)?？够瑯妒谴┻^(guò)滑坡土體并將其固定在滑床的樁柱,根據(jù)滑坡體的厚度、推力、防水要求和施工條件,選用木樁、鋼樁、混凝土樁及鋼筋混凝土樁。削坡主要用于崩塌和中小規(guī)模的滑坡,以減少滑坡體的體積,降低其滑動(dòng)力,當(dāng)斜坡高度較大時(shí),削坡常分級(jí)進(jìn)展,一般呈階梯狀。排水工程可減免地表水和地下水對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響,排除地表水工程主要包括防滲工程(如整平夯實(shí)和鋪蓋阻水等)與排水溝工程,排除地下水工程包括滲溝、明暗溝、排水孔、排水洞及截水墻等,其作用是排除和截?cái)嘟杆?。護(hù)坡工程是對(duì)坡面進(jìn)展加固,防止崩塌,常見(jiàn)的形式有干砌石、漿砌石、混凝土噴錨、柳條堤及格狀框條護(hù)坡等。6．地基處理增強(qiáng)黃土脆弱地帶的穩(wěn)定性高原黃土的脆弱地帶為傾斜邊坡、斷梁、窄梁、陡坎及陡崖等,管道經(jīng)過(guò)時(shí),可采用以下方法對(duì)地基進(jìn)展處理。首先將管溝底部一定深度內(nèi)的黃土翻松,在最優(yōu)含水量條件下,將翻松的土夯實(shí);其次在夯實(shí)的管溝底部,做夯實(shí)2∶8灰土墊層,厚度為30~40,管道居中鋪設(shè)其上;最后將管溝用原土分層夯實(shí)回填,回填高度應(yīng)略高于原始地表,以利于排水防滲。管道通過(guò)緩坡時(shí),地表應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的擋水土埂,該擋水土梗一般間距為7~15,與管道的最小夾