刘波:浅析湿陷性黄土冲沟溯源侵蚀对管道安全的影响-管道保护
浅析湿陷性黄土冲沟溯源侵蚀对管道安全的影响
刘波 赵增琳 马宏宇 王林
中国石油管道西安输油气分公司
摘要:以中国石油管道西安输油气分公司所管辖的兰郑长成品油管道干线0799处为例,简要分析了湿陷性黄土冲沟溯源侵蚀对管道安全运行的潜在影响及初步控制措施。关键词:湿陷性冲沟溯源侵蚀管道
1基本情况
兰郑长成品油管道工程是贯彻落实党中央西部大开发战略的重要举措,是实施“西油东送”战略工程的具体体现。它的建设对促进地区经济发展和社会稳定具有重要意义。可以说是我国中西部的成品油大动脉郝升山,兰郑长管道干线起于甘肃省的兰州市,途经甘肃、陕西、河南、湖北和湖南等五省69个县市,止于湖南省的长沙市。西安输油气分公司兰郑长输油管道(陕西段)主要在陕西宝鸡市、西安市、咸阳市、渭南市纵宠天下,庆阳支线部分在甘肃省庆阳市。
管道经过沿线地势西高东低,自西向东分为关山—陇山侵蚀构造中低山地貌、黄土高原剥蚀丘陵地貌、关中断陷盆地。
其中西部陇县-千阳段、东部华阴市-潼关县段、庆阳支线为典型的黄土塬地貌,该地貌是在第四纪以前山间盆地古地形基础上,被黄土覆盖的面积较大的高台地,是黄土高原经过现代沟谷分割后存留下来的部分。黄土塬顶面平坦,侵蚀微弱犽翁。周围被深切沟谷环绕,在流水及边坡重力侵蚀作用下,塬边参差不齐。黄土塬在数平方公里以上,是良好的农业耕作区。由于沟谷的蚕食切割程度不同,黄土塬地貌特征迥异。黄土塬区地形波状起伏,冲沟密布。黄土丘陵切割较深,以深沟长梁为主要特征,海拔高程300-1000m左右,沟谷切割深度50~100m。长梁两侧树枝状冲沟密集,梁顶蜿蜒但相对平坦,塬面广阔,连续分布,塬边冲沟发育,常见流水冲蚀现象顾准扮演者。
该区域地形复杂多样,沟壑纵横,侵蚀强度大,密度高、植被条件差,土质疏松,水土流失严重。黄土地区地貌形态以梁、峁和沟壑为主,其次是黄土塬和黄土平原,该区域土壤侵蚀十分严重,陷穴、冲沟、河流侵蚀、滑坡、滑塌及崩塌等不良地质现象对长输油气管道的安全运营构成了潜在的威胁。
2湿陷性黄土特性
在上覆土层自重应力作用下,或者在自重应力和附加应力共同作用下,因浸水后土的结构破坏而发生显著附加变形的土称为湿陷性土,属于特殊土缇可春季篇。黄土的湿陷性是指黄土在天然低湿度下往往具有明显的高强度和低压缩性,但遇水浸湿后会发生变形大幅度突增和强度也随之迅速降低的现象。湿陷产生的根本原因是黄土具有明显的遇水连接减弱,结构趋于紧密的有利于湿陷的特殊成分和结构。
黄土湿陷性强弱与其微结构特征、颗粒组成、化学成分等因素有关。在同一地区,土的湿陷性又与其天然孔隙比和天然含水量有关,并取决于浸水程度和压力大小。黄土中粘土粒愈多,并均匀分布在骨架颗粒之间,则均有较大的胶结作用,土的湿陷性愈好。黄土中的盐类,如以较难溶解得碳酸钙为主而具有胶结作用,湿陷性减弱,而石膏及易溶盐含量愈大,土的湿陷性愈强。在一定的天然孔隙水比和天然含水量情况下,黄土的湿陷变形量将随浸湿程度和压力的增加而增大,但当压力增加到某一个定值以后,湿陷量却又随着压力的增加而减小。另外,黄土的湿陷性从根本上与其堆积年代和成因有密切关系。
湿陷性黄土是一种在干燥情况下,具有较高强度和较低压缩性,遇水后在一定外力作用或在自重作用下强度骤降的一种特殊岩土。它广泛分布于我国甘肃、宁夏、陕西和山西等黄土高原地区朱咏婷。其中以马兰组黄土最具有代表性。湿陷性黄土在天然湿度下国安部长,其压缩性较低,强度较高。受水浸湿后,在土体自重应力或自重应力与外部附加应力共同作用下,强度降低。当土体中残余的强度不足以抵抗土体中的结构应力时,土体结构迅速破坏,并发生显著的沉陷。土体湿陷对工程建设具有极大的危害性。地基湿陷的原因很多,如:贮水构筑物或输水管道漏水;工业或生活用水排放不当;大气降水渗入和积聚以及地下水位上升等。这些原因所造成的建筑物地基的湿陷变形往往是不均匀的,属于失稳型的地基变形,一般在一两天内就可能产生20~30厘米的变形量。这种数量大、速度快、而又不均匀的地基变形正是构、建筑物所难以适应的。
3黄土冲沟溯源侵蚀影响因素
黄土冲沟溯源侵蚀是黄土沟在水流冲刷等外力作用下,土体受冲刷部位蚀离母体,使冲沟向源头侵蚀,并伴随沟谷加宽、下切的现象。溯源侵蚀最直接的危害是造成大面积的水土流失及沟谷周边构筑物的破坏,是严重的地质灾害形式之一,具有高隐蔽性、随机性大、破坏性强等特点,常对周边工程造成破坏,威胁财产安全,造成人员伤亡和经济损失,导致极大的社会不良影响。
通过收集管道沿线国土资源部门历史观测资料,运用土壤侵蚀学等理论对平庆线沿线历史时期黄土冲沟地貌演变规律进行分析。沿线黄土冲沟溯源侵蚀的影响因素有自然因素和人为因素邢秉懿,自然因素包括地形地貌、强降雨、土壤性质等;人为因素主要是在沟谷周边不加防护的乱挖乱排、破坏植被等。溯源侵蚀是以上因素相互叠加的结果。
(1)地形因素
主要影响因素是地形地貌,沟头两侧高中间低地形、坡形坡长。坡度及汇水面积等林卓延,其中坡度的影响最大。
(2)降雨因素
区内年平均降水量478.3~546.5mm,但变化大,大部分集中于9~10月占年降水量的58.5%),降雨具有集中、强度高的特点曹吉利,是形成溯源侵蚀的必要条件。集中连续的强降雨形成的径流是冲沟侵蚀的直接诱因。
(3)土壤因素
沿线土壤为湿陷性黄土,土层深厚,土质疏松,颗粒多在
0.02~0.05mm间,粉粒占60%~70%,黏粒孔隙率大,主要是大孔隙、细孔隙和毛细孔隙,孔隙率达30%~50%,垂直节理发育,抗剪强度低。沿线土壤具自重湿陷性在坡面冲沟及沟头由雨水沿垂直节理不断冲蚀而形成陷穴,陷穴呈串珠、蜂窝状分布,直径0.5~15m,深度8~20m宋素姬,部分陷穴通到沟心,空间分布较复杂,对坡面稳定影响较大,易发生沟边垮塌、崩塌,造成沟头的前进或沟壁的扩张。
(4)植被因素
植物可有效提高土壤的抗蚀性,是防止土壤侵蚀的天然屏障。植物根系能起到固结土体,单联丽枝杆落叶起到截流、调节径流速度的作用。区内生态环境脆弱,是国家级水土流失重点预防区和治理区,沿线植被稀疏,沟谷零星分布灌乔木。
(5)人为因素
沟头土地过度开发和不加防护措施的泄水排洪,植被破坏等人为因素会加速沟头的溯源侵蚀,也是此处沟头溯源的重要原因。
4现状及防控基本措施
2017年10月8日现场现状图
现场卫星俯视图
该段位于陕西省渭南市潼关县,兰郑长成品油管道干线0799#测试桩,地貌为黄土丘陵、河谷地带的地貌,地形起伏变化较大。该区段内冲沟发育,植被较发育。管道走向203°,地表埋深2-2.5m,0799处管道临近一处黄土滑坡点,长30m,宽35m,高约35m,厚度约5m福州飞云峡。此冲沟未发生沟头溯源侵蚀现象前,管道距离冲沟沟头约45m,沟壁角度约80°曹煊一,植被较茂盛。因通向沟内的排水管道侵蚀,沟头向管道方向土壤内部形成空洞;加之2017年9月-10月降雨较多,并以小雨为主,造成了沟壁黄土受到不断冲蚀而形成陷穴等多种原因叠加,造成沟头发生2次连续大面积垮塌,向管道方向侵蚀10m,垮塌面积近700m2。
目前管道距离滑坡边缘最近处仅35m,由于管道位于沟头前方宛若一梦,距离较近。在农田灌溉、持续降雨或强降雨条件下,垮塌范围将持续变大、加深、加宽,可能造成沟头滑坡失稳。滑坡垮塌范围将持续增加潘世亨,导致该处的管道发生侧滑,管道断裂。
溯源侵蚀防治措施分为塬面措施和沟底措施。塬面措施是在沟头上方来水方向拦蓄、分散径流假行僧吉他谱,减小农田灌溉、地下排水管、集中降雨对沟岸的冲刷,达到巩固沟岸的目的;沟底措施是在沟底修筑地坝和引洪漫地,削减洪峰,调节径流,防止沟床继续下切;采用工程措施与植被防护的有机结合,建立塬面与沟底综合防御体系,利用植被对塬面、沟底黄土进行固化,减少土壤流失,有效防止冲沟溯源侵蚀。
作者:刘波,中国石油管道西安输油气分公司副经理。
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