湿陷性黄土地区长输管道工程灾害治理研究

文章编号:1006󰀁5539(2004)01󰀁0014󰀁04

天󰀁然󰀁气󰀁与󰀁石󰀁油

NaturalGasAndOil

󰀁

Vol.22,No.1Mar.2004

湿陷性黄土地区长输管道工程灾害治理研究

杨晓秋,宋德琦

(中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司,四川成都610017)

摘󰀁要:

通过对湿陷性黄土地区天然气长输管道建设的灾害分析,以及对以往工程的成功

经验的总结,针对陕京二线通过地区湿陷性黄土的特点,提出了防治措施,以及需要进一步研究和优化设计的内容,达到安全可靠、经济合理和保护环境的目的。

关键词:湿陷性黄土;长输管道;灾害;治理;研究

中图分类号:P2.26;P694;TE88󰀁󰀁󰀁文献标识码:B

分布和市场所处的不同地理位置,天然气管道需经

0󰀁概述

随着人们环境保护意识的不断加强,作为清洁燃料󰀁󰀁󰀁天然气得到广泛的使用,需求量不断增长,推动了我国天然气气田的勘探、开发及储运工程的发展。西部大开发战略的实施,西气东输、陕京二线等工程项目建设的启动,长输管道建设进入了一个新的历史时期,大口径、高压、长距离输送管道工程的安全建设和安全运行受到了各方面的关注。

长输管道工程建设是一项复杂的系统工程,其工程建设将受到管道沿线的自然条件、地形地貌、工程地质及水文地质、地震地质等各个方面因素的影响。地质灾害的识别和防治技术的研究需要岩土工程、土木工程和管道工程等多学科的工程技术人员通力合作,才能正确认识地质灾害和制定有效的防治措施,达到确保管道安全,做好沿线环境保护、水土保持的目的。本文以中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司(原四川石油设计院)几十年的管道建设经历以及在地质灾害防治经验的基础上,针对陕京二线工程,进一步提出了在长输管道建设中对湿陷性黄土防治技术的研究。

过戈壁、沙漠、黄土高原、山区、沼泽湖泊等地区,穿越地震活动断裂带和不同地震烈度的区域,翻山越岭,穿跨越河流、冲沟,地质灾害对管道工程的影响是非常大的,因此有必要对地质灾害对管道工程的影响进行研究。1󰀁1󰀁地质灾害的种类

地质灾害包括滑坡、崩塌、泥石流、采空区地面塌陷、岩溶地面塌陷、地面严重沉陷、地裂缝、沙埋和风蚀灾害、盐渍土和湿陷性黄土及特殊岩土导致的地质灾害等。

本文重点描述湿陷性黄土对管道工程的影响。1󰀁2󰀁对管道敷设的影响

长输管道不可避免地要经过各种不同地质条件地区,敷设的管道受不良地质的影响而产生的后果非常严重。因此,管道的路由选择、敷设方式及工程治理等措施的合理使用,对于管道的安全和建设投资控制的影响非常大。1󰀁2󰀁1󰀁对管沟的影响

湿陷性黄土对管沟构成危害主要是地表水的水力侵蚀和重力侵蚀。其中沟蚀是对管沟的危害最为严重,主要表现在沟底下切、沟岸扩展和沟头前进。有些地段的管沟被地表水冲蚀,管沟回填土被冲走,

1󰀁地质灾害对管道工程的影响

我国幅员辽阔,地质地貌非常复杂,天然气气田

󰀁󰀁收稿日期:2003󰀁04󰀁18

󰀁󰀁作者简介:杨晓秋(19󰀁),男,四川成都人,高级工程师,1984年毕业于天津大学结构专业。现任CPE西南分公司副总工程师。电话:(028)86014523。

第22卷第1期

杨晓秋,等:湿陷性黄土地区长输管道工程灾害治理研究

1󰀁5󰀁对环境的影响

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁15󰀁

有的被掏空,严重时造成地面沉陷,管沟变成了排水沟,造成管道悬空,管道裸露,管道安全受到严重的影响。

1󰀁2󰀁2󰀁对黄土腰岘的影响

腰岘通常为梁峁之连结部,位于两条深切冲沟之沟头,两侧陡峭壁立、狭窄。在某管道工程中,有几十处腰岘,有的宽度仅3~4m,边沟深达数10m,由于管道将依托腰岘辅以工程措施通过,不稳定的湿陷性黄土腰岘严重影响管道的安全通过。1󰀁2󰀁3󰀁对高陡边坡的影响

黄土高陡边坡在黄土梁峁区广泛分布,冲沟极其发育,且坡降大,两岸陡峭。在水的作用下,冲沟的下切、侧蚀、溯源侵蚀作用强烈,沟坡下部不断遭受破坏,引起冲沟边坡失稳,产生滑坡、滑塌等地质灾害,水易沿陡坡段管沟泄流,侵蚀管道周围填土,导致管道悬空,危及管道的安全。在上下黄土梁峁段,崩塌、滑坡、冲蚀现象尤为严重,由于管道上下弯头处易产生应力集中,高陡边坡的稳定性应予以重点加强。因在陡坡处管道施工难度大,施工对原始地貌和植被的破坏很大,植被恢复困难,水土流失严重,加剧了高陡边坡对管道的危害。

1󰀁3󰀁对管道穿跨越工程的影响

穿跨越工程是管道建设的关键部位,它关系到管道的安全运行,无论是跨越还是穿越,一旦发生地质灾害其影响尤为严重。

由于黄土土质变化较大,准确地建立黄土隧道的围岩力学模型有较大的困难。

由于很难判断黄土受水的侵蚀速度,跨越的位置与边沟的安全距离很难确定。

因此对穿跨越工程位置的选择和工程措施的制定需特别重视,应尽量避免穿跨越在灾害性地质地段通过。

1󰀁4󰀁对水土保持的影响

长输管道工程水土保持包括工程措施、植被措施和区域防治措施等,由于黄土的湿陷性,水土保护构筑物(包括土工构筑物)很容易被雨水、地表水冲蚀破坏。在线路工程中,水土保护构筑物比比皆是,若采取的措施不当,就有可能造成构筑物的破坏和严重的水土流失。长输管道工程建设需要开辟施工作业带,将造成土壤、植被等原始地貌不同程度的破坏,长输管道管沟回填采用灰土或固化土,使植被无法成活,造成对自然生态的破坏。同时,在回填土与原土的交接处,容易形成新的冲沟,引起另一个不良地质的出现。

2󰀁地质灾害防治取得的成果

我们从20世纪90年代初开始从事管道工程在湿陷性黄土地区建设防治技术的研究,在靖西输气管道工程的设计中,我们主要借鉴了公路、铁路工程的防治技术,结合管道工程的特点,制定了该工程的防治措施;在陕京输气管道工程的设计中,通过󰀁黄土地区管道建设的岩土工程研究󰀁,对改良黄土抗冲蚀能力及工程措施应用的研究,取得了一定的成果,进一步完善该项技术的研究;在西气东输工程中,在总结以前工程经验的基础上,开展了线路水工构筑物的优化设计和环保型材料的研制,为该项防治技术的研究更进了一步。因此通过多项工程的实践和不断的研究,我们在长输管道地质灾害的防治方面,积累了一些经验,也取得了一些成果,特别是在治理湿陷性黄土方面处于国内领先。其主要成果为:黄土地区的选线,管沟处理,高陡边坡、腰岘处理,线路土工构筑物和应用,土工加固法,土体材料的使用、植被恢复技术、区域性水土保持、黄土隧道穿越技术等。

2󰀁1󰀁管道选定线

黄土地区线路的选线原则是走梁、塬、峁,避免走沟、谷,走脊不走边。能走塬的尽量走塬;在梁峁区尽量选择顺直的梁脊;通过冲沟时尽量走沟头、沟尾。尽量避免漏斗、陷穴、落水洞等不良地段,避开黄土崩塌、滑坡地区,保证路由的黄土处于稳定状态。

2󰀁2󰀁管沟回填

在管沟回填时,根据黄土不同的湿陷等级,选择回填的形式以及回填材料,其方式和方法为:管沟回填高于地面100~200mm,超出管沟外300mm左󰀁󰀁󰀁16天󰀁然󰀁气󰀁与󰀁石󰀁油

2004年

右,回填土应分层夯实,在管道上方0󰀁5m以下应仔细回填,并在管道两侧对称地同时进行,防止管道产生位移和断裂,压实系数不低于0󰀁93。回填料可选用黄土、其它粘性土和灰土,在最优含水量的状态下,分层夯实至设计标高。另外,夯实管线附近的黄土漏斗、陷穴、落水洞等,必要时设排水沟引流,防止侵蚀管带,斜坡地带应分段设平行梯、平行沟,种植固土植物,如柠条、酸枣、沙打旺、狗尾草、沙棘等,浅沟套种砍头柳、刺槐、沙棘、芦苇、狗尾草等。黄土地区管沟开挖后应尽快回填,不应过久暴露,应防止雨水等浸泡,尽量避免雨季开挖,管沟夯实回填宜在最佳含水量下进行,施工含水量误差不宜超过2󰀁0%,压实系数󰀁󰀁0󰀁93。2󰀁3󰀁高陡边坡、腰岘处理

高陡边坡、腰岘受到外界作用、地震作用时,容易引起滑坡、崩塌甚至垮塌。对高陡边坡,应加强坡体的稳定和稳管措施(如挡土墙等);对腰岘,也要加强腰岘土堤和与工程措施的协同性。在治理时,要对高陡边坡、腰岘进行抗震计算,加强抗震构造,设置多道抗震防线;加强外部作用时可能引起的滑坡、崩塌甚至垮塌地段的加固处理。2󰀁4󰀁线路土工构筑物的应用

a)挡土墙:根据工程所在地的建筑材料情况,挡土墙材料可以选用条石、灰土、水泥固化土、浆砌片石、加筋土、混凝土、钢筋混凝土等。基础埋置深度应满足稳定性和承载力的要求。并根据附近地形、地貌及水体浸入情况,修建截水沟、排水沟或封闭地表等措施,防止水体浸入到破裂体内。同时根据填料透水性能设置泄水孔、墙背反滤层。

b)护坡:坡面平整夯拍后,采用灰土垫层,坡面用M5水泥砂浆浆砌块石,若无块石,可用预制混凝土板。

c)阻水墙、淤土坝、抗冲层:一般采用灰土或其他固化土,高差较大时,抗冲层材料也可采用块石或预制混凝土块砌筑。

修筑线路构筑物如挡土坎,通过一定的时间和雨水的浇灌,可以从草带中长出青草,有利于固土也有利于环保。

2󰀁6󰀁土体材料

目前在工程中,已成功采用了不同配合比的灰土和复合土(即粘土与黄土的混合土)在不同地段的使用,固化土正在某工程中局部试用。

总之,管道工程通过的湿陷性黄土区域工程措施主要以消除或减少其湿陷量为目的,通过导、堵、填等方式,疏导地表水,避免管道通过区域的土体浸水。对于湿陷性黄土区域水工保护和线路构筑物的地基处理,主要采用土体加密法(如强夯法、挤密灰土桩),土体加固法(如灰土垫层法)进行处理,消除黄土湿陷性。在制定黄土地区管道水土保持措施时,应采取工程措施与植保相结合,还要综合考虑区域性水土保持措施,达到保障管道的长期安全运行的目的。

3󰀁尚需进一步解决的问题和研究方向

陕京二线工程是我国继西气东输工程之后一项最重要的管道工程,是首都北京日益增长的天然气需求的重要保证,它起到全面改善北京的燃料结构,保护环境,实现2008年󰀁绿色奥运󰀁的重要作用。该工程约400km范围分布湿陷性黄土,且黄土梁峁沟壑纵横,地形破碎,黄土的湿陷性危及管道安全,因此黄土地区的水土保持是保证管道工程安全运行的关键。

为了制定合理的水土保持方案,我们必须研究黄土的特性,针对管道通过的高陡边坡、腰岘,管沟回填、黄土冲沟和黄土隧道等障碍物,优化采用的工程措施和水土保持方案,研究在工程中使用的新型环保材料和植被恢复技术,达到保护管道安全运行和保护环境的目的。因此,进一步研究陕京二线工程在黄土地区的防灾治理技术是非常必要的。3󰀁1󰀁陕京二线工程存在的地质灾害问题

2󰀁5󰀁土工加固法

加筋土、土堤、草带、柳桩筑谷坊、柳谷坊等。如:利用草带技术即用草带内装黄土及植物种子,来陕京二线工程的󰀁沿线地质灾害危险性评估报告󰀁、󰀁管道沿线主要断裂活动性评价报告󰀁指出,工程的主要灾害是滑坡、崩塌、泥石流和黄土湿陷性等第22卷第1期

杨晓秋,等:湿陷性黄土地区长输管道工程灾害治理研究

3󰀁2󰀁尚需进一步解决的问题

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁17󰀁

地质灾害;地震和地震断裂带等地震灾害。3󰀁1󰀁1󰀁滑坡

由于管线大部分沟谷布设,在地表径流对斜坡坡角的冲蚀作用和修路切坡等人为作用的影响下,斜坡失稳形成滑坡。如王家峁-黄河,梁峁起伏,沟谷深切,斜坡多为黄土与基岩组成的双层或多层结构,在岩石接触带常有地下水溢出,致使粉土或碎屑岩顶面风化遇水软化,造成上覆沿此软弱结构面下滑形成滑坡。3󰀁1󰀁2󰀁崩塌

主要发生在高陡边坡地段。如麻黄梁-大河塔中更新世黄土组成的沟壁陡立,垂直裂隙发育,发生崩塌。3󰀁1󰀁3󰀁泥石流

黄土丘陵区地形破碎,千沟万壑,沟谷深切,坡岸高陡。在每年7~9月暴雨季节,地表径流从密布的毛沟、支流向大的沟谷汇流,形成洪流,其速度快,冲蚀能力强,对沟岸的侵蚀强烈,滑坡、崩塌大量发生,并转化为泥石流的物源。因此黄土丘陵区雨季常有泥石流发生。赵家川口-恶虎滩等地段为泥石流危险段。

3󰀁1󰀁4󰀁黄土湿陷和潜蚀

管线穿越湿陷性黄土,其黄土砂粒含量较高,粘粒含量较少,结构疏松,大孔隙发育,遇水易崩解,引起地基不均匀沉降及边坡失稳。潜蚀是黄土特有的地质现象,形成的陷穴、落水洞、漏斗及盲沟,分布广、数量多且隐蔽难发现,常使斜坡失稳,导致滑坡和崩塌发生,对工程危害极大。

通过对以上地质灾害的分析,可以看出,危害性大、影响面广的地质灾害(滑坡、崩塌、泥石流和黄土湿陷等)产生的主要原因,均是由管线通过地区黄土湿陷性引起的,且这些地区植被差,水土流失严重。因此,我们认为陕京二线工程地质灾害治理需要解决的问题是:湿陷性黄土治理、抗震和水土保持措施。虽然,在以往的工程中积累了一些经验,但还存在着不完善,还需要我们继续努力,针对陕京二线的特点,研究出符合工程实际的防治地质和地震灾害技术。

陕京二线管道工程必须进一步加强对湿陷性黄土的水土保护措施及环境保护的研究,摸索出更加经济合理、符合实际、安全可靠的防治技术措施,达到保证安全、节约投资、保护环境的目的。目前尚需进一步解决的问题有湿陷性黄土地区的水工保护问题、抗震防震问题和环境保护问题。3󰀁3󰀁进一步研究的方向

针对陕京二线工程的护坡、挡土墙、管沟基础、高陡边坡和腰岘、黄土隧道等构筑物的结构、施工工艺、固化土、植被恢复等进行研究设计并开展现场试验工作,提出典型水工保护构筑物的设计施工指导性技术方案,以降低工程造价:

a)典型护坡结构及材料优化研究;b)典型挡土墙结构及材料优化研究;c)管沟基础处理结构及材料优化研究;d)环保型水工保护固化研究;e)植被恢复措施研究;

f)高陡边坡、腰岘处理措施研究;g)黄土隧道技术研究。

4󰀁结束语

长输管道工程建设是关系到国计民生的大事,它的防灾治理工作不仅关系到管道自身的安全,也关系到生态建设和环境保护,同时也影响工、农业生产及千家万户的生活。因此,进行长输管道工程地质灾害防治技术的研究是非常重要,也是很有必要的。

通过岩土工程、土木工程、管道工程和环境工程等工程技术人员的合作研究,其研究成果将为陕京二线工程通过湿陷性黄土地区提供技术储备,对提高管道的安全性,降低工程投资,工程建设与环境保护相统一起到重要的作用,同时也会带来良好的社会效益和经济效益,为推动我国长输管道综合技术水平的发展起到积极的作用。

NATURALGASANDOIL

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ABSTRACT:Basedonoiltransportationtechniquesandoiltemperatureatinlet,functionandconstraintforoiltransportationpipelinesystemwithclosedrunningformareobtainedunderstableflowconditionsatgivendischargedrate.Theeffectsofoilviscosityonpumpbehaviorarealsoconsidered.Anewnumericalmethodisoutlined,bywhichcorrectioncoefficientonpumpbehaviorcanbedynamicallysearchedandpumpchar󰀁acteristiccurveautomaticallyconvertedwhenpumpingcrudeoil.Theinfluencesontransportationprocesscausedbywaxdepositiononpipewallarealsointroducedintheanalysis.Byuseofthemethodoutlinedinthispapertheeconomicoperationschemeandmuchusefulinformationcanbeobtained,suchaspumpandfurnaceoperationformsandoperationparameters.

KEYWORDS:Oilpipeline;Couplepumpwithpipeline;Operationoptimization;Nonlinearprogramming;Conversiononpumpbehavior;Numer󰀁icalmethod

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ABSTRACT:Describedarebasicprincipleandconstructionoftubularseal.Introducedisapplicationoftubularsealtooiltank,andsomesug󰀁gestionsareputforwardontechniquesofhigh󰀁volumeapplicationinthefuture.KEYWORDS:Floatingtopoiltank;Tubularseal;ApplicationFaultTreeAnalysisofFireandExplosioninOilTank

SunZhaoqiang,ZhaoLianhe(ChinaPetroleumChemistryPipelineCo.XiangfanOilTransportationDepartment,Xiangfan,Hubei,441002,China)ZhengXianbin(UniversityofPetroleum(Huadong),Dongying,Shandong,257061,China)NGO,2004,22(1):27~30