油气长输管道工程水工保护设计浅谈

祁会芳 王世宇 孙东晓

榆林—濮阳—济南输气管道工程属新建大型输气管道工程,工程等级为Ⅰ级。本工程管线起点为陕西榆林市,途经陕西、山西、河南、山东4省27个县,止于山东济南末站。本工程自西向东经过黄河、海河两大流域,有风沙区、黄土丘陵区、土石山区、平原区四大地貌单元,管线总长1 072 km,其中风沙区占 39 km,黄土丘陵区占281 km,土石山区占295 km,平原区占457 km。本文就油气长输管线水工保护设计方案进行探讨,请同行指正。

1 水土流失现状

根据《土壤侵蚀分类分级标准》,管道所经地区土壤容许流失量为 1 000 t/(km2·年)和200 t/(km2·年)。

陕西省榆阳区属省级水土流失重点治理区和重点监督区,也属国家级重点治理区和重点监督区;佳县属国家级重点治理区。山西省的临县、方山、离石、武乡、沁县、襄垣、平顺、黎城属省级重点治理区,也属国家级重点治理区。河南省的林州市属省级重点监督区,安阳市属省级重点监督区和重点治理区,汤阴和内黄属省级重点治理区,清丰、华龙、濮阳属省级预防保护区。

2 水工保护设计方案

2.1 沟谷单元水工保护

沟谷地段大多地形平缓,较为开阔,工程地质条件较好。但这些沟谷多有弯曲,管道敷设将多次穿越这些河流、谷地。同时,通过近河床的低漫滩地段的线路也较长,汛期出现稀有频率的大洪水时,洪水将对谷地和岸坡产生大的冲刷和侵蚀危害,局部甚至会产生泥石流,增大了管道采取稳管措施段的长度和受冲刷侵蚀的不安全因素。因此必须做好这些河谷的水文调查和分析工作,给设计工作提供准确的相关数据,做好管道的防冲刷和稳管措施以确保管道的安全。河谷川台地带的水工保护设计主要是河谷岸坡的防护治理,工程措施主要采取砌石护岸、锚杆加固和混凝土灌浆等防护形式。

2.2 山地单元水工保护

1)山地单元水工保护设计防护采用50年一遇洪水设计标准。

2)垂直等高线水工保护:垂直等高线水工保护设计应根据具体测量、工程地质资料、管线埋设情况及现场踏勘情况确定。垂直等高线水工保护形式主要有以下几种:a.截水墙:根据山地地形、地质情况及冲沟、山哑口汇流情况等确定截水墙形式、截水墙断面和截水墙设置的间距。截水墙材料一般采用浆砌块石。b.实体护坡:坡度小于45°的山坡,采用浆砌块石或预制混凝土框格等形式护坡。c.重力式挡土墙:坡度大于45°的山坡,采用重力式挡土墙结构防护,材料可根据山坡的具体情况采用浆砌块石、浆砌混凝土预制块、现浇混凝土结构以及灰土草袋挡土墙等。d.本项目护坡工程主要有植物护坡、工程护坡和综合护坡3种类型。e.排水沟:对于山坡坡度较陡、洪水渲泄较集中的部位,可适当在管沟护面两侧设置排水沟导水形式。排水沟包括临时排水沟和永久排水沟两种。f.其他:若是风化带岩石陡坡、陡坎,可采用现浇混凝土喷护、锚杆加固等方式防护。

3)平行等高线水工保护:根据测量、地质资料、管线埋设情况及现场踏勘情况,平行等高线进行水工保护设计主要有以下几种方式:a.对于需要削坡开挖施工作业带的岩质较好的边坡,开挖边坡上侧设浆砌石截水沟,作业带下坡侧设挡土墙;b.对于需要削坡开挖施工作业带岩质不好的边坡或土质边坡,开挖边坡采用浆砌块石护坡、护面墙、挡土墙、喷射混凝土、锚杆喷射混凝土等方式支护,开挖边坡上侧设浆砌石截水沟,作业带下坡侧设挡土墙;c.对于不需要削坡开挖施工作业带的,管沟保护可根据具体地形、地貌情况分别采用植被恢复、浆砌石覆盖、预制混凝土框格内植草、植生带覆盖等方式进行防护。

4)斜交等高线水工保护:斜交等高线的水工保护设计,可根据实际情况参照平行等高线和垂直等高线水工保护形式进行防护。

2.3 河流单元水工保护

1)管线穿(跨)越大中型河流、冲沟的水工保护设计:a.管线穿(跨)越大中型河流、冲沟的防护采用100年一遇洪水位设计标准;中型河流、冲沟的防护采用50年一遇洪水位设计标准。b.管线穿(跨)越大中型河流、冲沟处岸坡的防护形式:针对两岸河流特征状态,当岸坡较缓(倾角小于45°)、水深较浅时,采用浆砌块石护坡或空心方格植生带护坡形式;当岸坡较陡(倾角大于45°)、水深较深时,采用浆砌块石重力式挡土墙或铅丝石笼、竹笼装石形式护岸;当河流、冲沟的岸坡情形复杂、水深变化较大时,可采用重力式挡土墙与护坡相结合的复合护岸形式。c.河流岸坡护坡、挡土墙的基础埋深一般不小于管线穿越岸坡处局部最大冲刷深度以下1 m;两岸的防护宽度不小于管沟开挖最大松动带宽度两侧各25 m。d.管线穿越大中型河流、冲沟段河床的防护主要治理河床的下切破坏对管线的影响。对岩质段河床,管线埋入稳定基岩,为防止管沟回填土的流失,管线受浮力作用破坏,受卵石的撞击作用所造成的外部变形,应采用管沟混凝土浇筑的方式回填;对土质段下切作用强烈河床,管线应埋设在河床最大冲刷线以下,为防止大块卵石的冲撞作用,应考虑采取适当的河床护坦等措施。e.管线穿(跨)越大中型河流、冲沟段的水工保护设计图见穿(跨)越部分。

2)管线穿(跨)越小型河流、冲沟的水工保护设计:a.管线穿(跨)越小型河流、冲沟的防护采用20年一遇洪水位设计标准。水工保护设计应调研的基础资料为:河流特征水位、水流流速、河流穿越处岸坡冲刷情况、最大冲刷深度及自然演变趋势、河流穿越处工程地质及水文地质情况。b.管线穿(跨)越小型河流、冲沟处岸坡的防护形式:当岸坡较缓(倾角小于45°)时,采用浆砌块石护坡或空心方格植生带护坡形式;当岸坡较陡(倾角大于45°)时,采用浆砌块石挡土墙形式;当河流、冲沟的岸坡地貌特征及岩土特性许可时,可适当采用恢复两岸植被、袋装砂砾土、FS浆垫等柔性护岸形式。岸坡护坡、挡土墙的基础埋深一般不小于管线穿越岸坡处局部最大冲刷深度;两岸的防护宽度不小于管沟开挖最大松动带宽度两侧各5 m～10 m,情况特殊地段防护宽度可以适当加宽。c.管线穿越小型河流、冲沟段河床的防护:管线穿越小型河流、冲沟段河床的防护,根据河床基岩性质的不同结合管线稳管要求综合考虑。对于土质河床及河床表面砂砾层较厚的河床,管沟应埋设在冲刷线以下,管基础采用中砂垫层,管线采用砂卵石回填包裹,管沟覆盖后表面铺设0.3 m～0.5 m的大块卵石护面,或采用混凝土连锁排、FS浆垫、浆砌石、石笼等护坦;对于河床表面砂砾层较浅、其下是岩基的河床,管沟位于砂砾层下面的基岩内,管基础采用C20细石混凝土,管线用C20卵石混凝土浇筑稳定,表面再用砂砾石恢复覆盖;对于岩基河床,管沟位于岩基内,铺管后用C20混凝土浇筑稳定管线。

2.4 黄土塬单元水工保护

对于以上两种形式的侵蚀,针对管线通过的主要地形地貌特征,采取以下处理措施:

1)湿陷性的治理措施。a.导:设置挡水土埂、截排水沟,将汇水排离危险区;b.堵:采用灰土砌筑淤土坝,堵塞黄土蝶形洼地、盲沟的出水口;c.填:采用经夯实处理的黄土、灰土,填塞规模较大的黄土洞穴、天生桥等易崩塌的危险段;d.阻水墙、鱼鳞坑:在管线遭受水力冲刷的上游位置,设置阻水墙、鱼鳞坑使雨水就地下渗从而大大减缓水力对管道的破坏,也可以利用管沟自身位置设置阻水墙,可采取浆砌石或夯实灰土的方法;e.管线深埋:将管线埋入相对稳定的隔水层内,有效地减缓地表径流的冲刷。

2)高陡边坡的治理。高陡坡高在40 m～80 m之间,坡度均在45°以上,要结合具体的地形、地貌和地质条件,采取削方降坡设置垂直堡坎、护坡等综合治理措施,使其坡脚坡度小于 30°,从而保证斜坡的稳定,减少崩滑灾害的发生;同时,应做好导水排水措施,在坡面每隔50 m左右设置一道截水沟,以防止水力侵蚀造成土坡的滑坡、滑塌和崩塌。

3 综合结论及以后工作建议

1)水土保持方案的编制立足于项目区的自然环境条件和当地治理水土流失的经验,以实地调查为依据进行设计,技术可靠,具有显著的防治水土流失、改善生态环境的效益。2)本工程建设产生的水土流失主要发生在工程建设期,方案虽然对施工过程中水土流失的防治提出了预防和防治措施,但主要还靠施工单位合理的施工工艺和完善的组织保证体系,才能有效控制施工过程中的水土流失。

为有效控制工程建设期水土流失,提出以下建议:1)在施工中落实各项管道保护措施,如护坡、排水沟、挡土墙等,使其充分发挥水土保持功能,并与水土保持方案措施紧密结合,形成综合防护体系,同时节省工程水土保持投资;2)施工工艺和施工程序是影响施工期水土流失的重要因素之一,因此在管道施工过程中,应做到严格控制施工扰动地表面积,管沟开挖、管道敷设、管沟回填压实、复耕和绿化等各道工序依次紧密衔接实施,以减少疏松地面的裸露时间;3)工程施工占用大量农田、林地、草地等,施工过程中要严格按照施工方法,对表层水土集中堆放并防护,以保证农地、林地及草地的恢复和绿化;4)由于工程跨四个省,在水土保持监督执法、水土保持设施补偿费的收缴及各项水土保持措施的实施与监理等方面应统一协调,以利于各项工作的开展。