兰郑长输油管道甘肃段地质灾害成因分析及其治理措施

张仲福，侯云龙

(1.甘肃地矿局第四地质矿产勘查院，甘肃 酒泉 735000;2.甘肃工程地质研究院，甘肃 兰州 730000)

兰州—郑州—长沙成品油管道(简称“兰郑长输油管道”)是横跨我国中西部多个省份的重要能源管道，总长度达2 823.6 km，途经甘肃、陕西、河南、湖北和湖南等五省69个县市。甘肃段377 km管道沿线地质环境复杂多样，地质灾害发育。滑坡、崩塌、泥石流、潜在不稳定斜坡、黄土陷穴等地质灾害对甘肃段管道的安全运营构成了严重的威胁。

1 自然地理条件

1.1 气象

兰郑长输油管道甘肃段位于甘肃省东部兰州、定西和天水三市地区内。甘肃境内总的是大陆性气候明显，温差大，雨量小。大部分地区干旱少雨，年降水量在小于100～800 mm之间，降水具有东南多西北少，平原(河谷)少的特点。根据《甘肃省气候区划》，管道在甘肃段内跨越两个气候区，兰州、榆中、定西属于陇中北部冷温带半干旱气候区，年日照时数2 400～2 600 h，无霜期160～180 d。多年平均气温6～9℃，最热7月份22～25℃，最冷1月份 －6～－10℃。多年平均降雨量在300～600 mm之间，受季风影响，降水多集中在7～9月，占全年降水量的50% ～70%。

1.2 水文

甘肃境内穿越的主要为渭河水系，主要河流的典型特征如下:

宛川河是黄河一级支流，全长75 km，流域面积1 801 km2。其源于马衔山和兴隆山之间，沿山间断陷流经高崖转向北流入榆中盆地，经接驾嘴沿北山山脚即盆地的东北边缘向西北流，在桑园峡汇入黄河。

葫芦河是渭河一级支流，发源于宁夏西吉县月亮山，流程301 km，流经甘肃省静宁县、庄浪县、秦安县、至天水三阳川注入渭河，河长300 km，流域面积10 730 km2，年径流量5亿m3。管道将在静宁县仁大穿越葫芦河，在通渭沿散渡河支流牛谷河河谷平原中延伸，在莲花城～龙山镇沿葫芦河支流清水河河谷平原内延伸，在张家川穿越牛头河支流后川河。

各河流的基本特点是季节性丰、枯变化极为明显，黄河兰州段多年平均径流量242亿 m3，最大流量5 600 m3/s。受上游水库调节作用，黄河干流在区内一般不会形成灾害。黄河的各级支流枯水期流量较少或断流，汛期河水流量倍增，常诱发程度不同的自然灾害，且行洪期河水含砂量较大，具有一定的破坏性。

1.3 地貌

管道经过地貌自西向东分为黄土高原剥蚀丘陵地貌、关山—陇山侵蚀构造中低山地貌。管线长约377 km，海拔高程一般1 500～2 000 m。依成因又可分为黄土梁峁区和河谷冲洪积平原区两种地貌类型。

黄土梁峁区地形波状起伏，梁峁间冲沟密布。通渭以东为深切黄土丘陵，以深沟长梁为主要特征，海拔高程1 980 m左右，沟谷切割深度50～100 m。长梁两侧树枝状冲沟密集，梁顶蜿蜒但相对平坦，地质环境较好。通渭以西为中等切割黄土丘陵区，丘顶浑圆，沟谷呈宽浅的“U”形。黄土梁峁区地面以上更新统马兰黄土为主，下伏新近系软弱泥岩和砂质泥岩，沟谷中局部尚有华力西期花岗岩和加里东期石英闪长岩出露。

河谷冲洪积平原主要分布于通渭以西地段。这里有黄河干流及其支流宛川河、关川河、南河和东河等，河谷宽阔，地势平坦，一、二级阶地发育，具二元结构。西固城盆地、榆中盆地、宛川河河谷平原、关川河、南河及东河河谷平原地势开阔平坦。

1.4 植被

甘肃境内植被以落叶阔叶林带为主，主要分布在黄土高原南部，即兰州－会宁－环县－线以南。由于历史上的盲目垦荒，植被遭到严重破坏，仅个别山岭残存小片森林，广大荒山荒坡为酸刺、黄白草为主的灌丛草原和草原。

2 区域地质环境

2.1 地层岩性

管道所经过地区所出露的第四系地层主要以黄土为主。沉积类型主要有风积，冲洪积、坡积等类型，按从老到新有离石黄土、马兰黄土和全新世黄土，其它为河谷阶地附近的第四系冲洪积物，以及次生的黄土类土。全新世黄土和马兰黄土分布在甘肃段较多，离石黄土主要在甘肃的黄土丘陵区，管道沿线未出露午城黄土。管道沿线出露的第三系地层，岩性主要以红色的河湖相碎屑岩、砂泥岩为主，主要分布在甘肃境内定西符川和张家川恭门西南。三叠系以灰色细砂岩、粉砂岩、砂岩为主，主要分布在甘肃省通渭县境内。

2.2 构造和新构造运动

管线甘肃段位于青藏高原东北缘。历次构造运动奠定了本区的基本构造格架，南部和西部的西秦岭、拉脊山强烈隆升，东部及北部六盘山隆起，使陇西地区呈现出盆地特征，盆地内主要由中生代及部分新生代堆积物所充填。管线所在部位为新构造运动相对活跃的地段，主要表现为差异升降运动，华家岭、马啣山以及王家铺等为相对隆升区;黄河、关川河、渭河河谷地带是相对沉降区，河谷内一般堆积有10～50 m的松散沉积物。河谷两侧山坡多见一至三级河流阶地，兰州九洲台等地发育九级阶地，各级阶地高差为5～75 m，九级阶地累计高差达238.5 m。兰州断陷盆地第四纪以来不断沉降，沉积厚度300余米。在牛谷河、清水河等两侧山坡发育大量的老滑坡、崩塌体，其大多为新构造运动之佐证。

3 岩土体工程地质类型及特征

3.1 土体工程地质类型及特征

(1)黄土。黄土主要分布在黄土高原丘陵、中低山区，甘肃段管线所经过的黄土主要为全新世黄土，马兰黄土，局部分布离石黄土。全新世黄土、马兰黄土孔隙和垂直节理裂隙发育，透水性较强，具湿陷性，离石黄土垂直节理裂隙不发育，透水性不强，不具湿陷性。黄土厚度变化较大，且由北向南，厚度降低，最厚处可达百米，薄处一般厚度为2～8 m，在管道经过地区呈大面积分布，承载力特征值90～260 kPa。

(2)黄土状土。由原生黄土经过二次搬运作用形成，由中上更新统冲洪积粉土、粉质粘土组成，分布于甘肃通渭、陕西陇县、河南三门峡等地的河(沟)谷阶地表层。承载力特征值80～180 kPa。

(3)粘土类。黄色、棕红色，结构致密，裂隙发育，一般分布在山区沟坡地带或河谷地带，呈可塑～硬塑状，厚度2～12 m，一般承载力特征值150～250 kPa，不良工程地质现象主要为小型滑坡或潜在不稳定斜坡。另外在丘间沟谷、台地及河流阶地分布有褐色、黄褐色软土，一般可塑～软塑，厚2～10 m，一般承载力特征值100～120 kPa，其不良工程地质现象主要表现为地基不均匀沉降。

(4)碎石土。灰白、灰褐色，松散－稍密，碎石含量因地而异，一般碎块石含量50% ～75%，其次为粉土或砂土充填。碎石多呈棱角状、片状，成分受所在地母岩控制。具孔隙性，力学性能差。常形成于陡崖坡脚，较陡谷坡。承载力特征值150～300 kPa。

(5)砂卵石。主要分布在渭河、泾河等河流两岸及其次级支流河漫滩阶地地段。灰、灰褐色，松散～稍密，砂卵石含量和粒径因地而异，一般砂卵石含量50% ～60%，平均粒径多在3～5 cm左右，磨圆较好，其次为砂土或粉土充填。具孔隙性，力学性能差。承载力特征值300～500 kPa。

3.2 岩体工程地质类型及特征

(1)砂砾岩

属软质岩类，主要分布在甘肃、陕西交界处的关山。呈砖红、紫红、棕红色，块状，泥钙质胶结，浅部岩体一般风化强烈，岩体破碎，多呈碎裂结构，岩体完整性差，力学性质差。天然抗压强度2～8 MPa，承载力特征值600～1 000 kPa。

(2)泥岩、粉砂质泥岩、页岩

软质岩类，主要分布在甘肃东部。呈砖红、紫红、棕红色，厚层～薄层状，泥钙质胶结，浅部岩体一般风化强烈，岩体破碎，多呈碎裂结构，岩体完整性差，力学性质差。属易滑地层岩组。天然抗压强度3～10 MPa，承载力特征值600～1 200 kPa。

(3)岩屑石英砂岩、长石石英砂岩、灰岩等

坚硬岩类，主要分布在甘肃张家川一带，灰色、浅灰色，中～厚层状，硅质胶结，致密，较坚硬 ～坚硬，岩体完整性较好，力学性质好，天然抗压强度30～50 MPa，弱风化承载力特征值1 500～3 000 kPa。

4 管道沿线地质灾害发育特征

4.1 管道沿线地质灾害类型

经调查［1］，甘肃段管道沿线地质灾害点共232处。其中，堆积层滑坡10处、崩塌6处，潜在不稳定斜坡14处，河沟道水毁75处坡面水毁26处，台田地水毁91处。管道沿线各类型灾害发育情况见图1。

图1 兰郑长输油管道甘肃段沿线地质灾害统计图

4.2 沿线地质灾害发育影响因素

沿线地质灾害发育影响因素分为内在的影响因素和外在的诱发因素。其中，内在的影响因素以地形地貌条件和地层岩性条件为影响地质灾害发育的主导因素，为地质灾害的发育提供了必要的内在条件;外在诱发因素以降水条件为主导因素，而人类工程活动和地表水活动也是诱发地质灾害的重要因素，这些因素共同作用诱发和加剧了管道沿线地质灾害的发生。各类地质灾害的影响和诱发因素的权重分析见图 2、图 3、图 4、图 5。

图2 兰郑长输油管道甘肃段滑坡发育主要影响因素权重分布图

图3 兰郑长输油管道甘肃段崩塌发育主要影响因素权重分布图

图4 兰郑长输油管道甘肃段潜在不稳定斜坡发育主要影响因素权重分布图

图5 兰郑长输油管道甘肃段水毁发育主要影响因素权重分布图

4.3 各类地质灾害影响和诱发因素分析

(1)降水条件:管道跨越区域主要受季风气候的影响，雨季一般多大－暴雨，因此降水成为管道沿线地质灾害主要诱发因素，通过统计管道沿线有79%滑坡、81%崩塌、90%潜在不稳定斜坡、86%水毁和86%黄土陷穴等灾害最主要的外在诱发因素是降水条件。

(2)人类工程活动:不合理的人类工程活动经常诱发滑坡、崩塌、水毁等地质灾害的发生。从目前管道沿线地质灾害的调查统计结果来看，管道沿线有10%滑坡、19%崩塌、2%潜在不稳定斜坡、7%水毁和14%黄土陷穴灾害最主要的外在诱发因素是人类工程活动。

(3)地表水:管道沿线涉及冲沟或河流的特点是坡降较大、弯道较多、河沟面较狭窄、水流急、季节性变化明显，平、枯水期时水流浅薄，雨季、洪水期水量暴涨，下切和侧蚀能力增强，形成够河道水毁、台田地水毁灾害，对伴行路、管道、水工保护设施破坏性强。通过统计管道沿线有10%滑坡、2%潜在不稳定斜坡和7%水毁灾害最主要的外在诱发因素是地表水活动。

(4)地震作用:甘肃段历史上地震活动强烈，现代构造活动强烈，导致了管道沿线地质灾害受地震的影响较强，也较发育;地震使斜坡失稳的主要原因是由于地震惯性力及地震过程中坡脚的瞬时加力，从而导致潜在不稳定状态下的斜坡失稳而形成滑坡。

(5)地形地貌:地形地貌是控制滑坡、崩塌形成的内在决定性因素，通过统计沿线滑坡灾害中有90%、潜在不稳定斜坡灾害中有93%、水毁灾害中有38%形成的内在因素是由地形地貌起主导控制的。通过统计沿线水毁灾害中有38%形成的内在因素是由地形地貌起主导控制的。

(6)地层岩性:岩土体是地质灾害的载体和物质基础。管道沿线分布岩土体类型复杂，工程地质性质各异，并且对地质灾害的形成分布和活动起主导作用。管道沿线大部分地段为土体分布，包括残坡积、冲洪积等不同成因的碎石土、砂土、特殊性土(主要为黄土)等，不同的土体性质决定了地质灾害的发育特征，在黄土分布区内普遍分布的马兰黄土、次生黄土结构疏松，垂直节理发育，遇水易崩解，强渗透性，有利于雨水渗漏致使其结构破坏;并且黄土易形成陡坡而具备较高的临空面，促使斜坡失稳，因此多引起崩塌、滑坡灾害，而黄土具湿陷性和潜蚀性，管道通过段的水毁、黄土陷穴等灾害也较为普遍。通过统计沿线10%滑坡灾害，7%崩塌、地面沉降、黄土陷穴、潜在不稳定斜坡灾害、62%水毁灾害形成的内在因素是由地层岩性起主导控制。

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(7)地下水:地下水是影响斜坡稳定性的关键因素之一，降雨对坡体稳定性的影响最终也是落在地下水的作用上。其作用主要表现在两个方面:一是地下水水位的上升增加了岩土体的荷载，加大了坡体的重力，从而增加了坡体的滑动力;二是地下水的存在使斜坡的力学强度降低，地下水在运移过程中往往软化土层并润滑结构面，促使斜坡失稳。

4.4 沿线地质灾害对管道的危害特征

兰州－郑州－长沙成品油输油管道甘肃段发育的地质灾害类型主要为滑坡、崩塌、潜在不稳定斜坡、水毁、黄土陷穴等。灾害规模以小型为主，次为中型。

由于输油管道采用地埋方式，具有埋深浅(埋深2 m左右)、薄壳、线状及内含高压易燃易爆介质的性质，决定了管道沿线地质灾害对管道的危害有其特殊性，较小的地质灾害也可能造成对管道的重大危害。因此，灾害规模不是导致其危害性大小的决定因素，而要以致灾体与管道之间的相互关系来确定。而且不同类型的灾害对管道危害特征、危害程度也不尽相同，其危害和破坏方式特征主要表现为露管、悬管、挤压弯曲变形等。不同的灾害种类对管道的危害表现在以下几个方面:

(1)滑坡、崩塌、潜在不稳定斜坡灾害的危害

在滑坡体上的管道，如果滑坡滑动时，将会造成管道同步变形，下滑力将会造成管道发生大的变形，降低其输送能力或使用寿命，甚至会使管道发生剪切破坏。处在滑坡边界或前后缘的管道，在滑坡发生时，将会受到挤压，发生弯曲变形，或者悬管，影响管道安全。

在崩塌灾害体下的管道，会受到崩塌坠落物的直接冲击力，冲击力过大，就会造成管道受损、破裂造成漏油。在崩塌灾害体后缘的管道，会因前缘岩土体的崩塌发生，而形成悬管，严重时发生弯曲变形或断管。

(2)河沟道水毁灾害的危害

管道穿越冲沟、河道的管段，主要表现为河床下切、岸坡侧蚀作用，导致管道上方覆盖层变薄、岸坡垮塌，造成露管或悬管，同时受流水及所夹杂的浮木、树枝和漂石冲(撞)击下将导致管道防腐层甚至管道本身破裂，形成更严重危害。

管道、伴行路沿沟谷布设的管段，冲沟、河道的侧蚀、冲刷导致水工保护工程、伴行路冲毁，管道出现裸露、悬空或受侧向挤压发生弯曲，可能导致伴行路中断、管道泄漏等险情。

(3)坡面水毁及台田地水毁灾害的危害

水毁一般使管道发生裸露、悬管，或使管道上方覆盖层变薄，形成安全隐患。这种灾害特点在甘肃段黄土地区尤为明显，其特点为分布广、发育多。

(4)黄土陷穴和湿陷性灾害的危害

黄土洞穴是在黄土中发育的、以自然形成为主的地下空洞，形成黄土洞穴的主要营力为水力侵蚀作用，并伴随有重力侵蚀作用、风化作用等。具有湿陷性的全新世黄土和马兰黄土层有利于黄土洞穴的发育，湿陷性黄土厚度一般在8～15 m之间，受湿陷性黄土厚度控制，洞穴发育深度一般不大于20 m。

黄土洞穴和黄土湿陷性的存在，它可以诱发黄土地区的滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害，加剧水土流失，改变地下水的补、径、排条件等，对管道构成较大的危害。

4.5 各类地质灾害的防治措施

管道沿线地质灾害的防治措施应借鉴已有的成功经验，以管道安全为根本，同时考虑经济节约和新技术应用。防治措施总体概括包含工程治理措施、监测预警措施，避让措施。

工程措施包括排水工程、支挡措施、加固措施、防水流下蚀及侧蚀措施、坡面及台田地水毁防治措施。

(1)工程措施

地表排水工程包括灾害体外拦截地表水的截水沟和灾害体内防止入渗和截集引出地表水的排水沟。地下排水常用截排水盲沟。

在改变斜坡几何形态和排水不能保证斜坡稳定时，常用支挡结构物如档墙、抗滑桩、拦石栅或斜坡内部加固措施如锚固、土锚钉等来防止或控制斜坡岩土体的稳定性。

对斜坡内部进行加固多采用锚固工程。将锚杆或锚索的锚固段固定于潜在破坏面以下的稳定地层之中，施加的张应力增加锚拉方向的正应力，从而增大了破坏面上的抗滑力。锚杆或锚索与格构联合使用，可以发挥更好的防治效果，锚固力通过格构传递给坡面，从而保持边坡的稳定。而且格构之间的坡面可以填土和植草以美化环境。

防水流下蚀及侧蚀措施主要为防冲坎及护岸挡墙。目前，该措施在兰郑长管道沿线穿越河沟道位置被广泛应用，有效保护了管道的安全。

兰郑长管道沿线坡面及台田地水毁发育，此类水毁灾害的防治措施主要为修筑草袋护坡结合坡脚浆砌石挡墙。目前，在兰郑长管道沿线被广泛应用，也有部分点采用灰土夯填、下部挡墙上部隔梁护坡的措施。

(2)监测、预警措施。沿线调查所发现的地质灾害或隐患点均直接或间接危害管道及伴行路的安全，对活动明显，稳定性差的灾害点均采工程措施进行治理，以达到彻底根治的目的。对灾害体活动不明显仅有发展趋势的潜在不稳定斜坡、水毁和路基外侧小规模塌方等建议进行目视监测;对个别大规模古滑坡隐患点，对滑坡的活动程度不明确，对滑坡一旦复活难于治理的灾害点建议进行专业监测。

(3)避让措施

对大型滑坡灾害点经过监测或勘察确定为难以治理的，或治理费用巨大的，建议采取避让措施。

5 结语

通过对兰郑长输油管道甘肃段沿线发育的地质灾害类型、特征的分析、统计，认为:管道沿线地质灾害的发育、发生是各类内在影响因素和外在诱发因素共同作用的结果。在对管道沿线地质灾害的预防和治理中，应该综合考虑各类因素的影响作用，在加强监测、排查的同时，应根据灾害形成的内在影响因素和外在诱发因素采取安全可靠、经济合理的防治措施。

［1］张仲福，丁国轩等，兰郑长甘肃段地质灾害调查与治理规划报告［M］，甘肃工程地质研究院，2010.

［2］王鸿，长输管道水工保护工程施工技术手册［M］.北京:中国计量出版社，2006.

［3］茹慧灵，孙娈芬等，油气管道保护技术［M］.北京石油出版社，2007.