长输管道河沟道水毁危害探析

孙志忠，张满银，谢 荣，卡毛措，王生新

(1.甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所，甘肃兰州 730000;2.兰州大学环境遥感与地质灾害研究中心，甘肃兰州 730000)

0 引言

近年来，我国长输管道工程建设进入了迅速发展阶段，截至2013年底，投产运营管线累计长达9.85 ×104km，逐渐形成了东西南北互通的能源管网。长输管道通常穿越山地、丘陵、河沟谷、平原等多种地貌单元，沿线地质环境条件复杂多变，长期遭受崩塌、滑坡、泥石流、河沟道水毁、坡面水毁等管道地质灾害的威胁［1－4］。其中，普遍发育的河沟道水毁灾害轻则造成管道埋深不足或局部出露，重则造成管道长距离悬空、变形、扭曲、断裂等，严重威胁管道运营安全，且每年都要耗费大量资金进行防治［5－8］。

藉此，在长期管道地质灾害调查与风险评价基础上，初步探讨了河沟道水毁发育现状、破坏方式及危害特征，并进行危害程度对比分析，以期对河沟道水毁危害机制有更深入、系统的认识，也将为长输管道建设期选线和运行期管道地质灾害调查、风险评价及防治提供理论依据。

1 河沟道水毁发育现状

2008年，忠武输气管道发育河沟道水毁1239 处，主要分布在渝东颚西山与大别山一带，线密度0.90 处/km，中等以上风险点比例约27.0%。2010年，兰郑长成品油管道(信阳—长沙段)发育河沟道水毁2409 处，线密度高达3.22处/km［9］。2009—2014年，分别进行了甘肃、青海、新疆三省(区)境内敷设的西气东输一线、西气东输二线、西气东输三线、乌鲁木齐—兰州输油管道、甘肃庆城县供水管道、涩宁兰输气管道、涩宁兰输气复线、轮南—吐鲁番输气支干线、轮南—库尔勒输油管道、轮南—库尔勒输气管道、库尔勒—鄯善输油管道等长输管道沿线地质灾害调查与风险评价工作，其结果详见表1所示。

由表1得，长输管道沿线发育的河沟道水毁点约占地质灾害调查点总量的36.3%，平均线密度0.13 处/km，为西北地区最为常见灾害类型之一，尤其在甘肃长岭山北麓、青海拉脊山一带最为发育。受气象水文、地形地貌等地质环境的影响，新疆、甘肃、青海境内长输管道河沟道水毁发育线密度依次呈递增趋势。依据河沟道水毁风险评价统计结果，较高以上风险点比例均值约27.6%，中等以上风险点比例均值高达60.1%;对比发现，涩宁兰输气复线和轮南—库尔勒输油管道沿线河沟道水毁风险性高于其他管段。

综上所述，河沟道水毁是长输管道沿线最为发育、且风险性较大的地质灾害类型之一，属于重点调查、评价和防治的对象。

表1 长输管道河沟道水毁调查统计与风险评价结果一览表Tab.1 Investigation and risk assessment results of long-distance pipeline water-logging

2 河沟道水毁破坏方式

在相关学者研究的基础上，结合1089 处河沟道水毁点野外调查、统计分析成果，将长输管道河沟道水毁破坏方式划分为河沟床冲刷下切、河沟床淤积抬升和岸坡坍塌3 类;其影响因素主要包括降雨、汇流面积、微地貌形态、河沟道纵比降、河沟道横断面形态、岩性及人类工程活动等。

2.1 河沟床冲刷下切

河沟床长期处于冲淤交替的动态变化中，当冲刷占据主导地位时，河沟床将持续下切，同时增加河沟道切割深度。河沟床冲刷下切普遍发育，多发生于陡倾斜平原区、山间沟道、山麓等地带。依据冲刷下切宽度范围可划分为河沟床整体下切和河沟床局部下切;依据冲刷下切速率可划分为迅速下切和缓慢下切。野外调查发现，河沟床局部下切对长输管道的危害程度大于整体下切;河沟床一次性迅速下切对长输管道的危害风险远大于长期缓慢下切。

2.2 河沟床淤积抬升

当淤积占据主导地位时，河沟床将持续抬升，同时降低河沟道切割深度，因其发育速率缓慢，可归类为渐变性地质灾害。河沟床淤积抬升多发生于缓倾斜细土平原区、盆地中部、泥石流堆积区等地带。例如，轮南—库尔勒输油、输气管道穿越轮南一带，地处塔里木盆地西北缘，地形平缓，河沟道纵比降2～5‰，水流缓慢，良好的沉积环境使得河沟床不断淤积、抬升，不仅淤埋阴保桩等管道附属设施，而且威胁跨越段管道安全。

2.3 岸坡坍塌

受河沟道自然摆动影响，两侧岸坡坍塌发育普遍，且规模不等。在涡旋水流长期侧蚀、掏蚀、潜蚀等综合作用下，凹岸多呈陡坡、陡坎、陡崖状，重力侵蚀进一步加剧岸坡失稳发生坍塌、崩塌、滑坡等次生地质灾害。野外调查发现，岸坡坍塌主要发育于黄土高原、低中山区和河沟谷地带，严重威胁长输管道穿越段、跨越段、顺岸坡敷设段及其附属设施等的安全。

3 长输管道河沟道水毁危害特征

长输管道河沟道水毁危害与其敷设方式之间的相对空间关系包括“交切”与“平行”两种模式，可进一步划分为长输管道穿越河沟道、长输管道跨越河沟道、长输管道顺河沟床敷设和长输管道顺岸坡敷设4 种类型。不同敷设方式下可能存在的河沟床冲刷下切、淤积抬升和岸坡坍塌等危害特征各异，进而对长输管道的危害程度也不尽相同。

3.1 长输管道穿越河沟道

长输管道穿越河沟道是指管道通过大开挖、顶管等施工方法从河沟床底部通过河沟道，可细分为直交穿越和斜交穿越。相比之下，直交穿越管道受威胁长度最短，水毁防治费用较低，但受线路总体走向及区域环境的限制，部分穿越难免斜交河沟道。

长输管道穿越河沟道时，河沟床冲刷下切可能导致管道埋深不足、局部出露或悬空(图1);河沟床淤积抬升增加管道埋深，可能淤埋阴保桩等附属设施;岸坡坍塌可能导致管道埋深不足或局部出露。在水流及其携带砂石的冲击、摩损和碰撞等作用下，局部出露或悬空的管道可能会发生防腐层损坏、管壁局部凹陷、扭曲变形，甚至断裂等现象。

3.2 长输管道跨越河沟道

长输管道跨越河沟道是指管道在套管、管桥等附属构筑物的保护支撑下架空、高于河沟槽面越过河沟道的敷设方式，一般多采用直交最短线路跨越。长输管道跨越河沟道时，河沟床冲刷下切破坏虽然持续发育，但不会对管道安全构成直接威胁。而河沟床淤积抬升会不断降低跨越段管道的临空高度，对后期高水位携砂石水流过流时的冲击、磨损、碰撞等危害构成隐患，也反过来影响到了河沟谷的过流能力(图2);岸坡坍塌可能会导致跨越端两侧的管道埋深不足、局部出露或基础不稳，其长距离悬空可能发生管段变形、拉裂等。

图1 河沟床冲刷下切致管道悬空(2011年)Fig.1 Pipeline suspending resulting from river trenches bed scouring and cutting

图2 高水位携砂洪流冲击致管道变形(2011年)Fig.2 Pipeline deformation resulting from high water level sand-carrying torrent shock

3.3 长输管道顺河沟床敷设

长输管道顺河沟床敷设时，其敷设段均有遭受河沟床冲刷下切、淤积抬升和岸坡坍塌危害的可能。同样，河沟床冲刷下切可能会导致管道埋深不足、局部出露或悬空，在水流及其携带砂石的进一步冲击、碰撞作用下，易发生防腐层损坏、管壁局部凹陷、扭曲变形、断裂等(图3);河沟床淤积抬升逐渐增加管道埋深，可能会淤埋阴保桩等附属设施;岸坡坍塌可能会压埋管道、损坏阴保桩等附属设施。

图3 沟道变窄引发高速洪流致管道出露、损坏(2013年)Fig.3 Pipeline exposure and damage resulting from high-speed torrent caused by the narrowing of river trenches

图4 岸坡坍塌、后退逼近管道(2012年)Fig.4 Pressing on pipelines resulting from bank slope collapsing and retreating

3.4 长输管道顺岸坡敷设

长输管道顺岸坡敷设时，河沟床冲刷下切和淤积抬升一般不会直接威胁管道安全;岸坡坍塌、后退可能会导致管道局部出露、悬空、变形、断裂等(图4)。

4 管道河沟道水毁危害程度对比分析

综上，河沟道水毁破坏方式、管道敷设方式及其与水毁点的位置关系等均能影响水毁点的危害程度。按层次分析法构造模型，将河沟床冲刷下切、河沟床淤积抬升、岸坡坍塌依次计为A1、A2、A3;长输管道穿越河沟道、长输管道跨越河沟道、长输管道顺河沟床敷设、长输管道顺岸坡敷设依次计为 B1、B2、B3、B4;二者组合为AiBj(i=1，2，3;j=1，2，3，4)，可简化为Uij(i=1，2，3;j=1，2，3，4)。

4.1 判断矩阵构造

采用Saaty 提出的层次分析法［10］，利用表2中1～9 标度进行评价因素两两比较，构建Uij判断矩阵，结果详见表3所示。

4.2 权向量计算

采用Matlab 进行计算，表3判断矩阵最大特征值λmax=12.98，归一化特征向量(权向量)W=(W11，W12，W13，W14，W21，W22，W23，W24，W31，W32，W33，W34)=(0.191，0.026，0.273，0.023，0.019，0.053，0.026，0.016，0.084，0.060，0.035，0.197)。依据权向量，长输管道河沟道水毁危害程度由高至低依次为U13，U34，U11，U31，U32，U22，U33，U12，U23，U14，U21，U24。由此可见，管道顺持续冲刷下切的河沟床敷设时，水毁危害程度最高;管道顺岸坡敷设时，河沟床淤积抬升造成的危害程度最低。

4.3 一致性检验

判断矩阵的可靠性或一致性采用一致性指标CI与随机一致性比率CR来检验，详见式(1)、式(2)所示。

表3 长输管道河沟道水毁危害程度判断矩阵Tab.3 Judgment matrix of waterlogging hazard degrees of long-distance river trenches

式中:CI为判断矩阵一致性指标;CR为判断矩阵随机一致性比率;λmax为判断矩阵最大特征值，取12.98;n为判断矩阵阶数，取12;

RI为平均随机一致性指标，取1.54。

由上式计算得到一致性比率CR等于0.06，小于显著性水平0.10，故判断矩阵具有较满意的一致性。

4.4 评价结果对比分析

当河沟床处于持续冲刷下切状态时，不论管道是穿越河沟床还是顺河沟床敷设均存在高危险性，可能在一次或数次洪水冲蚀作用下发生露管、漂管、断裂等。故长输管道建设期选线应尽可能绕避高危险区，无法绕避时应加强防护措施，确保管道安全运营。河沟道岸坡稳定、河沟床淤积抬升区域，管道顺岸坡敷设危险性最低，为最佳线路。

5 结论

(1)河沟道水毁是长输管道沿线最为发育、风险性较大的地质灾害类型之一。

(2)河沟道水毁危害方式包括河沟床冲刷下切、河沟床淤积抬升和岸坡坍塌3 类。

(3)长输管道河沟道水毁危害与其敷设方式之间的相对空间关系可划分为管道穿越河沟道、管道跨越河沟道、管道顺河沟床敷设和管道顺岸坡敷设4 类。类型差异导致河沟床冲刷下切、淤积抬升和岸坡坍塌危害特征各异，近而对长输管道的危害程度也不尽相同。

(4)采用层次分析法，进行不同敷设环境下长输管道河沟道水毁危害程度对比分析，得到管道顺持续冲刷下切的河沟床敷设时，水毁危害程度最高;管道顺岸坡敷设时，河沟床淤积抬升对其危害程度最低。

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