水毁灾害—石油管道的危险源

2015-12-02罗守敬马志飞

城市地质 2015年3期

罗守敬，马志飞

（北京市地质研究所，北京 100120）

0 引言

2010年8月下旬，由于河北省秦皇岛市大石河水库泄洪放水，导致铁秦线石油管道穿越大石河东段出现河床下切，固管桩及石油管道外露，严重威胁管道的安全运营。通过对中国石油管道公司秦京线、任京线及东北石油管网等石油管道的地质灾害调查[1]，发现水毁灾害是平原区影响石油管道安全运营的一种重要灾害。它不同于崩塌、滑坡、泥石流等常规地质灾害，现状条件下它主要表现为在暴雨或洪水情况下，管道附近出现水土流失或者河流沟道堤岸受到破坏从而导致管道覆盖层变薄、管道露管或者悬空，威胁管道的运营。水毁灾害是威胁石油管道安全的一种特殊灾害，必须加以重视。

1 水毁灾害的类型及发育特征

1.1 水毁灾害的类型

根据管道穿越地区水毁灾害发育的地点、特征及其危害，将水毁灾害划分为台田地水毁、坡面水毁及河沟道水毁三种类型。

1.2 水毁灾害的发育特征

（1）台田地水毁

台田地水毁一般发生在台阶式田地的陡坎部位，管道穿越陡坎地段的松散土体时容易受到降雨和地表径流的冲刷，易在地表形成冲蚀沟，从而导致管道上覆土体流失、变薄。在管道与陡坎距离相对较近时，土体的严重流失可能会掏空管道上覆土体，出现露管现象。由于台田地的整体坡度较缓，台田地水毁灾害对管道的危害主要为水土流失、露管或者破坏陡坎处的管道护坡工程，因此台田地水毁灾害对管道造成的危害相对较小。

（2）坡面水毁

坡面水毁一般发生坡体上，坡面水毁主要由坡面水力冲蚀土体引起，而坡面水力冲刷侵蚀的强弱主要取决于边坡的坡度、坡长、降雨、岩土体的性质、地表植被覆盖及人类工程活动等因素[2]，其中边坡的坡度、降雨和人类工程活动是影响坡面水毁灾害的3个主要因素。坡面水毁灾害发育的严重程度取决于管道的敷设情况，如管道的埋深、管道上方覆土回填的密实程度等，同时也取决于管道的穿越方式，如管道与坡体是顺向穿越、横向穿越或斜向穿越[2]。一般情况下，坡面土体越松散，坡度越大，降雨强度越大，人类工程活动越频繁，坡面水毁灾害发生的可能性越大，其危害程度越大。坡面水毁的危害程度与台田地水毁类似，一般不会造成断管。

（3）河沟道水毁

河沟道水毁一般发生在管道穿越河流或沟道的地段，是流水冲蚀作用形成的，降雨、上游水库放水、冰雪融水、地下水等水文变化都可能对河沟道及堤岸产生侵蚀和破坏[3]。在管道穿越河沟道的地方，河沟道水毁的破坏方式主要有以下4类：第一、长期的流水冲蚀可能会掏空以直埋方式穿越河沟道的管道下方的土体而造成管道悬空；第二、石油管道的防腐层外露或者受到破坏；第三、外露的管道可能会继续受到河沟道中的流水或者物体撞击而出现管道凹陷或者断管；第四、管道穿越河沟道时设置的防护工程受到破坏（图1）。河沟道水毁灾害的发生，严重的结果是导致石油管道出现露管、断管，危害管道的安全，如铁秦线穿越大石河时上游水库泄洪时的断管、马惠宁管道穿越环江时，汛期曾发生过断管等[4]。河沟道水毁灾害的危害程度相对于其它两种水毁灾害，危害程度最大，对管道的破坏最为严重。

图1 管道敷设剖面示意图[3]

2 秦京线输油管道沿线水毁灾害的影响因素

“秦京线”为秦皇岛—北京输油管道，全长为349.026km，管道管径为φ529mm，埋深一般1.5～2m，管道外防腐涂层采用石油沥青防腐层，管道设计年输油量750万t。“秦京线”敷设地段属华北平原区，穿越地区河流水系发育，农田耕植、取土及河道挖砂等人类工程活动频繁。据调查，“秦京线”沿线共发育坡面水毁16处，河沟道水毁8处，台田地水毁3处，水毁灾害已造成管道露管、支护工程破坏等。

通过调查分析，影响“秦京线”沿线水毁灾害发生的因素主要为地形地貌、地层岩性、降水及地表径流以及人类工程活动。

2.1 地形地貌

“秦京线”沿线部分地区斜坡陡坎较多，地形坡度一般大于5°，小型冲沟较发育。由于地形有起伏，降雨时在坡面上会形成小规模的洪流，冲刷侵蚀坡面上的土体，地表水土流失严重。在台田地中有一些取土、取砂形成的陡坎地段或者因耕植活动形成的斜坡坡面地段，这些地段易发生台田地水毁和坡面水毁灾害。在河沟道地段，由于地形高差的变化，流水可能会冲蚀河沟道的堤岸或者下切沟底，破坏堤岸的稳定从而形成塌岸破坏护堤工程或者导致露管，引发河沟道水毁灾害。

2.2 地层岩性

“秦京线”沿线为华北平原区，管道敷设地段主要是砂土、粉质砂土及粘土等第四系冲洪积物，土体疏松，在降雨或地表径流的扰动下容易被冲刷，水土流失现象严重。对于河堤由砂土、粘土组成的大、中型河流，或者未作护坡护堤工程的河沟渠地段，土体松散，在流水冲刷下堤岸易失稳，形成河沟道水毁灾害；对于砂土分布的农田陡坎、台地及斜坡等地段则易形成台田地水毁和坡面水毁灾害。

2.3 降水及地表径流

水毁灾害的形成与水关系十分密切，而大气降水则是关系最为密切的“水因素”，同时大气降水的时空分布对地表径流的影响极为明显。强降雨是坡面水毁、河沟道水毁的主要促发因素，充足的降水使岩、土体处于饱和状态，雨水汇集形成的地表径流则极易引发坡面水毁或者台田地水毁；而当大雨或暴雨时，绝大部分雨水都会排入河沟道中，加大河流的流量和流速，从而增强河流的侧蚀和底蚀作用，致使河沟道底部不断下切或冲蚀岸堤，引发河沟道水毁灾害的发生。“秦京线”沿线河流纵横交错，沿线河沟的特点是平时水流浅缓，雨季时河水暴涨，下切和侧蚀能力强，由于管道多沿沟底埋设穿越或上部跨越，因此水毁对管道及其水工保护设施破坏性强。

2.4 人类工程活动

“秦京线”沿线人类工程活动频繁，主要为农田耕种、采砂、取土、建房、修路、修渠等。人类工程活动的影响主要有：农田耕种会扰动管道上覆的土体，造成管道上覆土体变薄、疏松，加剧地表水的入渗，这是诱发台田地水毁的主要原因之一；河道内的采砂活动可能会改变河道的水文地质条件，加剧河道的下切或堤岸侧蚀，甚至出现河流改道现象，并最终降低河沟堤岸的稳定性，为河沟道水毁的发生埋下了隐患；除河道外，农田中取土或取砂活动亦十分严重，秦京线一处距离管道不足3m的地段仍存在大范围的人工取土活动，严重威胁管道的安全；在一些基础设施修建过程中，如铁路、公路修建时的桥涵（洞）、过水廊道可能会把原来降水时面状的地表径流人为地进行汇聚，地表流水在通过桥涵（洞）后变为集中水流，流水量和流速急增，加大了流水的冲蚀力，在暴雨时易形成坡面水毁或河沟道水毁灾害，对管道及其伴行道路形成威胁。

3 秦京线输油管道沿线水毁灾害实例

水毁灾害是威胁秦京线管道正常运营的主要灾害，本文就3种水毁灾害分别阐述其对管道的危害。

3.1 K173+100m处台田地水毁

K173+100m处台田地水毁灾害发育在河北省唐山市丰润区沙流河镇，石油管道从沙流河镇南的水塘边穿过，管道周边为村庄和农田，地形平坦开阔，地表以粉质砂土为主。

管道从水塘堤岸南侧穿行，走向270°，敷设方式为直埋穿越，埋深1.5～2m。但管道南侧已发生水土流失并形成一个长约3m、宽约3m的水蚀坑，深度约0.6m（图2）。管道与水塘堤岸之间修筑有护坡工程，稳定性较好，但由于水蚀坑尚未回填，水土流失仍将继续发展，台田地水毁灾害威胁仍在。

现状条件下暂未发现台田地水毁灾害对管道有明显的破坏，但是在降雨和地表径流的冲蚀作用下，管道附近水土流失现象将会加剧，台田地水毁将进一步发展，对护坡工程造成威胁，影响管道安全运营。建议尽快回填水蚀坑，消除水土流失现象。

图2 秦京线管道与台田地水毁相对位置平面图

3.2 K269-400m处坡面水毁

K269-400m处坡面水毁灾害位于北京市通州区马庄村东500m处，穿越地区为农田及林地，地形起伏小，地表以砂土为主，土体松散。

管道走向270°，敷设方式为直埋穿越，埋深1.5～2m。调查发现，在管道南侧有一长约150m的长条型人工取土坑（图3），坑深3m，坑壁平均倾角约60°，该取土坑距离管道最近处仅2m（图4）。坑壁现状条件下相对稳定，但无护坡措施，靠近管道一侧坑壁坡面已发生坡面水毁灾害，时有土体坍塌或水土流失现象发生，微地貌亦发生改变。

图3 秦京线管道与人工取土坑的相对位置平面图

图4 秦京线管道与人工取土坑的相对位置剖面图

管道距离取土坑最近仅2m，位于坡面水毁区的边缘，现状条件下未见露管，由于坑壁土体为砂土，松散，稳定性差，在降雨情况下易发生坑壁坍塌，进而不断向管道埋设处侵蚀，最终危及管道的安全。建议制止该处取土活动并开展管道一侧坑壁坡面防护工程。

3.3 K144+080m处河沟道水毁

K144+080m处河沟道水毁灾害位于“秦京线”与陡河交汇处（图5）。该点位于河北省唐山市丰润区银城铺乡国持营村，两岸地形平坦开阔，地表以粉土和粉质粘土为主。陡河宽约30m，水面宽度约15m，平均水深约2m，流速约为2m/s。

图5 秦京线管道与陡河的相对位置剖面图

管道以大开挖沟埋方式穿越陡河，走向270°，沟底管道平均埋深约2.5m，穿越处河堤坡度约70°，堤岸无防护工程。调查发现，东侧河堤塌岸现象较为严重，堤岸上有数十条宽约1～3cm的小裂缝，部分河堤已经坍塌至河中，管道北侧8m处的河堤出现一个半径约2m的半圆形侵蚀坑，堤岸稳定性差，在水位升高和流速加大时堤岸坍塌现象将加剧。由于陡河上游有水库，水流的特征受水库调节，水流速度平时较缓，上游水库放水时水流流速增快，流水冲蚀作用加剧，加速塌岸灾害的发生。该处河道微地貌有明显改变，坍塌、堤岸后退等水毁现象发育且具备一定规模，河沟槽摆动明显，暂未出现露管、管道漂浮等现象，水毁灾害仍在发展中。

由于陡河穿越处管道埋深为2.5m，根据《秦京线安全性改造工程陡河穿越水文分析及冲刷深度报告》提供的数据[5]，管道穿越断面处百年一遇设计洪峰流量为162m3/s，设计最高洪水位为40.0m，最大水面流速为3.78m/s，设计河床最大冲刷深度计算值为4.06m，大于管道2.5m的埋深，因此该河沟道水毁灾害严重时会对管道安全造成较大的威胁。