输油气管道建设中的水土保持研究

倪振强

(聊城大学 建筑工程学院, 山东 聊城 252000)



输油气管道建设中的水土保持研究

倪振强

(聊城大学 建筑工程学院, 山东 聊城 252000)

长距离的输油气管道建设引发的地质灾害和水土流失类型多样，空间分布差异大；会造成滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害，也会引起土壤结构破坏和水土流失，影响区域的可持续发展。以西南地区的贵阳—重庆成品油管道工程为例，对建设过程中造成的地质灾害和水土流失进行了汇总、分析和研究，得到了其破坏机制和特点；并提出了相应的防治建议：必须坚持“预防为主、防治结合、因地制宜、因害设防、综合治理”的方针和生态与经济建设同步发展的原则。研究成果对输油气管道工程的水土保持研究具有重要的工程和科学意义。

输油气管道；水土保持；地质灾害；水土流失；防治措施

1 研究背景

随着我国经济发展及能源结构的调整，能源需求量急剧增大，输油气管道敷设量激增[1]。目前发达国家已基本实现管道化，比如美国从1865年开始建第一条输油管道，至今其输油管道超过29×104km，输气管道已超过30×104km[2]。对于我国而言，目前只形成了部分区域气管网，输油气管道建设处于发展阶段。随着长期的实践探索，我国管道建设技术有了很大进步。已经初步形成了全方位、立体化的油气输送格局，如“北油南运”、“西气东输”、“西油东进”和“海气登陆”等能源战略的实施[3]。

迄今为止，在西南地区尚无发现大型油田，是我国唯一没有大中型原油加工企业的地区。过去单靠铁路运输具有较多缺点：运距长、运价高、安全性差等。管道运输具有一次性投资少、运输成本低和安全性高等特点[4]，可以使西南地区用油难的状况得到很大改善。但西南地区有青藏高原、云贵高原和四川盆地，地形地貌主要以山地、丘陵为主。山地跨越我国一、二地形阶梯，地貌类型多样，地层岩性复杂，褶皱断裂发育，是我国山地灾害最为严重的地区之一[5]。因此在西南地区修建输油气管道，将面临众多的地质灾害挑战。

管道建设中造成的地质灾害对区域自然生态及社会环境造成一定的扰动，尤其会加重管道沿线区域的水土流失，影响区域可持续发展[6-7]。本文以西南地区的贵阳—重庆成品油管道工程为例，对建设过程中造成的地质灾害和水土流失进行了汇总、分析和研究，对此类工程水土保持的防治提出了建议，具有重要的工程和科学意义。

2 建设地区的环境概况

输油气管道工程呈线状延伸，属于线状开发建设项目[8]。贵阳—重庆成品油管道工程，管道从位于贵州省界的松坎镇酒店村到达重庆市边界，在重庆市綦江县华嘴村进入重庆市，管线沿渝黔高速向北敷设，在长生桥西侧，管线向正北方向敷设，绕经南山森林公园东侧后，管线向西北方向敷设，到达位于长江西岸川东化工厂的南侧，然后管线向东穿越长江后，到达位于长江东岸边的唐家沱油库，即管道的终点重庆末站。管外径为Ф323.9 mm，线路全长144 km。

管线除跨越、架空管段外，一般采用埋地敷设的方式。根据管线稳定的要求，结合地形地质条件，管线埋设深度为管顶覆土0.8～1.2 m，特殊地段架空敷设或地面敷设砌堤保护，石方段管沟超挖0.2 m，用以铺垫细土管床，管线回填后，恢复地貌原状。

管道途径地区大多为山区及丘陵，地质多为喀斯特地貌构造。气候属中亚热带湿润季风气候，降雨充沛。拟建线路所在区内地下水赋存丰富，主要类型为碳酸盐岩岩溶水、基岩裂隙水和第四系松散岩类孔隙水。地下水主要接受大气降水补给，迳流和排泄则受岩性、构造及地貌的控制。管道沿线地区河流属长江流域的綦江水系及长江干流。河流多为常年有水，水量丰富，河流的山区性特征明显，大多数的河流上游，河谷开阔，水流平缓，水量小；中游河谷宽窄相间，水流湍急；下游河谷深切狭窄，水量大，水力资源丰富。

3 管道建设中地质灾害与水土流失类型及分布

贵阳—重庆成品油管道段，特别是重庆段，工程地形复杂多变，地质差异较大。管道施工中易引发地质灾害和水土流失，常见的类型主要有滑坡、泥石流、土壤结构破坏和养分流失等，详见图1。

图1 地质灾害和水土流失类型Fig.1 Types of soil and water erosion and geological disaster

与普通的工程建设不同，由于输油气管道工程的独特性，其施工引发的地质灾害和水土流失具有以下几个特点：

(1) 按线状分布。由于管道是线状延伸，施工中造成的地质灾害和水土流失具有线性空间分布的特点。

(2) 类型变化大。由于管道途径的地形复杂多变，地质条件差异大，所以平地地区主要是农田水土流失，山地地区主要是滑坡、泥石流等。

(3) 时空差异大。时空的差异性表现在时间分布和强度分布上。因管道修建的时间不同，所以一般地质灾害和水土流失的集中发生在多雨的季节，具有一定的滞后性；因地质情况和施工工艺及条件不同，所以造成的地质灾害和水土流失强度也差别较大。

4 管道建设中的地质灾害分析

4.1 滑 坡

输油气管道建设中的滑坡一般有2类：一类是由于大面积填土或弃土而引起的滑坡，另一类是由于开挖坡脚造成的滑坡。

第1类滑坡多发生在油库建设的过程中。由于填土或弃土，虽经过了碾压、植草等措施的处理，但土体的固结时间较短，特别是岩土坡度较大时，在土体自重的作用下，回填土与原地形的分界线处容易发生滑动。进入雨季时，大量雨水通过坡面裂缝渗入坡体内部，其渗流作用会加速坡面的滑动，如图2。

图2 填土引起的滑坡Fig.2 Landslide caused by fill

第2类滑坡多发生在地质条件较差的地段。管道施工时，由于坡脚的开挖，使原来坡体的力学平衡被打破，而出现的滑坡。由于管道开挖的深度较浅，所以这类滑坡一般都属于浅层滑坡。发生这类滑坡的时候，基槽一般尚未回填，轻微时，坡体后缘出现滑裂缝；严重时，坡体变形较大，滑下的岩土体使基槽发生变形或破坏，必须进行削坡减载后方能再正常施工。

滑坡的发生既危害油库和管道的安全，也会危害民众的生命安全。在重庆段，管道穿越了大量的山村，管道的开挖，使许多居民平房出现了裂缝。在滑坡治理时，要坚持以保护管道和民众的生命安全为中心，提早发现，综合治理，突出重点。防治措施可采用整治坡脚、抗滑桩、挡土墙、护坡、排水等措施，控制和减轻滑坡灾害。

4.2 泥石流

众所周知，泥石流发生需要3个必须条件：地质条件—松散的碎屑物质，地貌条件—陡峻的地势，水源条件—充足的水[9]。

对于地质条件，由于管道开挖后的回填土非常松散，因此产生泥石流的物质来源比较丰富。对于地貌条件，贵阳—重庆成品油管道途径大量的山区，相对海拔较高，地势陡峻。对于水源条件，此条线路夏季降雨非常充沛，水源条件也能满足。在满足泥石流的发生条件后，就有可能对下游的公路和村寨造成破坏，必须在雨季来临之前进行调查、规范和防治。典型的可能引发泥石流灾害的地形如图3。

图3 典型的泥石流引发地形Fig.3 Typical terrain triggered by debris flow

泥石流的防治工程包括地貌恢复、生物水保、拦挡(蓄)工程、排导工程及沟道整治工程等几类。其中地貌恢复是泥石流防治工程中的先行工作，如加强松散物质的密实程度，消除工作平台以减少汇水面积等，能有效减小泥石流的发生概率。在此基础上，结合其他的防治措施，做出合理的方案。

4.3 崩 塌

崩塌落石是山区常见的一种局部不良地质现象，管道选线时应予以避免。一些崩塌区是本来就存在危岩，而另一些崩塌则是管道施工开挖造成的或加剧的。由于崩塌落石在海拔较高的地方落下，具有非常大的动能，既容易砸伤管道，也危及下游民众的安全。

崩塌落石引起的原因是多样的，施工的扰动可以分为2类。第1类是平行于斜坡的走向，因为岩质较硬，管线开挖施工困难，因此常常需要爆破和风镐钻探，这些施工造成的振动会引起崩塌落石。另一类是垂直于斜坡的走向，开挖施工中造成了岩土体的松动，或堆放的岩石形成了崩塌落石，如图4。

图4 施工引起的2种崩塌Fig.4 Two kinds of collapse due to construction

崩塌后的落石在坡面上的运动轨迹和速度是比较复杂的，但破坏类型比较单一，其防护方法主要为选线和工程防护。选线时应尽量避免大中型的崩塌落石区，对小型的崩塌落石区可采取工程防护。工程防治措施包括清除危岩、设置拦截措施(包括刚性挡墙及柔性防护网)和危岩加固等措施。

4.4 其他地质灾害

除了上述3种主要的地质灾害，还会引发其他的一些地质灾害，比如原有挡土墙失稳、地面沉降、地裂缝等。

管道对原有挡土墙的破坏包括平行和垂直挡土墙的破坏，如图5所示。当管道平行于挡土墙时，由于挡土墙基底部分被挖，在土压力的作用下挡土墙容易失稳破坏。当管道垂直挡土墙时，墙体的整体性被破坏，在土压力和水的共同作用下，容易发生水土流失。这些挡土墙所处的位置有居民房处、公路处和梯田处等，在管道施工时，如防治不当，会造成较大的损失。因此在管道施工中应尽量保护原有挡土墙的稳定性和完整性，破坏之处必须加以修补。

图5 管道与挡土墙的关系Fig.5 Layout of pipeline and retaining wall

地面沉降和地裂缝的地质灾害，则是由于管道开挖后需要回填，回填土的性质很不均匀，固结稳定的时间不一致而造成的。在穿越工程中，特别是穿越公路、江流的工程，如果管道上覆土体较差时，也容易出现地面沉降或是地陷。对于此类灾害，应加强地貌的恢复，必要时可采取灌浆处理。

5 管道建设中水土流失的特点

输油气管道建设对原地貌和植被的破坏，是造成水土流失的主要原因。由于管道建设活动，土壤的结构遭到了严重破坏。虽然随着时间的推移，土的结构性会逐渐恢复，但一般固结所需时间较长[10]。地貌恢复时，出于保护输油气管道的目的，在压实回填土时无法达到较大的紧密度，土壤结构恢复缓慢，为水土流失提供了丰富的松散物质。

水土流失的类型有水力侵蚀、重力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀等多种类型，其中水力侵蚀和重力侵蚀是输油气管道建设中最主要的水土侵蚀方式。

水力侵蚀的最主要2种方式是面蚀和沟蚀，包括管道穿越溪流时造成的侵蚀和降雨产生的地表径流造成的侵蚀。特别是在输油气管道施工过程中，地貌还未恢复，土质疏松，土壤中的成分极易随着流水流走。因为土的结构遭到破坏，回填后地下水丰富的地区，在渗流的作用下容易形成暗沟，带走土中的营养成分。此外，在沟谷地区开挖的管道工程，容易发生山洪侵蚀；在河岸和库岸地区开挖的管道工程，会发生波浪侵蚀。

重力侵蚀易发生在陡坡和沟的两岸沟壁。其中一类是由于土壤结构破坏，下部被水流淘空，上部的土壤和其母质成分在重力作用下滑落。另一种则是因为在管道开挖过程中，土体堆积时和回填后，由于其密实度不够，而造成的表面流滑。

6 水土保持防治措施布设原则

长距离的输油气管道建设过程中，地质灾害和水土流失类型多样，空间分布差异大。必须坚持“预防为主、防治结合、因地制宜、因害设防、综合治理”的方针和生态与经济建设同步发展的原则，以水土保持生态环境建设为基础，尽量减少对现有的水土保持设施的破坏，减少地面侵蚀，全面防治建设施工造成的地质灾害和水土流失。具体的防治原则如下：

(1) 紧密结合工程区地质灾害和水土流失的特点，科学地评价和预测，合理地采取各类水土保持措施，尤其是项目工程建设过程中临时性水土保持措施的安排，从工程开始就重视防治水土流失的发生。正确处理局部防治和整体防治、单项防治和综合防治的关系。

(2) 坚持水土保持设计与周边环境相协调的原则，合理配置水土保持工程措施、植物措施和临时防护措施，统筹兼顾，形成综合防护体系。注重生态环境的保护，尽可能减少对原地貌和植被的破坏，尽可能减少施工过程中人为扰动产生的废弃土(石、渣)。临时弃土(石、渣)要分类堆放，便于综合利用，加强临时性防护措施的设置。

(3) 坚持水土保持措施与主体工程相适应的原则。按照水土保持措施与主体工程“同时设计、同时施工、同时投产使用”的要求，科学合理地安排水土保持工程，与主体工程密切配合，相互协调，形成整体。

(4) 最后，因地区的差异性，应当注意吸收当地水土保持的成功经验；同时，亦要借鉴国内外的先进技术和方法。

7 结 语

本文以贵阳—重庆成品油管道工程为例，对长输油气管道建设中的水土保持进行了研究。详细分析了管道建设中的地质灾害类型—滑坡、泥石流、崩塌等，及水土流失的特点，并提出了相应的防治措施。在此基础上，提出了长输油气管道建设中水土保持防治措施的总体布设原则。

目前我国正处于输油气管道建设的高峰期，水土保持是工程中不可或缺的一部分，投入资金占有较大比例。本文的经验与研究可为相关的工程提供借鉴，同时也具有重要的科学意义。

[1] 李 影，李国义，马文鑫. 我国油气管道建设现状及发展趋势[J]. 中国西部科技，2009，8(14)：6-8.

[2] 宋艾玲，梁光川，王文耀. 世界油气管道现状与发展趋势[J]. 油气储运，2006，25(10)：1-8.

[3] 吴建军，曹 雄，詹胜文，等. 浅析我国目前的石油管道建设特点及其发展趋势[J]. 中国石油和化工标准与质量，2012，(16)：229.

[4] 魏红军，胡 波，朱绍平. 输油气管道工程建设生态环境影响与水土保持防治初步分析[J]. 长江科学院院报，2010，27(11)：89-93.

[5] 阿发友，孔纪名，倪振强. 地震荷载作用下中-缓倾角顺层开挖斜坡的变形破坏模型试验[J]. 岩石力学与工程学报，2012，31(增刊1)：3437-3443.

[6] 马清文，王成华，孔纪名. 长输油气管道建设中梯田的保护[J]. 水土保持研究，2007，14(2)：213-214，217.

[7] 张玉斌，王昱程，郭 晋. 水土保持措施适宜性评价的理论与方法初探[J]. 水土保持研究，2014，21(1)：47-55.

[8] 黄一劲，柴宗新，刘淑珍. 油气管线工程的水土流失特点与防治要点[J]. 中国水土保持，2008，(1)：42-43.

[9] 李德吉. 泥石流减灾理论与实践[M]. 北京：科学出版社，1997: 16-24.

[10]赵明华. 土力学与基础工程[M]. 武汉：武汉理工大学出版社，2012: 13-22.

(编辑：王 慰)

Research on Soil and Water Conservation in the Constructionof Oil and Gas Pipeline

NI Zhen-qiang

(School of Architecture and Civil Engineering, Liaocheng University, Liaocheng 252000, China)

In the construction of long-distance oil and gas pipeline, geological disasters and soil erosion occur with different kinds and styles of spatial distribution. On the one hand, the construction will trigger geological disasterssuch as landslide, debris flow and collapse. On the other hand, it will lead to soil structural damage in association with soil and water loss. Guiyang-Chongqing pipeline project of oil products was taken as an example, which is in the southwest of China. Geological disasters and soil erosion caused by construction were summarized and analyzed for the project. On the basis of this, we obtained the behavior and characteristics of disasters and propose prevention measures. In other words, we must obey principles (prevention first, combining prevention with control, adjusting measures to local conditions, prevention for disaster and comprehensive management), for the purpose of developments of ecology and economy. Finally, the research results can be referenced for soil and water conservation in oil and gas pipeline projects.

oil and gas pipeline; soil and water conservation; geological disasters; soil and water erosion; prevention measures

2014-05-28;

2014-06-26

聊城大学高层次人才、博士科研启动基金资助

倪振强(1983-)，男，山东莱芜人，讲师，博士，主要从事岩土工程减灾方面的研究，(电话)18769586505(电子信箱)nizhenqiang@lcu.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20140440

2016,33(01):20-23,42

TU457

A

1001-5485(2016)01-0020-04