冲积扇上油气管道水工保护措施及破坏类型

王生新，周 刚，徐 震，王鹏飞

1.兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃兰州 730000

2.甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所，甘肃兰州 730000

3.中国石油西部管道公司，新疆乌鲁木齐 830013

冲积扇上油气管道水工保护措施及破坏类型

王生新1，周 刚2，徐 震3，王鹏飞3

1.兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃兰州 730000

2.甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所，甘肃兰州 730000

3.中国石油西部管道公司，新疆乌鲁木齐 830013

冲积扇是山地河流在出山口形成的扇形堆积体，由于冲积扇的坡度和物质组成极易在冲积扇上形成汇水冲蚀，使通过此地区的油气管道产生变形、失稳或露管等水毁灾害，因此冲积扇上的水工保护措施对管道的安全运营有重要意义。总结了防冲墙、截水墙、截排水渠、护岸、过水面和护坦等冲积扇常用水工保护措施及其破坏类型，并分析了产生这些破坏的原因，对应各类破坏形式提出改进建议。最后指出：水工保护措施对油气管道的安全运营意义重大，应将其与管道工程视为同等重要；需对管道周围的地形、地貌以及当地的水害现象有一个全面的了解和掌握，以选择合适的水工保护措施。

冲积扇；水毁灾害；水工保护措施；破坏类型

冲积扇是山地汇水水流在出山口形成的扇形堆积体，主要发育在地势起伏较大且沉积物丰富的地区。当暂时性洪流携带大量碎屑风化物流出山口时，坡度变缓，水流摆脱峡谷的束缚向四方散开，使水流流速骤减，同时大量碎屑物质堆积形成冲积扇。由于组成冲积扇的物质粒度粗、分选差、渗透性强，同时坡度大、坡面凹凸不平，极易形成汇流冲蚀土体，使油气管道产生变形、失稳或露管等水毁灾害，因此研究冲积扇上的水工保护措施对管道的安全运营有重要意义。

表1给出了涩宁兰输气管道遭受的地质灾害统计，其中由水导致的河沟道水毁、坡面水毁、泥石流和台田地水毁是数量最多的灾害。油气管道多布置在冲积扇的中前缘，通常为横坡或顺坡敷设，冲积扇上冲沟与油气管道关系如图1所示。

表1 涩宁兰管道遭受的地质灾害统计

水流在冲积扇坡面产生汇流，沿冲积扇坡向流动，并形成冲沟，与横向敷设的管道相交，危害管道安全运营。

图1 冲积扇上冲沟与油气管道关系

管道水工保护（以下简称水保）措施就是针对管道存在的安全问题设置的油气管道配套设施，从而减小水毁对油气管道的不利影响，确保油气管道的安全性和稳定性。由于管道灾害频发，对管道的安全防护也越来越引起人们的重视，不同作者从不同角度阐述了防护措施的关系。李亮亮等[1]针对河沟道水毁对管道的危害形式将河沟道管道水毁的工程防护结构分为直接型和间接型两大类，并总结了不同水保类型的适用条件及防护目标。赵忠刚等[2]结合工程案例对长输管道地质灾害的类型、防控措施及监测方法进行了定性的分类论述。李宁等[3]根据油气管道工程沿线大量水毁灾害的调查，对长输管道的水毁灾害分布特征及其影响因素进行了分析研究，总结了长输管道沿线水毁灾害类型和分布特征。赵应奎[4]对西气东输管道线路的地质灾害和防治对策进行了定性分析。王鸿捷[5]总结了涩宁兰水保措施中使用的新技术新工艺。王智博等[6]通过对甘肃东南部三条长输管道的调查，总结坡面水毁主要类型有塌陷类和垮塌类，河沟道水毁主要类型有河床下切类、河岸侧蚀类和溯源侵蚀类。李智毅等[7]论述了在不同地质环境条件下管道灾害的发育特征。王惠智等[8]总结了黄土地区水毁特点及常用水保措施，并提出治理原则。李旦杰[9]则结合西南地区地质构造特点，提出了水土保持与管道保护相结合、工程措施与生物措施相结合、恢复利用与生态优先相结合和水土保持与地方经济发展相结合的综合防治水毁措施。

本文通过对高台、山丹、茶卡和鄯善等地的冲积扇上油气管道水保措施的实地调查，总结了冲积扇上几种常用水保措施的破坏形式并分析其产生破坏原因，提出整改建议。

1 常用水保措施类型

水是冲积扇上各种灾害的主要诱因，水在管道扰动区域更易引起坡面冲蚀、河沟道下切、河流改道等变化，进而导致管道变形、失稳或露管，对管道安全产生危害。水保措施的最主要目的就是对管道本体进行水害防治，应具有较高的稳定性、强度和耐久性。从水保措施的作用看，可以分为两类：一类是管沟回填土的保持，如护岸、防冲墙、过水面等；另一类是地表水排导水措施，如截水墙、截排水沟等。常用水保措施有六种。

1.1 防冲墙

防冲墙对防止河床的下切效果明显，是广泛使用的一种过水面措施。防冲墙能够降低水流流速，使水流中携带的泥沙产生沉积，并能减弱上游河床的下切作用。防冲墙通常置于管道穿越段下游5～10 m范围内，两端应嵌入岸堤一定深度，并与水流方向垂直，避免水流在一侧汇集冲刷沟岸。当河床比降较大时，应设置多级防冲墙护底，降低水流流速对沟道底的下切。

1.2 截水墙

油气管道敷设时，当管沟回填土的密实度等物理力学性质降低时，抗冲蚀能力会减弱。因此在管道顺坡敷设时，在坡面径流的冲刷下，易引起管沟回填土流失形成沟蚀，最终造成整个管沟回填土全部流失，使管道暴露甚至悬空。截水墙能对坡面汇水引起的管沟覆土的冲蚀起到消能保土作用，截水墙基底置于管沟沟底，其顶面宜与原自然地面齐平。截水墙一方面对地表径流下渗形成的地下潜流起到消能的作用，另一方面减少了由降雨形成的坡面汇水沿管沟冲刷造成的管沟内回填土流失。因而截水墙也是管道行业中应用最广泛、最成功的坡面防护措施之一。

1.3 截排水渠

截排水渠是为防止坡面汇水对管沟回填土造成冲蚀，根据地形、地貌、汇水面积等情况设置的防护措施。设计截排水沟时需考虑地质条件、边坡坡度、汇水面积及排水功能。截排水渠设计应能使水流顺利流入渠道汇集水流，同时断面设计尺寸应能够及时排走全部水流而不溢出。

1.4 护岸

护岸是通过对岸堤的加固来防止岸坡的冲刷、侵蚀和掏蚀。按护岸受土压力作用类型可分为挡墙式护岸和坡式护岸。护岸应根据水流性质、河道地质地貌等因素，结合防护位置，选用合适的护岸类型，如抛石护岸、石笼护岸、浆砌石护岸等。由于长输管道所通过的水域沟道较多且复杂，绝大多数沟道不具备水文资料，突发性洪水的水力参数收集困难，因此管道水保护岸工程通常采用设防等级较高的浆砌石护岸。同时为保证护岸的稳定性和耐久性，需对护岸高程和护岸形式进行合理设计，护岸顶面高程应高于设防水位并有一定的安全高度，同时对于护岸基础淘刷要有相应的应对措施。

1.5 过水面

管道穿越河沟道时，开挖施工破坏了原河床的稳定地层，而管沟回填土的密实程度、抗冲蚀程度均比原河床未扰动土弱，因此管道覆土更容易被水流冲刷而流失。过水面是设置在管道位置或管道下游河沟道的构筑物，可以有效防止管道覆土流失和河、沟床冲刷下切。过水面的长度应覆盖管道穿越段长度且嵌入两侧河沟岸，宽度不宜小于管沟上口宽度。为保证河沟道的行洪，过水面顶部一般不高于原沟道床面。过水面的材料选用应根据河沟床的水文、地质条件及施工材料等综合考虑。

1.6 护坦

护坦设置在泄水建筑物下游，保护沟道免受水流的冲刷，具有消能防冲的作用。冲积扇上常用护坦有铅丝石笼护坦和浆砌石护坦。护坦常与过水面配合使用，能够保护过水面后土的冲刷，延缓构筑物的破坏。石笼为柔性结构，允许一定的不均匀沉降，设置方便，抗冲击能力强，不易冲散。缺点是铁丝易腐蚀断丝，耐久性差。浆砌石护坦为刚性结构，用于跌水能量较大情况，通常设置为一级或多级护坦形式，能够减小水流对沟道的冲击，多用于流速快、跌水高差大的沟道。

2 水保破坏类型

2.1 截水墙与防冲墙的破坏

图2是截水墙的侧蚀破坏现场。由于管道回填土的抗冲蚀性能弱，坡面汇水沿管道流动形成冲沟；同时在修建截水墙时，截水墙对截水墙周边土也产生扰动，易于冲刷，当遭遇强降水时，水流汇集顺坡冲刷，破坏截水墙，冲蚀管沟回填土。

图2 截水墙侧蚀破坏

防冲墙与截水墙的构造形式和作用相似，同样具有相似的破坏形式。图3显示了防冲墙侧蚀破坏，水流绕流。这是由于防冲墙嵌入岸堤深度较浅，水流与防冲墙斜交，形成了水流的集中顶冲作用，不断侧蚀嵌入的深度，最终冲毁，使防冲墙失去作用。因此在设计施工时截水墙和防冲墙应与水流正交，对回填土采取夯实等加固措施，在不能保证防冲墙与水流正交时，可设置护岸，减少水流对岸堤的侵蚀。

图3 防冲墙侧蚀破坏

由于水流的冲刷和回填土的沉降，截水墙或防冲墙墙顶通常高于河沟道面，水流下跌对河沟道造成冲击，同时水流也对河沟道造成冲蚀下切。图4展示了水流对截水墙或防冲墙的冲刷掏蚀破坏。水流对河床的下切冲蚀使墙体全部出露，同时由于朔源侵蚀，对于埋置较浅的墙体基底产生掏蚀，对截水墙和防冲墙的稳定性产生影响，继续发展可能会使墙体产生倾覆。在对防冲墙和截水墙设计施工时，应尽量减少对现有流水形态的影响，截水墙应与地面齐平，防冲墙不应高于现有河床面并对回填土进行加固。当墙顶高于河沟道面时，应设置护脚或护坦等消能保护措施，减缓对河沟道的侵蚀。

图4 截水墙与防冲墙的冲刷掏蚀破坏

2.2 截排水渠的破坏

图5是截排水渠的常见破坏形式，水流没有按照设计预期汇入截排水渠并从截排水渠中排走，而是沿截排水渠外侧顺坡流走。这是由于在截排水渠施工过程中对周围土体产生扰动，导致土体不密实，抗冲蚀能力差，降雨和流水对导流渠周边土体产生侵蚀，使截排水渠高于周围土体，因而水流不能汇入截排水渠，而是沿截排水渠顺坡流走。因此设计施工时导流渠不应高于周围地面，并对导流渠周边土体进行加固。加强导流渠的汇水口的设计，选择合理的渠道截面，加强汇水导流能力。

图5 截排水渠的破坏

2.3 护岸的破坏

图6为挡墙式护岸在管道通过处的裂缝和变形破坏。由于管道回填土相较于未扰动的土体能使水更易渗入，墙后土压力增大，导致护岸出现裂缝变形。因此在进行护岸的设计施工时应按浸水挡土墙进行设计，在缺乏相关设计资料时，应参考附近相似工程进行施工，并使用耐久性长、强度大的材料，提高设防等级。

图6 护岸的墙体破坏

图7为护岸砌石的脱落现场，由于护岸埋置较浅，河床面下切，露出护岸基底。在水位高度下护岸的浆砌石水泥勾缝磨蚀严重，同时护岸基础有掏蚀现象，使石块在重力作用下掉落，对护岸的稳定性产生影响。为避免护岸基础的破坏，可以将护岸的基础设在冲刷深度以下，使基底不受冲刷；或为护岸设置防掏蚀措施，例如下游设防冲墙，墙角设抛石、石笼等护脚。

图7 护岸的基底破坏

图8为坡式护岸在管道通过处的塌陷。由于管道回填土自身的沉降或水流对回填土的侵蚀导致护岸悬空，在护岸自身重力下产生塌陷。对于这种破坏可以通过夯实回填土，减少回填土的沉降和侵蚀，或采用整体性护岸材料，避免护岸的局部塌陷。

图8 护岸的塌陷

2.4 过水面的破坏

由于浆砌石灰缝饱和度达不到标准，水流可从浆砌石缝隙间流入过水面基底，对基底产生掏刷，浆砌石在重力作用下产生塌陷破坏（见图9），因此保证浆砌石灰缝的饱和度对过水面的耐久性有重要作用。

图9 过水面塌陷破坏

由于水流携带的泥沙、石块对过水面表面水泥抹面有磨蚀作用，导致过水面表面支离破碎。当地形地貌发生改变，水流也改变了原先的流动方向，部分或全部水流从过水面的一端流过，侵蚀管道上方土体，使过水面失去防护作用。面对此种情况，应及时对缺口进行填补，同时在上游设置导流墙等导流措施，约束水流方向。

图10展示了水流冲蚀下切河沟道面，同时朔源侵蚀、掏蚀过水面基底，使过水面悬空导致塌陷，致使过水面缩短。对于这种情况应设置相应的消能措施，减小对河床的侵蚀。

图10 过水面基底侵蚀

2.5 护坦的破坏

铅丝石笼是油气管道水保最常用的消能防护措施。水流流经铅丝石笼时，水流通过石块空隙流入石笼基底，冲蚀石笼下土体，导致铅丝石笼产生不同程度的塌陷，最终石块在重力下破坏铅丝，导致铅丝石笼完全破坏，如图11所示。

图11 铅丝石笼塌陷及破坏

由于处在室外环境中，自然条件恶劣及水流中泥沙的冲击磨蚀，导致铅丝石笼的铁丝锈蚀断裂，石块从中散落出来，如图12所示。

图12 铅丝石笼铅丝锈蚀破坏

河床的下切冲蚀严重，同时水流朔源侵蚀，使护坦悬空，在重力作用下，部分浆砌石护坦掏蚀而破坏（见图13），产生塌陷。部分区域由于水流中携带泥沙、石块冲击浆砌石护坦，导致其破坏，如图14所示。

图13 浆砌石护坦掏蚀破坏

图14 浆砌石护坦冲击破坏

3 水保防护措施工程现状

冲积扇管道的防护重在治水，通过在管道易发生水毁破坏处有针对性地设置水保措施来保护管道。在实践活动中虽然也积累了一定的管道水保经验，但尚未形成充分的理论依据和适用的指导原则。在此方面还有待于进一步加强研究和探索，通过实地勘察发现，现有水保措施存在以下问题。

3.1 水保措施数量不足

现有水保措施主要设置在沟道较大、冲刷明显且对管道有明显威胁的位置。而在较小的沟道、冲刷不明显的位置没有采取任何措施，任由这些灾害点的发展将会对管道产生威胁。

3.2 现有水保措施损毁严重

由于自然条件恶劣，修建时间较长，维护不及时，现有水保措施普遍存在着不同程度的损毁，有的甚至已经失去防护作用；因此应加强对防护措施的巡查，及时维护水保措施。

3.3 水保措施防护效果差

由于油气管道距离长，沿程灾害数量众多，缺乏防护设计的相关资料，不能做到每个灾害点都进行合理设计施工。同时水保措施设防标准不足，如沟道的过水面尺寸明显偏小，不能保障管道的安全。水保措施不完善，如过水面工程两侧侧墙没有设置，难以使洪水汇集，遇较大暴雨时水流有可能从过水面两侧进行冲刷而导致工程损坏。

4 结束语

管道敷设及水保措施施工时，对周围土体产生扰动，造成土体性质发生变化，使扰动土体极易被冲刷，导致水流形态产生变化，沟道冲蚀下切，造成构筑物塌陷，使水保措施防护效果减弱或完全失去作用，这是水保措施破坏的主要原因。同时自然环境、水流流速及水流中泥沙冲击也是造成水保措施破坏的原因。水保措施的主要破坏类型有水保措施基底的掏蚀悬空、水流绕流、水保措施局部塌陷等。水保措施对油气管道的安全运营意义重大，应将水保措施与管道工程视为同等重要的工程。要保护好管道，就需要对管道周围的地形地貌以及当地的水害现象有一个全面的了解和掌握，选择合适的水保措施。

[1]李亮亮，邓清禄，余伟，等.长输油气管道河沟段水毁危害特征与防护结构[J].油气储运，2012（12）：945-949，966.

[2]赵忠刚，姚安林，赵学芬，等.长输管道地质灾害的类型、防控措施及监测方法[J].石油工程建设，2006，32（1）：7-12.

[3]李宁，傅荣华，谭超.某长输管道水毁灾害分布特征及其影响因素研究[J].甘肃水利水电技术，2015（7）：35-37，46.

[4]赵应奎.西气东输工程管道线路地质灾害及其防治对策[J].天然气与石油，2002，20（1）：44-48.

[5]李智毅，颜宇森，雷海英.西气东输工程建设用地区的地质灾害[J].地质力学学报，2004，10（3）：253-259.

[6]王智博，王任，刘小晖.甘肃东南部长输管道水毁类型及防治探析[J].江汉石油职工大学学报，2015（6）：47-50.

[7]王鸿捷.涩宁兰输气管道线路工程水保[J].天然气与石油，2003（1）：10-13.

[8]王惠智，杜景水，徐卫中.黄土高原油气管道的水保[J].石油工程建设，1996，22（3）：31-33.

[9]李旦杰.西南成品油管道地质灾害影响及防治措施[J].石油化工安全环保技术，2008（6）：35-38.

Hydraulicprotectionmeasuresanddamagetypesofoilandgaspipelinesonalluvialfan

WANG Shengxin1，ZHOU Gang2，XU Zhen3，WANG Pengfei3
1.Key Laboratory of Western Disaster and Environment Mechanics，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China
2.GeologicalHazards Research and Prevention Institute，Gansu Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China
3.PetroChina West Pipeline Company，Urumqi830013，China

The alluvial fan is the fan-shaped accumulation in the mountain pass caused by rivers passing through mountains.Because of the slope and materialcomposition of the alluvialfan.It is easy to form the catchment erosion on the alluvial fan，producing water damages such as deformation，instability，baring of pipeline in this area.Therefore，water conservation measures have important significance to the safe operation of the pipeline on the alluvial fan.Through the actual investigation，this paper introduces the hydraulic protection measures commonly used on alluvial fan，such as anti-scour wall，cut-off wall，intercepting drain，revetment，flowsurface and apron，summarizes the destruction types of hydraulic protection，analyzes the destruction causes，and puts forward some suggestions for improvement.

alluvialfan；water damage；hydraulic protection measure；destruction type

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.05.001

中国石油天然气股份有限公司西部管道分公司科技开发项目（XG-2015-001）。

王生新（1966-），男，甘肃靖远人，研究员，2005年毕业于兰州大学，博士，现主要从事黄土地基处理与地质灾害方面的研究。Email：wsx5003@163.com

2017-04-10