黄河下游输气管线工程环境风险技术问题研究

李良东 赵 量

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室，河南 郑州 450003）

0 引言

西气东输工程分别在河南省的洛阳、郑州、开封，山东省的滨州、济南等地采用顶管方式穿越黄河，输气工程穿越黄河的地段大多处于黄河下游河段，由于黄河下游多泥沙、善摆动、多流路、宽滩地的独特地上悬河特征和复杂的河流条件，存在黄河输气管线工程环境风险技术问题［1-2］。因此，研究已经建成的西气东输工程穿越黄河施工中遇到的环境风险技术问题，对于目前正在进行设计的鲁—豫—皖输气穿黄工程及以后的穿黄、跨黄工程的设计与施工都具有重要的参考意义。

1 黄河下游地质背景

黄河下游的地貌类型按照形态可划分为山地、丘陵、平原三大类［3］，其中，洛阳、温县一带的穿黄输气管线工程涉及的地貌类型为山地、丘陵，黄河郑州以下河段的穿黄输气管线工程主要涉及的地貌类型为丘陵和平原。

黄河下游地区位于华北平原区，第四系地层覆盖了前第四系基岩地层。由于本区在构造运动上处于长期相对沉降地带，第四系地层深厚，据已有的研究成果［4-5］，本区第四纪以来沉积了厚330～450 m 的松散土层，其中黄河下游穿黄输气管线工程主要涉及地层为Q4、Q3、Q2冲—洪积成因的粉土、粉质黏土和粉砂、细砂、砂砾石、砂卵石地层。

黄河下游地区在大地构造上处于华北断块区内的华北平原断块凹陷亚区，与穿黄输管线有关的大地构造主要是济源—开封凹陷、鲁西隆起、临清凹陷、济阳凹陷等。黄河下游地区区域新构造运动的主要形式是断块差异升降运动、断裂错动、地震等，新构造运动也是控制河流走势、流路、沉积、改道的内在的一种因素［6］。黄河下游地区发育的断裂均为隐伏断裂，与穿黄输气管线工程相关的区域性隐伏断裂主要为聊城—兰考断裂、新乡—商丘断裂、长垣断裂、凫山断裂、菏泽断裂等，这些隐伏断裂大致为NW 走向和NE 走向。沿聊城—兰考断裂、郯城—沭河断裂曾多次发生过地震，属于活动性断裂［7］。

黄河下游地区浅层地下水主要为第四纪松散岩类孔隙潜水、承压水，广泛分布于黄河河床、黄河南北两岸滩地。地下水的补给及径流受黄河水的控制，大气降水和黄河侧渗为其主要补给来源，黄河为地上悬河，河水常年补给两岸地下水，地下水与黄河水水力联系密切。表1 为黄河下游某穿黄输气管线工程两岸滩地顶管施工场地进口、出口处地层抽水试验资料。从表1 可以看出，黄河下游河道两岸滩地地层透水性总体上属于中等透水层。

表1 某穿黄输气管线工程滩地抽水试验成果表

2 穿黄管线工程环境风险技术问题

2.1 穿越河道稳定问题

据史料记载［8］，从周定王五年（公元前602 年）河决改道入渤海，至1938 年郑州花园口人为决堤改道，黄河共有7 次大的迁徙。在现行下游河道中，桃花峪至东坝头（铜瓦厢）河段，为明清故道，迄今约有500 多年的历史。东坝头以下为清咸丰五年（1855 年）兰阳铜瓦厢决口改道夺大清河入海形成的河道。由于两岸堤防形成年代不一，加之自然和人文的因素，现行河道形成了上宽下窄、行洪能力上大下小的显著特征。

穿黄输气管线工程大多采用顶管施工技术，由于黄河南北两岸滩地宽阔，一般都要进行分段施工，这样需要在黄河滩地上开辟2～4 个顶管施工进（出）口，以缩短单段顶管施工长度便于工程施工。黄河下游河道从河床过流和行洪的角度，可将黄河下游河道分为游荡性河段、游荡性河段向弯曲性河段转变的过渡性河段、弯曲性河段、河口段等，处于不同河段的穿黄输气管线工程，要针对具体穿黄部位的河道特点，结合黄河控导工程效果进行详细论证，尽量避开河床变迁频繁、水流交织、流路多变、南北摆动大、滩地不固定的部位，以免黄河洪水上滩危及穿黄管线工程的施工安全。

以开封输气管道穿越黄河工程为例，该穿黄工程穿越部位处于黄河下游开封河段，河床普遍高出两岸地面，是冲淤变化剧烈，水流宽、浅、散、乱的游荡性河段。黄河北岸河岸在水流冲刷作用下不断受到侵蚀，冲蚀和坍塌较为严重，为此黄河河务部门专门修建了控导工程，受府君寺控导—曹岗险工及其下延控导—常堤控导—欧坦控导—贯台控导—夹河滩护滩控导—东控导等8 处控导控制，该河段河势得到有效约束，主溜较小，目前黄河主河道主要稳定在府君寺控导工程以南1 200 m 的范围内，北岸滩地相对稳定，工程穿越处北岸黄河大堤依附曹岗险工，堤防多次进行了加固，北岸堤坡稳定，适宜布置穿黄施工场地。黄河南岸河床稳定，河水流路集中，水流摆动幅度小，南岸黄河大堤很少受洪水侵扰，并且背河进行了淤背，南岸堤坡稳定。穿黄管线工程在所选具体穿越部位的场地进行黄河穿越工程施工是适宜的。

2.2 洪水揭底冲刷问题

揭底冲刷是汛期水流对河底所产生的极为强烈的深度冲刷。据实测资料显示，仅1951—1981年，黄河干流、支流汛期发生揭底冲刷现象达15次，顺河向冲刷长度最大可达150 km，揭底深度最大17 m 多。关于黄河揭底冲刷的机理，一般认为，它是在5～11 m/s 的高强度水流、在500～950 kg/m3高含沙洪水时黄河形成的复杂水流对河床所产生的破坏性作用［9-10］。

揭底冲刷对于河床和滩地破坏很大，往往顺着冲刷坑造成凹陷槽沟性河床，对于穿黄输气管线工程的安全性构成很大威胁。所以，在穿黄输气管线工程的规划和设计中必须给予足够的重视。在穿黄输气管线工程设计和施工阶段，一般要开展专门的防洪专项论证，根据论证结论，将穿黄输气管线工程穿越层位选择在黄河冲刷深度之下。

2.3 地震液化与震陷影响问题

黄河下游河床及南北堤防范围内的两岸滩地，20 m深度范围内一般为第四系全新统冲积物，以黄河濮阳河段穿黄输气管线为例，其地层岩性大致划分为第①层粉土，第②层粉土、泥质粉砂、细砂，第③层粉土、粉质黏土夹粉砂、细砂透镜体，第④层粉砂、细砂夹粉土透镜体，地下水埋深一般为2～8 m。根据以上基本地质条件，第①层粉土、第②层泥质粉砂及第④层粉砂、细砂（包括粉土）可液化土层存在地震液化的可能，经过相关规范判定方法和经验类比法等方法，对黄河下游河床及南北堤防范围内的两岸滩地地基土层地震液化问题进行了判别，判别结果表明：在20 m 的判别深度内，主河道地基土土层地震液化等级为中等液化~严重液化，主河道外两岸滩地地基土层地震液化等级主要为不液化，局部属轻微液化或中等液化。液化点主要分布在第①层粉土、第②层粉土、粉砂、细砂及第④层粉砂、细砂中，需要进行工程处理。

因此，采用定向钻的施工方式穿越黄河的输气管线工程，选择穿越层位时，必须选择处于黄河揭底冲刷高程以下且层位埋深要大于可能发生地震液化的地层，由此可以避免地震液化和震陷对黄河下游穿黄输气管道的影响。

2.4 黄河根石问题

黄河下游有坝、垛2 万多道［11］，在坝、垛的设计和建设中，为了保持坝、垛的稳定性，均设计和修筑有一定深度、厚度和坡度的根石层（见图1）。然而，由于黄河水流状态的多变性和来水来砂条件的多样性，洪水来临时，一定条件下就会在坝前形成冲刷坑。冲刷坑形成后，含砂水流局部就会发生流线变化，一方面形成回流掏蚀河底，另一方面水流集中冲刷能力大大增强，造成根石坍塌。根石在水流作用下有两种主要运动方式，一是随着坝前冲刷坑的形成，根石下蛰，没有出现明显水平方向移动；二是水流携带部分根石脱离坝体并向下游滚动，出现一定的移动距离。移动一定距离的根石会在河床某一部位沉积下来，散落在河底，后期来水携带的沉落泥沙对其进行自然掩埋，这部分根石就会埋藏在河道内的泥沙地层中，如果发生河床变迁，河槽摆动大，原行水河槽废弃并经泥沙堆积后变成新的滩地，则这类滩地地层中就会存在根石。

图1 黄河护岸工程典型根石层示意图

黄河根石的存在，给穿黄输气管线工程顶管施工带来很大的影响。在输气管线顶管施工过程中，出现了施工碰到埋藏根石无法顶进而被迫停工进行局部线路调整的问题。所以，在穿黄输气管线工程设计和施工过程中要重视黄河根石问题。

2.5 滩地土对钢质管道的腐蚀性

黄河滩地土对输气钢质管道具有一定的腐蚀性，以黄河洛阳河段穿黄输气管线为例，在黄河滩地进行了6组视电阻率测试，测试成果见表2。

表2 黄河滩区穿越土壤视电阻率测试成果表

由表2可知，其中0～9 m深度内的土层，基本位于地下水位以上，其电阻率一般为110～210 Ω·m，电阻率相对较高；9 m以下基本位于地下水位以下，其电阻率从上到下呈逐渐降低的趋势，其中9～25 m深度的土层的电阻率一般为55～100 Ω·m，25～35 m深度的土层的电阻率一般为35～40 Ω·m，根据判别标准［12］，穿黄输气管线工程在该河段可供穿越的10～25 m深度的土层土对钢质管道具弱腐蚀性，可供穿越的25～35 m 深度的土层土对钢质管道具中等腐蚀性。

2.6 水对钢质管道的腐蚀性

地下水对钢质管道的腐蚀性问题需要认真研究［13］，以黄河滨州输气管线穿越河段为例，在两岸民用井共取6组地下水及6组黄河水进行水质分析试验。根据水质分析结果可知，场区地下水化学成分中HCO3-、Ca2+、Mg2+、K＋＋Na＋等离子含量相对较高 ，pH 值 为 7.12～7.27，总 矿 化 度 为 793.98～944.51 mg/L，总硬度为314.41～487.19 mg/L，地下水的化学类型为HCO3-—Ca2+·Mg2+·（K＋＋Na＋）型；场区黄河水化学成分中HCO3-、Cl-、Ca2+、Mg2+、K＋＋Na＋等离子含量相对较高，pH值为7.77～7.79，总矿化度为 575.76～604.93 mg/L，总硬度为 341.44～398.60 mg/L，地 下 水 的 化 学 类 型 为HCO3-·Cl-—Ca2+·Mg2+·（K＋＋Na＋）型。

依据相关判别方法［12］，场区地下水的 pH 为7.12～7.27，Cl-＋SO42-含量为 37.06～133.56 mg/L；场区黄河水的pH 值为7.77～7.79，场区黄河水的Cl-＋SO42-含量为182.78～195.26 mg/L，黄河水、滩地区域地下水对钢质管道的腐蚀等级为弱腐蚀。

3 结语

西气东输工程是我国重要的能源输送通道，输气管线顶管穿越黄河时，需要研究河流环境顶管工程相关风险的技术问题，黄河是世界上著名的地上悬河，与黄河河流环境相关的工程风险技术问题也有其特殊性和复杂性。因此，在穿黄输气管线工程的规划、设计中，从河道稳定问题、洪水揭底冲刷问题、黄河根石、土水腐蚀性等问题入手，经过论证，选择适宜的穿越河段、设计科学的管道埋深并避开对管道施工带来影响的岸滩，节省工程投资，保护黄河环境不受污染，实现输气管线顶管穿黄工程顺利施工以及竣工后长期安全运营的目标。