山区管道工程坡面径流防控设计及截排水体系

周大淜, 罗 扬, 葛 华, 郭涵宇, 王棠昱

(1.中国石油工程建设有限公司西南分公司,610095,成都;2.国家管网集团西南管道有限责任公司,610095,成都)

我国地形复杂、自然灾害频繁,水毁灾害是威胁山区油气管道安全最主要的地质灾害类型,约占总灾害数量的70%[1-2]。在山区、丘陵区、黄土区建设的管道水毁现象十分严重,尤其在管道刚建成一两年内频繁发生[3]。管道施工破坏作业带地表植被、土壤结构和坡面水系,导致雨季侵蚀沟在坡面迅速发育引发剧烈的土壤侵蚀[4],侵蚀沟持续发育最终导致作业带构筑物损毁甚至管道露空。径流是导致坡面水毁及水土流失灾害发生的主要因素。

胡道华[5]总结黄土地区管道工程水工保护实践经验并提出阻水和疏水的理念——设置阻水梗、截水沟、灰土挡墙等构筑物用于黄土冲沟沟头治理。李永军等[6]对靖边、延川黄土地区管道沿10°～25°顺坡敷设作业带间,隔5～10 m设置灰土截水墙、灰土排水沟,将坡面径流引至管线两侧安全地带。王鸿等[7]分析山区管道水土流失原因,采用塑料排水板用于坡面作业带排水具有较好的经济效益;还分析土质坡面侵蚀机理及对管道的危害,认为采用土工格室治理土质坡面,治理水土流失效果良好[8]。林铭玉[9]通过对生态袋在山区长输管道中的应用研究,提出顺坡敷设作业带及设“非”字型排水沟将坡面径流引出作业带。

油气管道行业已开展了大量坡面径流防控研究工作。根据近几年坡面水毁治理实践,发现一些管道区段存在防护过度,如顺坡作业带设置密集的大尺寸阻水梗或截水沟,其过流能力远超设计流量;另一些管道区段防护不足,如作业带缺乏必要的截排水设施,造成坡面剧烈水土流失。笔者对公路、铁路、市政、水土保持、油气管道等行业设计标准规范有关坡面截排水设计标准、设计理念、设计洪水计算方法进行对比研究,并选取南方湿润地区8个典型山区管道作业带坡面进行水文计算分析,探讨管道工程坡面径流防护标准,提出管道顺坡敷设、横坡敷设截排水体系设置要点,为山区管道水工保护及水土保持工程实践提供参考。

1 坡面径流防控对标分析

1.1 坡面截排水设计标准对比分析

笔者对公路、铁路、市政、水土保持、油气管道等行业关于坡面截排水设计标准进行统计(表1)。铁路、公路、市政及水土保持行业规范均根据不同工程等级及防护对象分别制定坡面截排水设计标准,其主要从工程重要程度、水毁造成的后果、修复难度以及工程造价等方面进行综合考虑。根据规范,油气管道工程地表排水设计降雨重现期宜为15～20 a,防护标准较为单一。

表1 坡面截排水设计降雨重现期对比表Tab.1 Comparative statement of designing rainfall recurrence interval for slope interception and drainage

管道顺坡敷设,坡面截排水沟主要用于控制管道埋设初期裸露作业带坡面水土流失。经过2～3 a林草植被恢复达标后,土壤侵蚀得到控制坡面趋于稳定。因此建议坡面截排水设计降雨重现期取 3～5 a。

管道横坡、斜切坡敷设,作业带施工扰动面将长期受到上坡侧径流冲刷,对管道安全运行及水土流失均有较大影响,需提高截排水设计标准。黄土地区土壤抗蚀抗冲能力差,管道经过沟头、腰岘、高陡边坡时作业带截排水也应适当提高设计标准。国家干线管网事关能源安全、服役期长、稳定性要求高,多采用DN 800～DN 1200大口径管道,作业带宽度 18～32 m,多采用全自动焊接工艺。山丘区需要修筑施工便道与作业带降坡才能满足焊接设备正常施工[10],作业带扰动面大水土流失风险高,建议设计降雨重现期取20～30 a。供气支线管道、油气外输管道管径多为DN 200～DN 800,作业带宽度12～18 m,出现水毁造成社会影响及危害相对有限,建议设计降雨重现期取15～20 a。油气集输及气田水管道管径多为DN 80～DN 200,作业带宽度6～14 m,这类小口径管道施工扰动范围小破坏程度轻,服役期较短油气藏枯竭后将停止使用,管道出现水毁后停产维修也较为方便,建议设计降雨重现期取10～15 a。

1.2 坡面截排水设计理念对比分析

笔者对公路、铁路、市政、水土保持、油气管道等行业关于坡面截排水设计理念进行统计(表2)。公路、铁路行业均从地表排水、地下排水、路面排水等方面进行规定,总体理念是排除地表水、地下水,维持路面、路基及道路边坡的稳定与安全,确保道路正常使用,具有很大的类似性。

表2 坡面截排水设置理念对比表Tab.2 Comparative statement of design concept for slope interception and drainage

市政行业旨注重科学设计室外排水工程,落实海绵城市建设理念,防治城市内涝灾害和水污染,改善和保护环境,促进资源利用。雨水系统和污水系统,应相互配合、有效衔接,从源头到末端全过程管控。

水土保持行业明确流域治理中坡面防护和梯田保护截排水工程设计要点,强调根据气候条件选择多蓄少排型、少蓄多排型及全排型坡面截排水体系,合理利用水土资源用于农业生产或促进植被恢复。

油气管道行业针对管道工程特点,提出在顺坡敷设、横坡敷设的管沟内设置截水墙防治管沟内地下潜流侵蚀。对管道横坡敷设、顺坡敷堑顶坡面及黄土沟头汇水进行截排,并对截排水构筑物做出要求。坡面整治中提出使用水平沟、鱼鳞坑、坡面种草、植生带等措施拦蓄径流促进植被恢复减少水土流失。

在具体截排水构筑物设置要求上,各行业关于坡面截排水沟的坡比、消能等要求基本一致。铁路、公路行业对截排水构筑物采用的建筑材料要求相对较高,主要以浆砌石、混凝土等刚性材料为主。水土保持和油气管道行业截排水建筑材料更为多样,除浆砌石、混凝土外还可以采取素土夯实、灰土夯实、生态袋等形式。

山区管道敷设初期裸露作业带极易受到径流冲刷,嵌顶坡面和沟头截排水沟、管沟截水墙在一定范围内起到防治土壤侵蚀的作用,但对广泛的作业带坡面水土流失而言防护不足。为防治作业带植被恢复前坡面水土流失,为植被恢复及管道安全运行奠定基础,建议分类明确管道顺坡敷设、横坡敷设作业带截排水设置要求,并结合项目区降水量采用多蓄少排型和少蓄多排型截排水体系。

1.3 坡面径流设计洪水计算方法

小流域及坡面汇流面积较小,一般不具有水文观测数据,在工程实践中通常采用暴雨资料推求设计洪水。根据陈枫[11]、伍斌[12]、王博[13]的研究,暴雨资料推求设计洪水主要有地方单位线法、经验公式法和推理公式法等3种方法。地方单位线法和经验公式法主要由各省市根据当地暴雨洪水多年观测资料拟定,以计算中小流域设计洪水为主,具有较强的地域性,可通过查阅地方水文手册获得。TB 10001—2016《铁路路基设计规范》、JTGT D33—2012《公路排水设计规范》、GB 51018—2014《水土保持工程设计规范》中坡面设计洪水计算均采用简化推理公式:

Q=16.67ψqF。

(1)

式中:Q为设计径流量,m3/s;ψ为径流系数;q为设计重现周期和降雨历时的平均降雨强度,mm/min;F为汇水面积,km2。

GB 50014—2021《室外排水设计标准》也采用简化推理公式计算设计流量,其形式如下:

Q=q′ψF′。

(2)

式中:q′为设计暴雨强度,L/hm2·s;F′为汇水面积,hm2。

通过对比可以发现,式(1)、式(2)为简化推理公式,系数不同由两公式变量单位差异导致。该公式核心在于计算设计暴雨强度q。设计暴雨强度根据设计降雨历时和重现期通过暴雨图集、暴雨公式、或实测暴雨资料推求。降雨历时已经包含坡面地表覆盖情况、坡度、坡长等水文要素对汇流的影响,其计算公式如下:

(3)

式中:t为坡面汇流历时,min;m1为地表粗度系数,可根据坡面附作物情况查表取得;Ls为坡面流的长度,m;is为坡面的坡度,以小数计。

SY/T 6793—2018《油气输送管道线路工程水工保护设计规范》坡面设计洪水采用推理公式全面汇流条件进行计算,公式如下:

(4)

式中:HD为某设计频率的雨力,mm/h;τ为汇流时间,h;n为暴雨递减指数;μ为损失参数,mm/h。

对于汇流时间τ,按下列公式计算:

北方:

(5)

南方:

(6)

式中:K1,K2,α1,α2,β1均为系数,量纲为1,根据地理位置表查得;L为主沟长度,km;J为主沟底纵坡,以小数计。

式(5)、(6)用于计算带主沟小流域汇流时间τ,不适用于计算坡面汇流历时t。管道作业带坡面径流无主要沟道、汇流面积小甚至不足1 km2,采用式(1)、式(2)计算设计径流量更具合理性。

2 山区管道坡面截排水体系探讨

2.1 典型坡面水文计算

笔者根据工程建设实践选取南方湿润区广东揭阳普宁市粤东LNG一期项目、浙江宁波北仑区甬绍线管道工程、四川广元苍溪县中贵线与元坝-普光管道联络线工程、重庆市潼南区川气出川二线管道工程等4个工程8个典型作业带坡面采用式(1)进行水文计算。首先根据项目所在地暴雨图集得出特征暴雨(表3),根据管道测绘图整理出典型坡面特征参数(表4、表5),再计算典型坡面设计径流量(表6、表7)。

表3 项目所在地特征暴雨统计Tab.3 Statistics of characteristic rainstorms at the project sites

表4 典型顺坡敷设坡面特征Tab.4 Characteristics of typical along-laying slopes

表5 典型横坡敷设坡面特征Tab.5 Characteristics of typical cross-laying slopes

表6 典型顺坡敷设坡面各频率流量计算Tab.6 Flow calculation of each frequency on typical along-laying slope

表7 典型横坡敷设坡面各频率流量计算Tab.7 Flow calculation of each frequency on typical cross-laying slope

通过特征暴雨分析发现,广东普宁县、浙江北仑区、四川苍溪县、重庆潼南区5 a一遇10 min平均降雨强度分别为2.64、2.56、1.77和2.26 mm/min,这根据GB 51018—2014《水土保持工程设计规范》附录A通过内插法读取的值基本一致。根据规范查图北仑区位于2.0 mm/min等值线附近,但通过浙江省暴雨图集为2.5～2.6 mm/min,其精度有较大提升,在实际工程中应尽量采用当地暴雨图集查阅参数以提高计算精度。

管道顺坡敷设作业带坡面径流垂直等高线向下逐渐汇流,汇水面呈条带状受作业带宽及坡长控制。四处典顺坡汇水面积为0.004 4～0.008 3 km2,P=5%汇流量为0.11～0.20 m3/s,若将坡面按30 m间距设置截水沟则对应流量约为0.01～0.02 m3/s,按照50 m间距设置截水沟则对应流量约为0.02～0.04 m3/s。管道横坡敷设作业带承接上坡侧汇水,汇水面受管段长度及管道至上坡分水岭坡长控制,呈面状。四处典型横坡汇水面积为0.057～0.128 8 km2,P=5%汇流量为0.84～3.10 m3/s。横坡作业带上坡侧来水在汇流过程中受微地形影响逐渐向坡面低洼地段及微型沟道汇集,30 m长作业带控制流量约0.12～0.20 m3/s,50 m长作业带控制流量约0.19～0.34 m3/s。管道横坡敷设、顺坡敷设等距离分段坡面汇流量相差约8～10倍,这也是管道横坡敷设通常造成更为严重的水土流失原因之一。

2.2 坡面截排水体系探讨

山区管道作业带土壤侵蚀受到坡度、坡长、土石比等下垫面条件以及降雨强度、汇流量等气象水文因素双重影响[14]。坡面放水冲刷试验表明侵蚀量与放水冲刷量之间呈现极显著正相关[15],裸露坡面如不及时有效地防护,不仅造成严重水土流失还可能诱发次生地质灾害,对周边地区水土资源和工程本体造成巨大危害和破坏[16]。坡面植被恢复通常需要较长时间,工程建设初期主要靠坡面截排水措施来控制土壤侵蚀。

史冬梅等[17]、牛耀彬等[18]、丁文斌等[19]通过野外冲刷试验深入研究紫色土、黄土、煤矸石等工程堆积体坡面径流对土壤侵蚀的影响。根据其研究结论,试验条件下放水流量10 L/min产沙率较小紫色土地区大致0～100 g/(m2·min),10～15 L/min放水量产沙率约200～500 g/(m2·min),在20 L/min形成突变产沙率达到1 500～3 000 g/(m2·min),持续10 min放水便可造成整个坡面剧烈侵蚀,20 L/min放水流量可视为坡面径流造成土壤侵蚀的拐点。

将典型坡面设计流量折算到试验条件下的放水流量,以20 L/min放水流量为拐点探讨作业带截排水设施设置的合理性。顺坡敷设作业带按截水间距20、30和50 m将坡面径流折算为放水流量(表8)。顺坡作业带主要防治恢复初期坡面径流冲刷,设计频率宜按照P=33.3%进行控制。经计算,截水间距为20 m时折算放水流量为13～19 L/min,间距为30 m时折算放水流量为19～29 L/min,为合理控制坡面径流,顺坡敷设截水沟间距取25～30 m为宜。间距为50 m时区间折算放水流量为31～48 L/min,将诱发作业带剧烈土壤侵蚀。截水沟尺寸可按P=5%频率降雨30 m长作业带汇流量0.01～0.02 m3/s进行设计,一般情况下0.3 m×0.3 m简易截水沟即可满足要求。

表8 典型顺坡敷设坡面不同截水间距放水流量折算Tab.8 Conversion of water flows for typical along-laying slope at different intercepting intervals L/min

横坡作业带将长期受到上坡侧径流冲刷,一般管道设计洪水频率可按P=5%进行控制,坡面径流折算为放水流量(表9)。根据分析,P=33.3%、P=5%暴雨条件下各坡面折算放水流量均已远超20 L/min,此时将导致作业带产生剧烈水土流失。

表9 典型横坡坡敷设坡面放水流量折算Tab.9 Conversion of water flow for typical cross-laying slope L/min

横坡作业带长期受到上游汇水冲刷并在局部汇集,最终可导致作业带严重水土流失、水工构筑物损坏甚至管道露空。因此应在作业带内侧或上坡侧设置永久性截排水沟,并结合微地形分段导入下游,断面尺寸应根据水文计算确定。

综上,山区管道顺坡敷设与横坡敷设坡面径流具有较大差异。南方湿润区雨量充沛,管道顺坡宜间距25～30 m分段设置水平截水沟、阻水梗截断坡面径流,避免汇集造成冲刷。构筑物尺寸不宜过大,可采用素土夯实、生态袋等结构形式,待作业带植被恢复后该类截水设施将逐渐完成其使命。管道横坡敷设,作业带上侧汇流量大坡度陡冲击力强,整个管道服役期均受到径流冲刷。应充分考虑坡面径流的影响,在作业带内侧设置截排水沟,将坡面径流分段引入下坡侧。截排水沟断面尺寸应根据水文计算确定,并考虑一定耐久性,宜采用浆砌石、混凝土等结构形式。

在北方干旱、半干旱地区应因地制宜,采取多蓄少排型截排水措施体系,采用截水沟、竹节沟、阻水梗、鱼鳞坑、水平阶等不同形式,达到阻断水流的目的。此类截排水措施体系有待进一步根据工程实践经验总结。

3 结论

1)通过对公路、铁路、市政、水土保持等行业规范坡面径流防控标准对比分析,提出管道工程坡面径流防控设计建议,管道顺坡敷设设计降雨重现期取3～5 a,管道横坡敷设设计降雨重现期口径≥DN 800管道取20～30 a,≥DN 200～DN 800中小口径管道取15～20 a,口径

2)根据南方湿润区典型坡面水文计算,P=5%频率降雨在管道顺坡敷设30 m长作业带汇流量为0.01～0.02 m3/s,在50 m长作业带流量为0.02～0.04 m3/s,管道横坡敷设在30 m长作业带上坡侧汇流量为0.12～0.20 m3/s,50 m长作业带上坡侧汇流量为0.19～0.34 m3/s。典型坡面管道横坡敷设、顺坡敷设等距离管段坡面汇流量相差约8～10倍。管道横坡敷设受到坡面径流冲刷影响更大。

3)根据工程堆积体坡面冲刷试验相关文献及典型管道坡面水文计算分析,南方湿润区管道顺坡敷设作业带截水沟间距取25～30 m较合理,区间汇流量约0.01～0.02 m3/s,断面尺寸较小,耐久性要求低。管道横坡敷设汇流量大冲击力强,应根据水文计算确定截排水措施,并考虑一定耐久性,宜采用浆砌石、混凝土等结构形式。