蘇丹6區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害類型及防治對策

蘇丹6區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害類型及防治對策

1特殊地貌條件2003年，蘇聯(lián)6個區(qū)的原油管道建成并開始生產(chǎn)。該管道從富拉出發(fā)，距離卡拉穆鋼礦場附近的末站，全長715公里，全長609.6毫米。管道走向由西向東,穿過熱帶雨林邊緣、熱帶草原,入熱帶沙漠,跨戈壁丘陵等自然地貌區(qū)。管道沿線地形大部分起伏和緩,但有些地段則存在特殊地貌,如湖盆灘地、大型季節(jié)河沖溝、沖刷洼地、尼羅河穿越等。具體而言,從首站(KP00)至KP120(注:KP為管道里程樁英文縮寫),為典型的熱帶雨林邊緣地帶,植被茂密,土壤類型為黑棉土、砂黃土,每逢雨季洪水肆漫,沼澤廣布。水工保護(hù)工程及管道伴行路在雨季經(jīng)常遭到水毀。從KP120至3號站(KP280)這一段為熱帶草原,地勢平緩,土壤類型為砂黃土。但部分區(qū)域有大型季節(jié)湖和季節(jié)河數(shù)條,因此沖溝發(fā)育,溝道侵蝕、河床下切、溝坡擴(kuò)展現(xiàn)象較為嚴(yán)重。在KP280至末站(KP715)這一段為熱帶沙漠、戈壁,土壤類型為沙土和砂巖。除在KP450附近有湖盆灘地及在KP702處的尼羅河管道穿越處存在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險外,此段區(qū)域潛在地質(zhì)災(zāi)害較少。2有害過程和現(xiàn)象地質(zhì)災(zāi)害一般是指由地球內(nèi)力作用引起的地殼變形、位移及地表物質(zhì)運(yùn)動所產(chǎn)生的有害過程和現(xiàn)象。影響蘇丹六區(qū)原油外輸管道安全運(yùn)行的地質(zhì)災(zāi)害可歸納為:水力侵蝕、土壤重力侵蝕、季節(jié)河洪水沖蝕、河流橫向擺動侵蝕、特殊土體侵蝕等5類。2.1沖溝下切、溝岸擴(kuò)展和深刻性侵蝕水力侵蝕是土壤侵蝕的一種形式。水力侵蝕主要表現(xiàn)為溝蝕,溝蝕又稱為線狀侵蝕,其形態(tài)包括淺溝、切溝和沖溝等。溝蝕是對油氣管道工程危害最為嚴(yán)重的侵蝕方式之一,其方式為沖溝下切、溝岸擴(kuò)展和溯源侵蝕。6區(qū)管道從首站至3號站(KP280)這1段區(qū)域地處熱帶雨林邊緣、熱帶草原,土壤大部分為黑棉土和砂黃土。在雨水的沖刷下極易形成沖溝并在沖溝內(nèi)形成匯水。沖溝可以造成管道裸露懸空,可以沖毀管道伴行路。6區(qū)管道經(jīng)常在雨季遭受嚴(yán)重的水力侵蝕。2006年,在距首站58km處,僅一次強(qiáng)降雨就將大部分管道伴行路沖毀,并形成多處沖溝以及管道的裸露。2.2土體抗滑塌機(jī)理傳統(tǒng)的工程地質(zhì)和巖土工程邊坡地質(zhì)災(zāi)害研究通常將重力侵蝕劃分為滑坡和滑塌2類。6區(qū)管道在KP165、KP253季節(jié)河兩岸的土體為深厚的砂黃土,砂黃土垂直節(jié)理發(fā)育。雨季時,雨水順砂黃土節(jié)理下滲而形成接觸面徑流帶,在土體重力的作用下進(jìn)而觸發(fā)滑塌。這種侵蝕可造成河岸護(hù)坡毀損,是穿跨越管道的危險所在。2.3外輸管道沿空模塊季節(jié)河洪水對管道的沖蝕表現(xiàn)為3方面:①由于洪水強(qiáng)烈的沖刷淘蝕作用使河流穿越段管道的覆土減薄,埋深達(dá)不到要求,加之沒有水工保護(hù)措施或措施不當(dāng),造成穿越段管道裸露懸空;②穿越段下游河道在湍急水流的沖蝕下(洪水中攜帶大量的沙石)快速下切,并向上游推進(jìn),形成典型的“溯源侵蝕”,使管道敷設(shè)基礎(chǔ)面臨被淘空的危險;③由于季節(jié)河兩岸土體屬砂黃土,在水流側(cè)蝕的強(qiáng)烈作用下,極易發(fā)生坍塌,進(jìn)而使河道拓寬,危及護(hù)坡。6區(qū)原油外輸管道在KP253季節(jié)河區(qū)域同時存在上述3種形式的洪水沖蝕。該處管道設(shè)計埋深約為1.2-1.5m,竣工投產(chǎn)兩年后(2006年)該區(qū)域季節(jié)河洪水泛濫,水位暴漲,強(qiáng)烈沖刷管頂覆土,致使管道裸露長達(dá)120m并產(chǎn)生部分懸空(如圖1所示)。對該段進(jìn)行回填夯實之后僅1a(2007年6月),大致在同一區(qū)域,管道又被季節(jié)河強(qiáng)烈沖淘而再次裸露。同時,在距管道約40-50m的河道下游,堅硬的砂黃土河床在劇烈的渦旋作用下形成無數(shù)規(guī)則的但內(nèi)徑及深淺不一的“窩形坑蝕”?！案C形坑蝕”連片后,面積逐漸擴(kuò)大為更大的坑蝕,并在“坑頭”處形成很深的“V”形下切。最大下切深約10m,寬約6m,長35m。從2006年開始,通過連續(xù)3年的監(jiān)測,下切形成典型的“溯源侵蝕”,“坑頭”有明顯上移趨勢。另一方面,季節(jié)河兩岸的護(hù)坡也因側(cè)蝕而出現(xiàn)大面積坍塌,致使河槽逐年加寬。2.4河流主流橫向位移導(dǎo)致管道露地失固蘇丹6區(qū)管道遭受的河流橫向擺動侵蝕主要是由于舊河床堆積抬高到一定程度后主流位移造成的。這種侵蝕對管道的安全威脅主要反映在兩方面,即:河床的位移使原管道彈性敷設(shè)爬升段暴露于新的河槽內(nèi),從而導(dǎo)致管道外露;另一情況,這種擺動所形成的新河槽遠(yuǎn)離爬升段,但由于新河床下的管道未經(jīng)深埋處理,在河流的沖刷下覆土減薄,同樣也會造成管道裸露。6區(qū)管道在KP58、KP165及KP253處均有大型季節(jié)河穿越。因河流主流橫向位移而造成管道裸露時有發(fā)生。仍以KP253處的季節(jié)河為例(如圖2所示),2005年以前的舊河道由于泥沙淤積而使河床抬高。2006年雨季,該季節(jié)河水量猛增,發(fā)生主流位移,生成新河道。而新河道下管道未經(jīng)深埋,因此,發(fā)生前述洪水沖蝕過大而造成管線裸露120m的事故。2.5特殊土壤侵蝕埋地管道會不可避免地遭遇特殊土體侵蝕問題。蘇丹六區(qū)原油外輸管道涉及到如膨脹土、濕陷性砂黃土、鹽漬土等土體造成的地質(zhì)災(zāi)害問題。2.5.1管道變形破壞黑棉土是一種脹縮性極強(qiáng)的灰黑色粘性土,具有浸水承載力衰減等特性,加之滲透系數(shù)小(<7.5×10-6cm/s),因此,容易產(chǎn)生地基變形,造成管道建筑物變形開裂和邊坡失穩(wěn)。六區(qū)原油管道前90km沿線土壤大部分為黑棉土。在2006年的管道巡線中就發(fā)現(xiàn)若干閥室及陰保站的地坪和基礎(chǔ)發(fā)生不同程度的開裂破壞。2.5.2管道沖淤嚴(yán)重濕陷性砂黃土結(jié)構(gòu)上具有垂直節(jié)理,遇水浸泡即失去強(qiáng)度,在雨季易產(chǎn)生塌方、空洞,進(jìn)而形成陡峭的沖溝,同時,過大的濕陷變形所產(chǎn)生的負(fù)摩阻力可能導(dǎo)致管道彎曲變形、裸露、懸空,甚至折斷。此外,還有可能導(dǎo)致地層不均勻沉降、裂縫等,或者誘發(fā)崩塌和滑坡,對管道的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。2.5.3鹽漬土的危害鹽漬土是在干旱氣候環(huán)境中,由于地下水埋深淺、運(yùn)移滯緩、強(qiáng)烈蒸發(fā)而造成土壤中鹽分聚集地表所致。高礦化度的鹽漬土對混凝土和鋼管具有強(qiáng)腐蝕性,溶鹽結(jié)晶時產(chǎn)生體脹,又會對管材和站場地基產(chǎn)生附加壓力,于是由于鹽漬土的溶陷性和鹽脹性,對管道地基的土體破壞很大,容易造成管道的“暗懸空”,因此,鹽漬土對管道工程有一定的危害性。在2號站、4號站附近存在兩處季節(jié)湖,該地區(qū)是典型的湖盆灘地,為中性程度硫酸鹽漬土。36管道一種可以獨立存在的一種結(jié)構(gòu)水保措施地質(zhì)災(zāi)害對管道的破壞往往是災(zāi)難性的,為了避免或減少管道地質(zhì)災(zāi)害事故,貫徹“預(yù)防為主”的方針。同時,管道地質(zhì)災(zāi)害防治措施的制定應(yīng)當(dāng)建立在充分的地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上,并堅持因地制宜的原則。修建水工保護(hù)工程結(jié)構(gòu)時,注意適應(yīng)土壤特性,因勢利導(dǎo),盡量考慮疏通,防止地表水沿管道方向匯集,絕不能把水工保護(hù)工程修成擋水工程。蘇丹6區(qū)項目自管道投產(chǎn)之初,先后投入大量人力和資金開展區(qū)域治理及水工保護(hù)工作。3.1水文特征6區(qū)管道穿越3條大型季節(jié)河、尼羅河以及數(shù)不清的大小沖溝,其中,尤以季節(jié)河產(chǎn)生的危害最大。對于處于熱帶草原上的季節(jié)河,每至雨季則泛濫成災(zāi),其河床具有一定的游蕩性,屬于平面上非穩(wěn)定性河道。反映在穿越管道的安全上則由于河道深泓線擺動發(fā)生主槽移位,導(dǎo)致管道外露,從而影響管道的安全。對于這種游蕩性河流的管道水工保護(hù)問題,設(shè)計中不僅要詳細(xì)調(diào)查管道穿越段的長期演變趨勢,而且還必須考慮管道埋設(shè)河段上下游的河床演變規(guī)律。以前述KP253處季節(jié)河的導(dǎo)流明渠為例。該項工程竣工后對于保護(hù)管道發(fā)揮了重要的作用。然而,由于缺少對該地區(qū)水文特征長期的觀測積累,以至于洪水過后,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流明渠的過流面仍不能滿足最大流量的要求,從而造成嚴(yán)重的側(cè)蝕。以此觀之,加強(qiáng)對當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)資料的收集分析和對于開展有針對性地水工保護(hù)具有十分重要的意義。3.2制定對策的分類3.2.1合合的方法針對水力侵蝕所造成的沖溝,采取導(dǎo)流排水、工程加固和水工保護(hù)等措施相結(jié)合的方法。對沖溝的不同部位采取不同的治理措施。在溝頭上游匯水區(qū)修截水溝,防止地表水流排入溝內(nèi);沖溝中部則存在溝壁不穩(wěn)和溝床不穩(wěn)的問題。采取了削坡減重、挖出不穩(wěn)定溝壁;沿沖溝兩岸側(cè)壁頂部修截水溝引走地表水。3.2.2季節(jié)河沖蝕的主要成因在治理滑坡、滑塌一類的土壤重力侵蝕時,將其與防治季節(jié)河洪水沖蝕及河流橫向擺動相結(jié)合。這樣做是由6區(qū)管道沿線的地貌特征所決定的。如前所述,6區(qū)管道在KP165、KP253處兩條季節(jié)河的大型沖溝兩岸,砂黃土層深厚,且垂直節(jié)理發(fā)育。在雨季時易發(fā)生滑坡、滑塌。與此同時,季節(jié)河對管道覆土沖蝕也最嚴(yán)重。2006年、2007年連續(xù)兩次大洪水使河道橫向移位、管道裸露淘空、河床滑坡滑塌、沖溝下切等等,使得這兩個區(qū)域成為災(zāi)害治理的重中之重。3.2.3砂黃土面板平臺除了對河岸土壩進(jìn)行夯實,采取導(dǎo)流排水措施外,還采用土工布大面積覆蓋土壩,并利用編織袋裝土順坡堆砌,有效地防止了土體的滑塌;新舊河道交匯處是洪峰的頂沖點(如圖2所示)。為防止此處潰壩生成新的河道,除筑壩夯實外,在迎水坡面也堆砌了沙袋,形成柔性防護(hù)墻。2006年的洪水造成KP253處發(fā)生120m長的管道裸露后,在懸空管道采用管墩支撐再進(jìn)行回填夯實,并在回填土上拋石。然而,2007年大致在同一位置又發(fā)生大面積管道裸露和大跨度懸空。為了進(jìn)行徹底整治,在考慮洪水沖擊力和河床下切速度等因素前提下,首先對該段管道進(jìn)行深埋并對管道進(jìn)行打樁支撐。為防止河道的進(jìn)一步?jīng)_蝕,在埋管上方用混凝土澆筑導(dǎo)流明渠,導(dǎo)流明渠沿河流長約80m,橫向?qū)?0m。為防止河水泄落下后對明渠基礎(chǔ)的淘蝕,在泄流端下筑高1.8m的砌石灌漿防蝕墻。同時,在其結(jié)構(gòu)表面按照水流流動特性進(jìn)行形狀設(shè)計以減小阻力。防蝕墻建好后用沙土回填夯實,又在混凝土明渠的上下游拋石籠作為下泄洪水的消能機(jī)構(gòu),防止墻基礎(chǔ)被淘蝕(如圖3所示)。砂黃土臺面落差是造成“窩形坑蝕”的前提條件。一般情況下,臺面的下側(cè)面是繞流分離后流體渦漩形成的開始。因此,在現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn),絕大部分臺面的下側(cè)面都留有深淺不一的圓型小蝕坑。圓型小蝕坑逐漸變大發(fā)展成“窩形蝕坑”,連片后形成下切。因此,為阻止下游河床的繼續(xù)下切和溯源侵蝕,在下切坑內(nèi)拋置大量的石籠并覆土夯實以消除落差。4水利工程保護(hù)難度蘇丹六區(qū)原油外輸管道途經(jīng)地區(qū)地形地貌復(fù)雜,不同區(qū)塊各具特點,因此,地質(zhì)災(zāi)害防治難度大。前幾年開展的水工保護(hù)工作成效顯著。然而,通過對上述地質(zhì)災(zāi)害類型的分析,發(fā)現(xiàn)尚有一些重要工作等待進(jìn)一步開展。4.1河紅柳河河岸地質(zhì)條件6區(qū)原油管道采用定向鉆技術(shù)自西而東穿越尼羅河。管道穿越段水面寬594m,平均水深4.5m。東岸受河水沖刷,地勢陡峭;河西岸地勢平緩。平均穿越深度14.9m。根據(jù)鉆探取樣,穿越處地質(zhì)特性由上至下依次為:中沙層、碎石層及強(qiáng)風(fēng)化砂巖層?？紤]到尼羅河汛期水勢兇猛,對河床及東岸沖刷厲害,應(yīng)對該處管道埋深、沖刷破壞狀態(tài)進(jìn)行定期檢查。利用水聲學(xué)原理測量穿越帶水底地形、及時掌握河床狀況等。而對于河水沖涮厲害的河?xùn)|岸,也應(yīng)采用如沙袋等一定的柔性防沖設(shè)施進(jìn)行防護(hù)。4.2基礎(chǔ)沉降恢復(fù)性升降及土壤排鹽特殊土體如膨脹土、濕陷性砂黃土、鹽漬土對管道的侵蝕也不能忽視。這種侵蝕所造成的災(zāi)害已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)。比如脹縮性極強(qiáng)的膨脹土已經(jīng)造