新疆天山地区管道工程水工保护径流调控新模式

苏溥雅，齐 实，靳孟理，周利军，贾春磊

(1.国家林业局 水土保持与荒漠化防治重点实验室，北京 100083；2.北京市水土保持工程技术研究中心，北京 100083；3.长江水利委员会 水土保持监测中心站，湖北 武汉 430010；4.中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026)

随着国内外经济社会的飞速发展，管道建设工程也越来越多。对于管道工程的安全运营来说，管道敷设区环境对工程的安全威胁不容小觑，由水土流失灾害导致的管道事故时常发生，极大地影响和威胁到管道的安全运营，因此进行水土保持水工径流调控措施研究对于管道工程建设安全保障具有重要的现实意义。

研究人员在我国西部地区管道工程水土流失灾害防治管理理念、手段和应用技术、经验等方面均有研究，包括：管道在建设期采用多管并行、同隧、同跨、同沟等设计技术以减少土地扰动；黄土高原区斜井穿越技术的论证；戈壁区砾石覆盖厚度的研究等[1]。从水土流失危害和管道保护的研究来看，一般包括两个方面：一是研究管道工程造成的水土流失及其治理，如李斌斌等[2]通过动态监测西气东输二线工程的三处重点地段，发现工程建设加剧了项目区水土流失，之后的研究开始针对不同管道工程提出水土流失防治措施；郑锟[3]针对新疆油气管道工程，结合不同立地类型区，从植物措施入手进行了管道水土保持研究。二是研究水土流失(尤其是水蚀)对管道工程造成的影响，而水土流失灾害的工程防治措施统一称作“水工保护”，李景阳[4]以沙坡地段高陡边坡为例，对高陡边坡管道工程进行了水工保护的设计研究；李瑞鑫[5]对油气输送管道穿越冲积平原、水网地段、山地和河道区段分别进行了水工保护的相关设计。

上述研究的水工保护措施主要目的是稳定管线工程，多采用一对一的水工保护措施，措施大多较为单一。鉴于此，我们以新疆天山地区为例，分别从坡面工程段、冲积扇工程段和河沟道工程段开展研究，分析水土流失对管道工程的影响及其成因，结合相关原则提出相对应的以径流调控为目标的水工保护措施体系，以期为管道工程安全运行提供水土保持技术保障。

1 研究区概况

1.1 新疆天山地区自然及水土流失概况

新疆天山地区属温带大陆性气候区，干旱少雨，年均降水量112～358 mm，年均蒸发量2 141～3 700 mm，是年降水量的10倍以上，年均温度4.5～10 ℃，年均风速2.9 m/s，冻土深度0.7～1.4 m。土壤类型主要有灰钙土和灰漠土，旱灰钙土和灌溉灰钙土土壤抗蚀性中等，灰漠土抗蚀性弱。区内河流大多为季节性、间歇性河流，流程短，上游水量大，下游河谷浅、水量小。蒸发量大，降水量小且集中，汛期山前洪积扇易产生水土流失，部分河流在流入盆地途中干涸[6]。植被主要为干旱荒漠落叶阔叶植被类型，以干旱灌木-半灌木荒漠植被为主。

天山地区水土流失类型主要为水力侵蚀。新疆天山地区水土流失面积达2 460.77 hm2，平均土壤侵蚀模数为4 600 t/(km2·a)，土壤容许流失量约为1 000 t/(km2·a)[7]。

1.2 新疆天山地区水土流失对管道工程造成的危害

根据对近20年的西部地区管道工程事故的调查，西气东输管道新疆段沿线发育有洪水冲蚀水毁灾害点93处、泥石流灾害点3处、风沙灾害点7处、盐渍土灾害点2处，总计105处，其中水毁灾害点占到88.6%[8]；涩宁兰输气管线沿线发生管沟塌陷灾害100余处，由沟谷洪水冲刷产生的裸管现象严重，伴随着管沟滑塌15起，水毁灾害点占比接近80%[9]；轮南—鄯善段3条长输油(气)管线沿线发育有灾害点191处，其中水毁灾害点178处，占全部灾害点的93.2%[10]。

2 新疆天山地区管道工程水土流失危害的成因分析

2.1 管道敷设于山区时水土流失灾害的成因

2.1.1 横坡敷设

山区横坡敷设是指管道在山区敷设时多以基本平行于等高线的方式通过坡面。管道横坡敷设水土流失灾害的主要形式和成因为：①在持续的降雨或短期大暴雨发生时，降水强度远大于土壤的入渗速率，雨水来不及入渗进土壤，加之新疆天山地区的灰漠土持水性差，其土壤本身的抗蚀和抗冲性很弱，这种情况下极易产生坡面径流，对管沟内松散的回填土进行冲刷，造成回填土流失、管道裸露；②在陡坎陡坡处，由于开挖斜坡的坡脚填土较原状土壤而言密度不均，在水流侵蚀冲掏和重力的双重作用下，斜坡土体失稳，形成大范围坍塌使管道裸露。

2.1.2 纵坡敷设

山区纵坡敷设是指管道在山区敷设时以近乎与等高线垂直交叉的方式通过坡面。管道纵坡敷设在山区比横坡敷设更容易遭遇坡面冲蚀。管道建设破坏了原来坡面的地表土层和植被，在短历时暴雨或坡顶长时间汇水作用下，水流在坡面快速流过带走表层泥沙。管沟中回填土密度不均，在股流快速冲刷的作用下更易被侵蚀，出现裸管。

2.2 管道敷设于戈壁冲积扇区时水土流失灾害的成因

管道在冲洪积扇上敷设多与水流方向垂直或形成夹角。管道会遭受下切冲蚀，出现浮管甚至位移。戈壁冲积扇为产生沟蚀提供了绝佳的汇水面积，从坡面汇集下来的水流在冲积扇处有足够大的面积下切并发育成浅沟。一般根据水土流失灾害分为两种情况：①分散过水侵蚀。新疆天山地区土壤持水性差，从山区坡面流下的融雪水和暴雨径流，流入冲洪积扇产生蓄满产流，形成分散漫流。管道工程扰动原地表导致土壤抗蚀抗冲性弱，管道敷设区是最易受到侵蚀的区域。②集中过水侵蚀。当分散过水的地表下切到一定程度会出现侵蚀沟扩张的现象，分散的侵蚀沟会逐渐合并，因管道敷设区地表土壤受扰动后抗蚀性较差，故大冲沟发生在此区域的概率最大。水量过大的时候会冲毁管堤、中断交通，甚至会出现冲沟内积水，造成浮管，危害管道及输送安全。

2.3 管道敷设于河沟道时水土流失灾害的成因

2.3.1 管道与河沟道交叉敷设

管道与河流、沟道交叉敷设是指管道会穿越河流沟底，与河流方向垂直或者形成夹角。管道主要灾害表现为浮管或裸管，重则出现管道断裂。新疆天山地区多为季节性河流，枯水期和汛期河水流量差距很大，不同年份流量也会因为降水量的不同而变化较大，加之水文资料难以获取，所以将管道穿越此类河流时一般会选择在枯水期通过，水土流失灾害的严重性往往被忽视，日后极易出现浮管裸露现象。究其原因，季节性河沟道内土壤松散，河道上游的不确定来水充满河道后，水流的冲刷作用主要表现在对沟岸及沟床的下切。当河床和沟岸被持续冲刷下切时，原来埋设在河床下面的管道有可能裸露甚至悬空。

2.3.2 管道顺河沟岸边敷设

管道顺河沟岸边敷设是指管道与河流方向平行地敷设于河岸边。管道可能会因岸坡遭受掏蚀或者坍塌而受到影响。汛期来水量不同会使得水流方向在某一个时期、某一个地段发生变化，这种变化会造成河流态势发生变化，造成河流顶冲点位置前移或后退，其结果是原河岸形态被破坏，原先不直接遭受水流冲击的岸坡开始受冲刷，若顶冲作用对岸坡的作用点急剧后退，逐渐造成回填土流失，则水流进一步冲刷会引发漂管事故，严重危害管道安全。

3 典型地段管道工程的水工保护径流调控措施体系

根据新疆天山地区管道工程作业带所处的不同位置和地貌，以及不同穿越区易发水土流失危害类型，结合安全性、生态性和径流调控三大原则，提出适用于该地区典型地段管道工程的水工保护径流调控措施体系。

3.1 坡面径流调节工程体系——以天山地区山地亚区为例

3.1.1 横坡敷设径流调控模式——“上截下拦”模式

管道横坡敷设于坡面工程建设完成后，将管道作业带经过的整个坡面修建为梯级缓坡，水工保护措施由五部分组成(见图1)。由于降雨或大暴雨在上边坡产生径流，会造成山体或岩土湿润甚至变成流状，故在管沟作业带上方设置护坡以减少径流对坡面土壤的冲刷，紧接设置的浆砌石截排水渠或截水墙等措施及时将水排出避免山体松软，这是“上截”部分模式的体现；而陡坎陡坡处由于工程的建设使土体失重，在水力作用下很容易造成滑坡或塌方，所以在管沟作业带的缓坡下侧修建挡渣墙稳定坡体，这是“下拦”部分模式的体现；中部作业带采取植物措施恢复生态，在管道穿越带植草、在穿越区和挡墙中间地带种植灌木，将径流调控模式中的安全性和生态性有机结合。

图1 横坡敷设“上截下拦”模式3D示意注：①—浆砌石护坡；②—浆砌石截排水渠；③—人工植草；④—人工种植灌木；⑤—挡渣墙

3.1.2 纵坡敷设径流调控模式——“侧排中挡”模式

管道纵坡敷设于坡面工程建设完成后，措施在坡面、管沟等各部位分为四部分来达到水工保护径流调控的目的(见图2)。水力作用会冲刷坡面形成冲沟，管沟回填土很大程度上会受到坡面汇水的冲蚀而流失，结合径流调控的原则，在作业带上方每隔一段距离沿山体等高线修土砌挡水埂(间距由管线管径确定)，并于管沟内布设一定长度的地下截水墙(注意管道必须穿越截水墙)，阻挡管顶覆土流失，减少坡面侵蚀，这是“中挡”部分模式的体现；另外在沿作业带两侧修建浆砌石排水沟，两侧外沿修建浆砌石护坡，将坡面径流按照人为的方向排出，是“侧排”部分模式的体现。

图2 纵坡敷设“侧排中挡”模式3D示意注：①—浆砌石排水沟；②—浆砌石护坡；③—土砌挡水埂；④—地下截水墙；⑤—人工植草

3.2 戈壁冲积扇径流调节工程体系——以天山地区平原亚区为例

管道敷设在戈壁冲积扇区的径流调控模式总结为“以挡为主，以导为辅”，其区域水土流失按水流形态的不同区分为两种：分散过水处的冲积扇遭水流下切易形成冲沟，破坏管沟回填土；集中过水处的冲积扇下切强烈，水流易冲毁管堤甚至造成浮管。根据戈壁冲积扇区域下垫面情况和水流形态的不同，把管道敷设区可能遭受的水土流失情形及其对应治理的措施整理如图3所示。

图3 冲洪积扇处管道径流调控措施布局分类

以“冲洪积扇在分散过水情况下，有严重下切”的径流调控布设为例，模式由四部分组成(见图4)。戈壁冲洪积扇洪水在管堤上方分散过水，经常会引发多条冲沟下切，形成大冲沟冲毁管沟回填土。以安全为原则，修筑浆砌石过水面，并在管道穿越区下部加设地下截水墙，紧接着在截水墙低地势过水面加设齿墙，这三部分措施可以有力拦挡水力侵蚀下切，阻止径流冲刷回填土，充分体现了“以挡为主”部分的模式；相应地，在过水路面两边配合修建一对导流堤，将分散水流以人工规划的方向统一汇流，是“以导为辅”部分模式的体现。

图4 冲积扇戈壁区敷设“以挡为主，以导为辅”模式3D示意注：①—导流堤；②—浆砌石过水面；③—地下截水墙；④—齿墙

3.3 河(沟)道径流防护工程体系——以天山地区平原亚区为例

管道敷设于河(沟)道的径流调控体系总结为“防冲护岸”模式。根据工程类型的不同，把水工保护措施分为河岸河脚工程、河床工程和临时工程。根据每种工程防护目的的不同又可以分为多种具体措施(见图5)。结合实际情况有机组合可以达到对管道工程区径流调控的目的。

由于管道工程敷设于河(沟)段的情况较为复杂，因此必须在考虑建设完成后河(沟)道“防冲护岸”径流调控措施体系的同时，考虑施工过程中的临时水工防护措施。本模式一般由“7+1”个部分组成，“1”是建设中遇雨季施工时设置的围堰和导流堤，“7”指当管道建设完成后设置的径流调控措施体系(见图6和图7)。河沟道中的水流对河岸和河底的冲刷作用非常强烈，水土流失成因也不尽相同，可能是回填土流失引发的漂管事故，可能是水流浸泡造成的土体松软岸坡坍塌，也可能是河流下切造成的岸坡重力式失稳崩塌等。鉴于此，为保障工程安全，必须从整体入手细致考虑每一部分如何应对水蚀对管道工程造成的危害：在河沟道凹岸处设置凹岸防冲墙和丁坝改变水流流向，减轻水流对凹岸处边坡的冲刷；在管道穿越段的上游河岸设防汛挡墙阻挡高位水流，减缓流速；在河底铺设浆砌石过水面，结合穿越段下游设置浆砌石地下防冲墙，阻止水流对河底垂直方向的下切作用并减缓流速，这是“防冲”部分模式的体现。边坡底部设置的浆砌石坡式护岸，阻止水流对岸坡两侧方向的冲刷和掏蚀作用；另外考虑到生态性的原则，应该于坡式护岸上端设置植生带护坡，涵养水源并固定岸坡表土，这是“护岸”部分模式的体现。

图5 河流和沟谷地水工径流调控体系

图6 河(沟)道临时措施模式3D示意注：①—围堰；②—导流渠

图7 河沟道敷设“防冲护岸”模式3D示意注：①—防冲墙；②—丁坝；③—防汛挡墙；④—浆砌石过水面；⑤—浆砌石坡式护岸；⑥—生物工程护坡；⑦—地下防冲墙

4 建 议

上述的措施体系在具体应用时，应根据所在地区的具体情况进一步细化，核定每种措施的材料、规格和工程量，确定适宜于不同情形的措施设计标准、规格，最终形成管道工程建设规范或者管道建设水土保持指南，从而提升管道工程水土流失灾害防治能力，保障管道工程运营安全。

[参考文献]

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