天然气蚌埠至合肥干线项目地质灾害危险性评估

李 丹

(安徽省地质矿产勘查局327地质队，安徽 合肥 230011)

0 引 言

为完善安徽省高压输配系统,有效提高合肥市、淮南市及周边城镇的天然气气源保障能力,拟建天然气蚌埠至合肥干线项目。通过开展天然气蚌埠至合肥干线项目地质灾害危险性评估工作,从源头上控制和减少因不合理的工程活动引发的地质灾害以及工程建设遭受地质灾害的危害,为建设单位预防地质灾害、最大限度地降低工作区建设的工程风险和维护费用提供科学依据。

1 评估工作概述

拟建天然气蚌埠至合肥干线项目的高压管线全长约100 km,管线起点位于蚌埠刘巷子首站,终点位于合肥市长丰县双墩镇罗集水库西侧的合肥北城末站。本项目的天然气输气能力为30亿m3/a(>10亿m3/a),为大型管道输送工程。工程拟征地面积为0.039 552 km2。本项目总投资估算额为43 938万元。工程包括1段高压管线、4座分输站和5座截断阀室。高压管线:管线长约100 km,主要沿着淮南市境内的高压走廊和高速敷设。管道敷设方式为直埋,埋深1.8 m。共设置4座分输站,均为有人值守站,为蚌埠刘巷子首站、淮南山南分输站、合肥长丰分输站和合肥北城末站。分输站的基坑开挖深度为15 m。

工程属石油天然气行业中的管道输送工程,且为大型管道输送工程,属重要建设项目,评估区地质环境条件复杂程度为复杂,由此确定评估级别为一级。

2 地质环境条件

2.1 区域地质背景

评估区地处江淮波状平原区,评估区区域大地构造单元属中朝准地台的江淮台隆及淮河台坳的蚌埠台拱、淮南陷褶断带,位于许昌-淮南地震带,地质构造条件较复杂。

评估区反应谱特征周期均为0.35 s,评估区西南部长丰县境内的部分地区地震动峰值加速度为0.05g,其余地区的地震动峰值加速度为0.1g,地震设防烈度分别为Ⅵ度和Ⅶ度。

2.2 气象水文

评估区属亚热带湿润到暖温带半湿润季风气候的过渡地带,气候温和、四季分明、降水适中、光照充足、无霜期长、季风显著。

2.3 地形地貌

评估区地处江淮波状平原区,地势呈波状起伏,地面高程16.8～168.2 m,评估区地形复杂,相对高差较大,地貌类型多样。评估区的微地貌类型分为河漫滩、缓坡地、岗坡地、低丘、中丘、高丘。

2.4 地层岩性

2.5 地质构造与区域地壳稳定性

评估区大地构造单元属中朝准地台江淮台隆及淮河台坳的蚌埠台拱、淮南陷褶断带。区域内共有断层19条,其中主干断层有7条,北西西向1条,北西向1条,北东向2条,东西向1条,近南北向2条。

2.6 工程地质条件

评估区岩体属沉积岩建造中的碎屑岩建造和碳酸盐岩建造,分别为较坚硬中-厚层状石英砂岩夹泥岩页岩岩组和较坚硬中-厚层状中等岩溶化灰岩、白云岩岩组。评估区场地内土体自上而下分为以下工程地质层:① 层素填土,② 层粉质黏土,③ 层黏土。评估区内的特殊土为膨胀土和软土。沿线分布的特殊土有膨胀土和软土。膨胀土:地貌为河间坡平底、缓坡地、岗坡地,由茆塘组的黏土、亚黏土组成,可塑～硬塑状态,组成矿物以蒙脱石为主,具亲水性,易引起土体体积变化。根据取样测试,自由膨胀率为42%～54%,具弱膨胀潜势,为膨胀土。软土:分布于河漫滩中,岩性为全新统淤泥质粉质黏土,土层不均,其上部多含有淤泥,含有大量的有机质成份,层厚0.1～0.4 m,压缩性高,地基承载力低。

2.7 水文地质条件

评估区内地下水类型主要可划分为松散岩类孔隙水、红层裂隙水、碎屑岩类裂隙水和碳酸盐岩类裂隙岩溶水。松散岩类孔隙水的补给主要来自于大气降水,其次是来自基岩山丘地区地下水的侧向补给,以及地表水体的侧渗补给和农田灌溉水的回渗补给。红层裂隙水、碎屑岩类裂隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水的补给主要来自大气降水和侧向补给。排泄主要为蒸发、径流、补给河流及人工疏排水等形式。

2.8 人类工程活动对地质环境的影响

评估区沿线经过蚌埠市、淮南市和合肥市长丰县三个地区,区内地势呈波状起伏。评估区现状主要为农业耕作区和村镇居住区。现状条件下评估区内无矿山开采活动,根据安徽工程勘察院、中国矿业大学开采损害及防护研究所于2008年7月20日提交的《安徽省淮南市九龙岗煤矿地质环境与地面塌陷稳定性评估报告》,其采煤塌陷影响区不在评估区内,与评估区最近距离约700m,位于评估区K25～K28段西侧。

工程沿线影响地质环境的人类工程活动包括交通工程、水利工程、民用建筑工程。具体表现为:

(1) 交通工程:评估区附近建设有G206国道、S310省道和蚌合高速、蚌淮高速等高速以及淮南线铁路、京沪线铁路等铁路及淮南铁路分离立交桥。此外,评估区周边还有S225省道、S311省道、S334省道等省道,对评估区地质环境的影响、破坏较严重。

(2) 水利工程:区内水利设施建设主要为兴建堤坝、水库等。修筑河堤,挖修水塘、沟渠等,规模均较小,对评估区地质环境影响、破坏小。

(3) 民用建筑工程:主要表现为评估区周边居民的民房建设,为2～3层砖混结构,由于地形波状起伏不大,民房建设时多依地形而建,切坡较少且高度低,一般低于1.0 m。对评估区地质环境影响、破坏小。

综上所述,评估区的人类活动较强烈,对地质环境的影响、破坏较严重。

3 地质灾害危险性现状评估

评估区现为农业耕作区、村镇居住区,现状条件下评估区及邻近区域无矿山开采活动。评估区人类工程活动主要包括交通工程、水利工程、民用建筑工程,人类活动较强烈,对地质环境的影响、破坏较严重。通过收集资料和现场调查、走访,未见滑坡、崩塌、泥石流等突发性地质灾害。评估区现状条件下无集中开采地下水,在现场调查中亦未见地面塌陷、地面沉降地质灾害。根据野外调查,沿线只是在沟塘的底部分布有软土,岩性为淤泥质土,厚度0.1～0.4m,压缩性高,地基承载力低,但在工程施工时一般均予以清除,评估区内亦未发现软土变形地质灾害。经现状调查,评估区内沟渠、水塘岸边植被发育较好,未发现岸崩地质灾害。评估区及周边地段分布有村庄,居民建房多为3层以下建筑物,均为顺地形地势修建;区内及周边地段乡间道路同样均为顺地形地势修建,现状条件未发现开挖、切坡等工程活动引起的崩塌、基坑崩塌地质灾害。评估区K7+000～K27+717段、K31+685～K37+000段和K38+837～K102+100段为膨胀土分布区,通过对附近村庄约180户民房道路的调查,未发现有开裂现象。民房主要为2～3层的砖混结构,据调查基础埋深均大于1.5 m,地基处理较好,路面均为沥青路面,路面较新,调查中未见由膨胀土变形引起的路面开裂现象。评估区内的道路路面亦未发现开裂现象。

综上所述,评估区现状条件下地质灾害及不良地质现象不发育。

4 地质灾害危险性预测评估

4.1 工程建设中、建设后可能引发或加剧基坑崩塌地质灾害危险性的预测

本工程管线工程在穿越公路和铁路时采用顶管穿越,由前述可知,本工程顶管穿越有43处,顶管的工作坑和接收坑的基坑开挖深度达4.0 m,属于深基坑。故评估区的工程建设中、建设后可能引发或加剧基坑崩塌地质灾害。

对于本工程的基坑,若已知顶管的工作坑和接收坑的基坑开挖深度为h,工作坑基坑的直径为a,接收坑基坑的直径为b,土体破裂角按(45°+φ/2)推算,则预测基坑崩塌方量计算公式为:

(1) 预测工作坑的基坑崩塌方量为:

V1=[(h×h÷2)÷tan(45°+φ/2)]×πa

(1)

(2) 预测接收坑的基坑崩塌方量为:

V2=[(h×h÷2)÷tan(45°+φ/2)]×πb

(2)

其中,取φ=20°.

以K89+703处穿越合蚌高铁的顶管工作坑和接收坑的基坑为例,其基坑崩塌剖面图如图1所示。

图1 工作坑和接收坑的基坑剖面图

现分别对顶管的工作坑和接收坑的基坑的崩塌方量进行预测评估:

(1) 顶管工作坑的基坑崩塌方量预测：其基坑开挖深度为4.0 m,直径a为10.0 m,根据上述公式(1),按土体破裂角为(45°+φ/2)计算,其最大崩塌量为:V1=[(h×h÷2)÷tan(45°+φ/2)]×πa=176.07 m3。

(2) 顶管接收坑的基坑崩塌方量预测：其基坑开挖深度为4.0 m,直径b为5.0 m,根据上述公式(2),按土体破裂角为(45°+φ/2)计算,其最大崩塌量为:V2=[(h×h÷2)÷tan(45°+φ/2)]×πb=88.04 m3。

综上所述,本工程中穿越处顶管的工作坑和接收坑的基坑的崩塌方量为88.04～176.07 m3,最大崩塌量为176.07 m3<500 m3。因此,本工程建设中、建成后可能引发基坑崩塌地质灾害,预测其危害程度小,发育程度弱,危险性等级小。

4.2 建设工程可能遭受岩溶塌陷地质灾害危险性的预测

评估区位于K7+000～K8+000段、K8+000～K8+733段和K8+733～K10+440段，分布有寒武系和奥陶系的白云岩、白云质灰岩、白云岩,属碳酸盐岩,且上覆第四系地层,厚34～42 m。因此,该区段工程(包括上窑阀室及该区段管线工程)的工程建设可能遭受岩溶塌陷地质灾害。

岩溶塌陷是指在岩溶地区,下部可溶岩层中的溶洞或上覆土层中的土洞,因自身洞体扩大或在自然与人为因素影响下,顶板失稳产生塌落或沉陷的统称。当评估区及其外围进行岩溶地下水开采或遇强降雨,导致地下水位的大幅度下降或地下水位的剧烈波动,可能引发岩溶塌陷灾害的产生,特别是岩溶较发育段(存在开口性溶洞及溶隙的部位)。

评估区的K7+000～K8+000段、K8+000～K8+733段和K8+733～K10+440段分布有奥陶系和寒武系的白云岩、白云质灰岩、白云岩,属碳酸盐岩,上覆第四系下、中、上更新统和全新统盖层。盖层的基本特征:评估区西北部的胶带通廊处地表覆盖第四纪松散土体,厚34～42 m。岩溶发育特征及规律:本区的碳酸盐岩,就其岩溶发育特征来看,岩石较致密,局部压扭性裂隙较发育,碳酸盐及滑石充填,岩溶弱发育,岩溶率约为2.5%。水动力条件:由于周边矿山排水及人工开采地下水水量大,地下水动态变化幅度大,极易引起岩溶塌陷地质灾害。

评估区的K7+000～K8+000段、K8+000～K8+733段和K8+733～K10+440段上窑阀室及该区段的管线工程所处地段的白云岩、白云质灰岩、白云岩等碳酸盐岩较致密,局部压扭性裂隙较发育,碳酸盐及滑石充填,岩溶弱发育,岩溶率为2.5%(小于3%),覆盖层厚度为34～42 m(大于30.0 m)。该段工程建设可能遭受岩溶塌陷地质灾害,预测其危害程度小,发育程度弱,危险性等级为小级。

综上所述,预测建设工程可能遭受岩溶塌陷地质灾害,预测其危害程度小,发育程度弱,危险性等级小。

4.3 建设工程可能遭受崩塌地质灾害危险性的预测

评估区内有两处人工切坡的岩质边坡,微地貌均为中丘,该区段内的工程包括刘巷子首站、上窑阀室、山南分输站及该区段的管线工程,分别位于K0+000～K7+000段和K27+717～K31+685段,切坡形成了高陡临空面,在强降雨作用下,坡体可能沿着结构面发生破坏,建设工程存在遭受崩塌地质灾害的可能性,现预测如下:

(1) 评估区位于K0+000～K7+000段的边坡,为岩质边坡,坡顶标高为60.2～133.6 m,最大切坡高度约8 m,平均高度4 m,坡度约为53°,坡体由寒武系的页岩、灰岩等组成,为较坚硬中-厚层状。切坡形成了高陡临空面,坡顶存在大量的危岩体,在强降雨等不利的条件下,坡体可能沿着结构面发生破坏,边坡存在崩塌的可能性,预测最大崩塌方量约为800 m3<10 000 m3。

(2) 评估区位于K27+717～K31+685段的边坡,为岩质边坡,坡顶标高为31.5～40.0 m,最大切坡高度约10 m,平均高度6 m,坡度约70°,坡体由寒武系的页岩、灰岩等组成,为较坚硬中-厚层状。切坡形成了高陡临空面,坡顶存在大量的危岩体,在强降雨等不利的条件下,坡体可能沿着结构面发生破坏,边坡存在崩塌的可能性,预测最大崩塌方量约为1 000 m3<10 000 m3。

因此,该区段内的刘巷子首站、上窑阀室、山南分输站及该区段的管线工程的建设工程自身可能遭受崩塌地质灾害,预测其危害程度小,发育程度弱,危险性等级小。

4.4 建设工程可能遭受膨胀土变形地质灾害危险性的预测

4.4.1 膨胀土变形地质灾害的形成条件分析

本工程中的上窑阀室、前进阀室、长丰分输站、庄墓阀室、杨庙阀室、下塘阀室、北城末站及相应的管线工程位于膨胀土分布区,膨胀土变形地质灾害的形成条主要件包括岩性条件、自然条件、地形地貌条件。

(1) 岩性条件:评估区内膨胀土的化学成分主要为SiO2(约占50%),其次为Al2O3(约占24.6%)、K2O(约占20%)、Fe2O3(约占11.29%)、CaO(约占5%)、MgO(约占3%)等,硅铝率(SiO2/AL2O3+Fe2O3)约为1.4。矿物组成主要为石英和斜长石,黏土矿物以蒙脱石、高岭土为主,其有很强的亲水性,当含水量发生变化时,易引起土体体积的变化,从而导致拟建建(构)筑物基础的破坏。

(2) 自然条件:膨胀土多雨期吸水膨胀,而干旱期则失水收缩,变形具有较明显的季节性。本区夏秋季节,多是降水由干旱转为充沛或由充沛转为干旱的急剧变化期,是膨胀土变形灾害集中发生的时间,通常变形值最大,其余时间变形值则相对较小。

(3) 地形地貌条件:地势较高处,膨胀土的含水量变化幅度较大,更加容易导致膨胀土变形灾害的发生。

4.4.2 膨胀土变形影响深度的计算

据《膨胀土地区建筑技术规范》(GB 50112-2013),膨胀土的大气影响深度由查湿度系数表得出,膨胀土湿度系数计算方法如下:

ψw=1.152-0.726α-0.00107c

式中:α为当地9月至次年2月的蒸发力之和与全年蒸发力之比值;c为全年中干燥度大于1.00月份的蒸发力与降水量差值之总和,mm。

经计算,ψw=0.835。大气影响深度取值表见表1所示。

表1 大气影响深度取值表

通过表1可知，本地大气影响深度约为3.38m,根据《膨胀土地区建筑技术规范》(GB 50112-2013),大气影响急剧层深度为大气影响深度(da)×0.45,由此计算出区内大气影响急剧层深度约为1.52 m。在大气影响急剧层深度内膨胀土变形灾害更加严重。

4.4.3 建设工程可能遭受膨胀土变形地质灾害危险性的预测

根据本次采样分析表明:工程沿线于K7+000～K27+717段、K31+685～K37+000和K38+837～K102+100段缓坡地及岗坡地微地貌地段分布的第四系上更新统茆塘组的黏性土的自由膨胀率为δef=42%～54%,属弱膨胀潜势,其组成矿物以蒙脱石、高岭石为主,这些矿物组分有很强的亲水性,具显著的吸水膨胀、失水收缩变形特征。在含水量发生变化的外因条件下,易引起土体体积的变化,从而可能引起拟建场站或阀室等建(构)筑物的基础变形。

根据评估区地质环境背景,结合土样的分析测试结果,评估区内所取土样的自由膨胀率为42%～54%,具弱膨胀潜势。因此,预测评估区的上窑阀室、前进阀室、长丰分输站、庄墓阀室、杨庙阀室、下塘阀室、北城末站及相应的管线工程的工程建设可能遭受膨胀土变形地质灾害,因其具弱膨胀潜势,故其危害程度小,发育程度弱,危险性等级小。

5 地质灾害防治措施

5.1 基坑崩塌地质灾害防治措施

(1) 拟建工程管线在穿越铁路和公路时采用顶管穿越,顶管的工作坑和接收坑存在深基坑开挖,开挖深度可达4.0 m,在开挖时应遵循相关规范规程施工,且周围一定范围内禁止大面积堆载和超重车辆通行,深基坑及周围影响区域内应进行地面监测,若出现裂缝应立即停止施工。

(2) 拟建工程中的深基坑在开挖施工的过程中应该采取适宜的支护措施,并注意防水,施工时宜采取必要的降、排水措施,以防地表水大量流入坑内。

5.2 岩溶塌陷地质灾害防治措施

(1) 合理安排评估区内位于岩溶塌陷区的工程布局,控制地下水位下降速度防止突然涌水。

(2) 在岩溶区建造防渗帷幕,避免或减少预测塌陷区的地下水位下降。

(3) 开展本工程岩溶区的岩溶塌陷的风险评价,建立防灾体系,并建立岩溶地面塌陷监测网。

5.3 崩塌地质灾害防治措施

(1) 对于本工程沿线的两处人工切坡的岩质边坡,坡顶存在大量的危岩体,宜采取拦截、防护等措施,坡脚等处设置拦截构筑物等。

(2) 对于本工程沿线人工切坡的坡顶危岩体,在坡体风化破碎的地段还可采用削坡方式放缓边坡。

(3) 对于岩质边坡坡体中的裂隙、缝、空洞等,可用片石进行填补,用水泥砂浆进行勾缝等,以防止裂隙、缝、空洞等的进一步发展。

(4) 加强边坡监测,有异常情况时应立即采取补救措施。

5.4 膨胀土变形地质灾害防治措施

(1) 对于拟建工程中位于膨胀土分布区的分输站内的综合用房、生产辅助用房、工艺装置区等采用钢筋混凝土条形基础的建(构)筑物,在施工时应下设垫层处理,如使用灰土、土石混合物或砂砾作缓冲层,并做好防水处理,以增加整体刚度及稳定性,同时减少因地基不均匀胀缩变形对建(构)筑物等的不利影响。

(2) 对于拟建工程的位于膨胀土分布区内的高压管道及其附属构筑物,其地基宜采取防渗措施,高压管道及其附属构筑物的施工宜采用分段快速作业法。管道和电缆沟穿过建筑物基础时,应做好接头,接头处应采取防渗漏处理。管道敷设完成后,应及时回填、加盖或封面。

(3) 位于膨胀土分布区的拟建工程在施工时,场地内应做好保湿防水措施,加强施工用水管理,以减少因地基土体不均匀胀缩变形产生的不利影响。

(4) 为减轻膨胀土对管道工程的不利影响,管道下应设垫层,应选择水稳定性好的垫层材料,改善管道下土基的水稳状况,并可扩散荷载,以减少土基变形。

6 结束语

(1) 本项目中管线穿越工程较多,施工前应编制专项施工方案,施工过程中按照相关规范(规程)要求施工。

(2) 拟建天然气管线工程施工过程中存在填方,建议施工时严格按设计要求施工,分层铺筑碾压,压实度及填料质地应满足相关规范要求,以避免和减小管线的不均匀沉陷。

(3) 针对分布于局部区域的水塘、沟渠内的软土,施工时应予清除,避免对建(构)筑物产生影响。