萬(wàn)濤 張炳俊

【摘要】：煤層氣是重要的非常規(guī)能源，目前我國(guó)已投入開發(fā)的煤層氣田多分布在濕陷性黃土地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失嚴(yán)重，集氣管道建設(shè)面臨水土防護(hù)難題。本文結(jié)合延川南氣田集輸管線雨季水毀情況，從幾個(gè)方面分析了集氣管線水力破壞原理與危害類型。針對(duì)集氣管道水力破壞原理以及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)提出了幾種適合于不同條件的水工保護(hù)方式。

【關(guān)鍵詞】：濕陷性黃土； 煤層氣； 集氣管線； 防護(hù)結(jié)構(gòu)； 水工保護(hù)

中圖分類號(hào)：TD84 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）06（a）-0000-00

中國(guó)的黃土分布面積西起甘肅祁連山脈東段，東至太行山脈，北起長(zhǎng)城，南到秦嶺，地跨220多個(gè)縣市，面積約63萬(wàn)多平方公里，其中濕陷性黃土面積約占27萬(wàn)多平方公里，在山西、陜西、寧夏等省區(qū)均有廣泛分布。我國(guó)煤層氣資源主要分布在鄂爾多斯、沁水和滇東黔西等8個(gè)盆地，其中埋深2000米以淺的煤層氣資源量約為36.81×1012m3，與國(guó)內(nèi)陸上天然氣儲(chǔ)量相當(dāng)[1]。目前國(guó)內(nèi)投入開發(fā)的煤層氣田主要位于鄂爾多斯盆地與沁水盆地，恰是濕陷性黃土的主要分布區(qū)，水土流失十分嚴(yán)重。

以延川南煤層氣田地面工程建設(shè)過(guò)程中的水土防護(hù)經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)為例，分析濕陷性黃土地區(qū)煤層氣集氣管線水力破壞形式以及危害，并提出相應(yīng)的管道防護(hù)措施。

1 濕陷性黃土的特征

濕陷性黃土顆粒間中存在毛細(xì)孔隙，顆粒依靠毛細(xì)張力膠結(jié)在一起。在毛細(xì)孔隙中懸浮有黃土小顆粒，當(dāng)空隙中水分蒸發(fā)時(shí)顆粒間毛細(xì)水彎液面會(huì)發(fā)生退縮，在黃土顆粒周圍產(chǎn)生絮凝作用，給顆粒以支撐作用。但當(dāng)水進(jìn)入土中時(shí)，連接力大大減小，支托也會(huì)分散，黃土顆粒間聯(lián)結(jié)作用顯著減弱，產(chǎn)生濕陷效應(yīng)[2]。

濕陷性黃土屬于弱聯(lián)結(jié)的粘性土壤，在含水量較低時(shí)具有較高的強(qiáng)度，在雨水沖刷條件下很容易造成水土流失。滲透性極差，雨水難以滲透到土層下蓄積，即使較小的雨量也可以形成較大的沖蝕災(zāi)害。黃土在干燥狀態(tài)下具有很強(qiáng)的立壁性和吸水性。

2 濕陷黃土地區(qū)煤層氣集氣管線水土防護(hù)特點(diǎn)

2.1 氣田黃土情況

延川南煤層氣田位于山西省臨汾市境內(nèi)，黃土厚度介于8m到24m之間，屬于II～I(xiàn)II級(jí)自重濕陷性黃土。其自重濕陷量介于158mm到400mm之間，總濕陷量介于246mm到690mm之間，濕陷起始?jí)毫Σ淮笥?62kPa。氣田黃土含水量約為13%，天然重度γ約為16kN/m3。從力學(xué)性質(zhì)分析，氣田所在地黃土屬中-低壓縮性黃土，地基承載力特征值約為150kPa[3]。

根據(jù)黃土的濕陷系數(shù)δs，可以將黃土濕陷性分為四類[4]：

<0.015，為非濕陷性黃土；0.015≤≤0.03，輕微濕陷性；

0.03<<0.07 中等濕陷性；>0.07 強(qiáng)烈濕陷性。

延川南氣田黃土濕陷系數(shù)與深度的關(guān)系如圖1所示，該地區(qū)屬中等濕陷性黃土地區(qū)。

2.2 煤層氣生產(chǎn)及水土防護(hù)特點(diǎn)

煤層氣是以吸附狀態(tài)儲(chǔ)存的非常規(guī)天然氣，其生產(chǎn)及水土防護(hù)具有以下特點(diǎn)：

（1）單井產(chǎn)能低（～1350m？/d），大規(guī)模的井網(wǎng)部署造成單位面積管道密度大（約為1.6～2.4km/km2）。黃土高原地區(qū)溝壑密度約為2.7～3.2km/km2，水工保護(hù)工作量大；

（2）煤層氣產(chǎn)建屬于低成本工程，水工保護(hù)工作也需要遵循低成本原則；

（3）煤層氣井排采見(jiàn)氣周期長(zhǎng)（180d以上），生產(chǎn)壓力低，集氣管道主要采用高密度聚乙烯（PE）管材。管道壓力等級(jí)低、管材強(qiáng)度低。

3集氣管線水力破壞原理與危害形式

因黃土高原地形影響，集氣管道水毀的主要?jiǎng)恿σ蛩貫樗η治g和土壤失陷。濕陷性黃土地區(qū)集氣管線遭受水力損害主要分為暗流侵蝕，山洪沖刷、泥石流以及山壁垮塌幾種形式。

（1）管道沿程某處水流垂直侵蝕（或下切侵蝕）到管道外側(cè)，水流在覆土之下沿著管道向下流動(dòng)，形成暗流對(duì)管周黃土沖刷侵蝕，造成管道懸空。當(dāng)暗流侵蝕到一定程度后，表層黃土由于重力作用產(chǎn)生塌陷，直接作用在管道上，造成管道的機(jī)械損傷[5]。

（2）在山區(qū)遭遇大雨后，雨水沿著山谷、溝壑匯集聚結(jié)，形成暴漲洪水，對(duì)管線進(jìn)行強(qiáng)烈的沖刷。極易造成管線的露管甚至被沖刷斷裂。

（3）具有濕陷性的黃土在遭遇大面積強(qiáng)降雨時(shí)，穩(wěn)定性遭遇嚴(yán)重破壞。大量的水體將黃土浸透，形成松軟的泥水混合物，流動(dòng)沿途中沖擊并吸收各種固體堆積物質(zhì)，體積不斷變大。飽含水分的固體堆積物在重力作用下發(fā)生高速運(yùn)動(dòng)，對(duì)管道會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊作用，導(dǎo)致管道損傷[6]。

（4）濕陷性黃土的立壁性在干燥條件下強(qiáng)度較好，在遭遇雨水浸泡后，雨水垂直滲入黃土中的縱向裂縫中，黃土的立壁性會(huì)遭到破壞，發(fā)生山壁的整體垮塌。會(huì)將管線拉扯變形甚至斷裂或可能導(dǎo)致管道的機(jī)械損傷。

4 管線水土防護(hù)措施

濕陷性黃土地區(qū)集氣管道的水土保護(hù)工程按照施工形式可以分為：夯筑、砌筑、澆筑、混凝土現(xiàn)澆、樁柱防護(hù)等。延川南煤層氣管線水保措施主要采用了消能臺(tái)階、草袋防護(hù)、箱涵、護(hù)岸護(hù)坡、擋土墻等。

4.1 消能臺(tái)階

據(jù)統(tǒng)計(jì)，黃土高于地區(qū)接近60%的土地為大于7°的山坡地區(qū)（緩坡）。在此類山坡上每隔一定距離建消能臺(tái)階，將雨水涵養(yǎng)在消能臺(tái)階上，使從坡上流下的沖刷雨水勢(shì)能歸零。不但減少了對(duì)管溝的沖刷也對(duì)雨水起了一定蓄積作用。

4.2 草袋防護(hù)

在不適合設(shè)置消能臺(tái)階的陡峭山坡，可采用素土夯實(shí)外加草袋裝土堆砌的方式做好對(duì)集氣管道的防護(hù)。草袋應(yīng)注意采用適當(dāng)?shù)亩哑龇绞讲⑦m應(yīng)山坡的坡度，在草袋中裝土過(guò)程中播撒一定的野草種子，雨季過(guò)后野草長(zhǎng)出，增強(qiáng)了草袋防護(hù)的強(qiáng)度。素土草袋容易施工，是較好的防護(hù)手段。

4.3 澆筑箱涵

處于溝谷底部以及陡峭山坡的集氣管道容易遭受山洪、泥石流的沖刷，須采用箱涵防護(hù)。將管周虛土碎石清除至露出基巖（硬土）后，可以利用模具進(jìn)行箱涵的澆筑。箱涵澆筑一般采用C20混凝土以及Φ7的螺紋鋼筋?；炷烈约颁摻钣昧靠筛鶕?jù)管道大小以及山洪強(qiáng)度頻率現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整。

4.4 漿砌護(hù)坡

對(duì)于常年有水流過(guò)、季節(jié)性洪水沖刷嚴(yán)重以及坡度較大的陡峭地段，集氣管道防護(hù)方式主要為漿砌護(hù)坡。采用2：8灰土將地基夯實(shí)后，用漿砌石和水泥砂漿砌筑護(hù)坡。水泥砂漿強(qiáng)度不宜小于M5，漿砌石強(qiáng)度不小于MU20。漿砌護(hù)坡具有美觀大方，堅(jiān)固持久，抗沖刷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

4.5 鋼樁擋土墻

針對(duì)沿邊坡或者陡崖公路邊通過(guò)的集氣管線，宜采用鋼樁擋土墻。砌筑前需間隔1.5～2.5米打鋼樁（入土深度不小于2米），并將鋼樁之間用鋼片連接，鋼樁內(nèi)側(cè)采用2：8灰土裝填草袋壓實(shí)。 集氣管道在草袋內(nèi)側(cè)敷設(shè)，管道回填土須分層夯實(shí)。

4.6 漫水公路

在管線穿越小型河流時(shí)可采用漫水公路防護(hù)。漫水公路鋪設(shè)前需先在基巖上開槽敷設(shè)管道，管道四周采用細(xì)沙壓實(shí)，公路路面宜采用C20混凝土，鋼筋宜采用Φ12的螺紋鋼。漫水公路防護(hù)效果好，抗沖擊能力強(qiáng)，但造價(jià)高，施工復(fù)雜。

5 結(jié)論

采取相應(yīng)的防護(hù)措施后，延川南煤層氣田集氣管道雨季受損現(xiàn)象得到了很大改觀，水土保持工作取得了良好的效果。根據(jù)延川南煤層氣田實(shí)際情況，本文總結(jié)了濕陷性黃土特點(diǎn)、煤層氣水工保護(hù)的特點(diǎn)、集氣管線水利破壞的原理和危害以及相應(yīng)的水土防護(hù)措施，得出以下結(jié)論：

（1）濕陷性黃土具有滲透性差、抗侵蝕能力弱、遇水濕陷崩解的特點(diǎn)。

（2）水流對(duì)濕陷性黃土的危害主要為侵蝕、沖刷及垮塌幾種方式。

（3）各類水保結(jié)構(gòu)均有不同的特點(diǎn)和防護(hù)效果，應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件因地制宜，選取合適的防護(hù)方式。

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