蘇溥雅，齊 實(shí)，靳孟理，周利軍，賈春磊

(1.國家林業(yè)局 水土保持與荒漠化防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.北京市水土保持工程技術(shù)研究中心，北京 100083；3.長(zhǎng)江水利委員會(huì) 水土保持監(jiān)測(cè)中心站，湖北 武漢 430010；4.中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營 257026)

隨著國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，管道建設(shè)工程也越來越多。對(duì)于管道工程的安全運(yùn)營來說，管道敷設(shè)區(qū)環(huán)境對(duì)工程的安全威脅不容小覷，由水土流失災(zāi)害導(dǎo)致的管道事故時(shí)常發(fā)生，極大地影響和威脅到管道的安全運(yùn)營，因此進(jìn)行水土保持水工徑流調(diào)控措施研究對(duì)于管道工程建設(shè)安全保障具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

研究人員在我國西部地區(qū)管道工程水土流失災(zāi)害防治管理理念、手段和應(yīng)用技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)等方面均有研究，包括：管道在建設(shè)期采用多管并行、同隧、同跨、同溝等設(shè)計(jì)技術(shù)以減少土地?cái)_動(dòng)；黃土高原區(qū)斜井穿越技術(shù)的論證；戈壁區(qū)礫石覆蓋厚度的研究等[1]。從水土流失危害和管道保護(hù)的研究來看，一般包括兩個(gè)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]通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)西氣東輸二線工程的三處重點(diǎn)地段，發(fā)現(xiàn)工程建設(shè)加劇了項(xiàng)目區(qū)水土流失，之后的研究開始針對(duì)不同管道工程提出水土流失防治措施；鄭錕[3]針對(duì)新疆油氣管道工程，結(jié)合不同立地類型區(qū)，從植物措施入手進(jìn)行了管道水土保持研究。二是研究水土流失(尤其是水蝕)對(duì)管道工程造成的影響，而水土流失災(zāi)害的工程防治措施統(tǒng)一稱作“水工保護(hù)”，李景陽[4]以沙坡地段高陡邊坡為例，對(duì)高陡邊坡管道工程進(jìn)行了水工保護(hù)的設(shè)計(jì)研究；李瑞鑫[5]對(duì)油氣輸送管道穿越?jīng)_積平原、水網(wǎng)地段、山地和河道區(qū)段分別進(jìn)行了水工保護(hù)的相關(guān)設(shè)計(jì)。

上述研究的水工保護(hù)措施主要目的是穩(wěn)定管線工程，多采用一對(duì)一的水工保護(hù)措施，措施大多較為單一。鑒于此，我們以新疆天山地區(qū)為例，分別從坡面工程段、沖積扇工程段和河溝道工程段開展研究，分析水土流失對(duì)管道工程的影響及其成因，結(jié)合相關(guān)原則提出相對(duì)應(yīng)的以徑流調(diào)控為目標(biāo)的水工保護(hù)措施體系，以期為管道工程安全運(yùn)行提供水土保持技術(shù)保障。

1 研究區(qū)概況

1.1 新疆天山地區(qū)自然及水土流失概況

新疆天山地區(qū)屬溫帶大陸性氣候區(qū)，干旱少雨，年均降水量112～358 mm，年均蒸發(fā)量2 141～3 700 mm，是年降水量的10倍以上，年均溫度4.5～10 ℃，年均風(fēng)速2.9 m/s，凍土深度0.7～1.4 m。土壤類型主要有灰鈣土和灰漠土，旱灰鈣土和灌溉灰鈣土土壤抗蝕性中等，灰漠土抗蝕性弱。區(qū)內(nèi)河流大多為季節(jié)性、間歇性河流，流程短，上游水量大，下游河谷淺、水量小。蒸發(fā)量大，降水量小且集中，汛期山前洪積扇易產(chǎn)生水土流失，部分河流在流入盆地途中干涸[6]。植被主要為干旱荒漠落葉闊葉植被類型，以干旱灌木-半灌木荒漠植被為主。

天山地區(qū)水土流失類型主要為水力侵蝕。新疆天山地區(qū)水土流失面積達(dá)2 460.77 hm2，平均土壤侵蝕模數(shù)為4 600 t/(km2·a)，土壤容許流失量約為1 000 t/(km2·a)[7]。

1.2 新疆天山地區(qū)水土流失對(duì)管道工程造成的危害

根據(jù)對(duì)近20年的西部地區(qū)管道工程事故的調(diào)查，西氣東輸管道新疆段沿線發(fā)育有洪水沖蝕水毀災(zāi)害點(diǎn)93處、泥石流災(zāi)害點(diǎn)3處、風(fēng)沙災(zāi)害點(diǎn)7處、鹽漬土災(zāi)害點(diǎn)2處，總計(jì)105處，其中水毀災(zāi)害點(diǎn)占到88.6%[8]；澀寧蘭輸氣管線沿線發(fā)生管溝塌陷災(zāi)害100余處，由溝谷洪水沖刷產(chǎn)生的裸管現(xiàn)象嚴(yán)重，伴隨著管溝滑塌15起，水毀災(zāi)害點(diǎn)占比接近80%[9]；輪南—鄯善段3條長(zhǎng)輸油(氣)管線沿線發(fā)育有災(zāi)害點(diǎn)191處，其中水毀災(zāi)害點(diǎn)178處，占全部災(zāi)害點(diǎn)的93.2%[10]。

2 新疆天山地區(qū)管道工程水土流失危害的成因分析

2.1 管道敷設(shè)于山區(qū)時(shí)水土流失災(zāi)害的成因

2.1.1 橫坡敷設(shè)

山區(qū)橫坡敷設(shè)是指管道在山區(qū)敷設(shè)時(shí)多以基本平行于等高線的方式通過坡面。管道橫坡敷設(shè)水土流失災(zāi)害的主要形式和成因?yàn)椋孩僭诔掷m(xù)的降雨或短期大暴雨發(fā)生時(shí)，降水強(qiáng)度遠(yuǎn)大于土壤的入滲速率，雨水來不及入滲進(jìn)土壤，加之新疆天山地區(qū)的灰漠土持水性差，其土壤本身的抗蝕和抗沖性很弱，這種情況下極易產(chǎn)生坡面徑流，對(duì)管溝內(nèi)松散的回填土進(jìn)行沖刷，造成回填土流失、管道裸露；②在陡坎陡坡處，由于開挖斜坡的坡腳填土較原狀土壤而言密度不均，在水流侵蝕沖掏和重力的雙重作用下，斜坡土體失穩(wěn)，形成大范圍坍塌使管道裸露。

2.1.2 縱坡敷設(shè)

山區(qū)縱坡敷設(shè)是指管道在山區(qū)敷設(shè)時(shí)以近乎與等高線垂直交叉的方式通過坡面。管道縱坡敷設(shè)在山區(qū)比橫坡敷設(shè)更容易遭遇坡面沖蝕。管道建設(shè)破壞了原來坡面的地表土層和植被，在短歷時(shí)暴雨或坡頂長(zhǎng)時(shí)間匯水作用下，水流在坡面快速流過帶走表層泥沙。管溝中回填土密度不均，在股流快速?zèng)_刷的作用下更易被侵蝕，出現(xiàn)裸管。

2.2 管道敷設(shè)于戈壁沖積扇區(qū)時(shí)水土流失災(zāi)害的成因

管道在沖洪積扇上敷設(shè)多與水流方向垂直或形成夾角。管道會(huì)遭受下切沖蝕，出現(xiàn)浮管甚至位移。戈壁沖積扇為產(chǎn)生溝蝕提供了絕佳的匯水面積，從坡面匯集下來的水流在沖積扇處有足夠大的面積下切并發(fā)育成淺溝。一般根據(jù)水土流失災(zāi)害分為兩種情況：①分散過水侵蝕。新疆天山地區(qū)土壤持水性差，從山區(qū)坡面流下的融雪水和暴雨徑流，流入沖洪積扇產(chǎn)生蓄滿產(chǎn)流，形成分散漫流。管道工程擾動(dòng)原地表導(dǎo)致土壤抗蝕抗沖性弱，管道敷設(shè)區(qū)是最易受到侵蝕的區(qū)域。②集中過水侵蝕。當(dāng)分散過水的地表下切到一定程度會(huì)出現(xiàn)侵蝕溝擴(kuò)張的現(xiàn)象，分散的侵蝕溝會(huì)逐漸合并，因管道敷設(shè)區(qū)地表土壤受擾動(dòng)后抗蝕性較差，故大沖溝發(fā)生在此區(qū)域的概率最大。水量過大的時(shí)候會(huì)沖毀管堤、中斷交通，甚至?xí)霈F(xiàn)沖溝內(nèi)積水，造成浮管，危害管道及輸送安全。

2.3 管道敷設(shè)于河溝道時(shí)水土流失災(zāi)害的成因

2.3.1 管道與河溝道交叉敷設(shè)

管道與河流、溝道交叉敷設(shè)是指管道會(huì)穿越河流溝底，與河流方向垂直或者形成夾角。管道主要災(zāi)害表現(xiàn)為浮管或裸管，重則出現(xiàn)管道斷裂。新疆天山地區(qū)多為季節(jié)性河流，枯水期和汛期河水流量差距很大，不同年份流量也會(huì)因?yàn)榻邓康牟煌兓^大，加之水文資料難以獲取，所以將管道穿越此類河流時(shí)一般會(huì)選擇在枯水期通過，水土流失災(zāi)害的嚴(yán)重性往往被忽視，日后極易出現(xiàn)浮管裸露現(xiàn)象。究其原因，季節(jié)性河溝道內(nèi)土壤松散，河道上游的不確定來水充滿河道后，水流的沖刷作用主要表現(xiàn)在對(duì)溝岸及溝床的下切。當(dāng)河床和溝岸被持續(xù)沖刷下切時(shí)，原來埋設(shè)在河床下面的管道有可能裸露甚至懸空。

2.3.2 管道順河溝岸邊敷設(shè)

管道順河溝岸邊敷設(shè)是指管道與河流方向平行地敷設(shè)于河岸邊。管道可能會(huì)因岸坡遭受掏蝕或者坍塌而受到影響。汛期來水量不同會(huì)使得水流方向在某一個(gè)時(shí)期、某一個(gè)地段發(fā)生變化，這種變化會(huì)造成河流態(tài)勢(shì)發(fā)生變化，造成河流頂沖點(diǎn)位置前移或后退，其結(jié)果是原河岸形態(tài)被破壞，原先不直接遭受水流沖擊的岸坡開始受沖刷，若頂沖作用對(duì)岸坡的作用點(diǎn)急劇后退，逐漸造成回填土流失，則水流進(jìn)一步?jīng)_刷會(huì)引發(fā)漂管事故，嚴(yán)重危害管道安全。

3 典型地段管道工程的水工保護(hù)徑流調(diào)控措施體系

根據(jù)新疆天山地區(qū)管道工程作業(yè)帶所處的不同位置和地貌，以及不同穿越區(qū)易發(fā)水土流失危害類型，結(jié)合安全性、生態(tài)性和徑流調(diào)控三大原則，提出適用于該地區(qū)典型地段管道工程的水工保護(hù)徑流調(diào)控措施體系。

3.1 坡面徑流調(diào)節(jié)工程體系——以天山地區(qū)山地亞區(qū)為例

3.1.1 橫坡敷設(shè)徑流調(diào)控模式——“上截下攔”模式

管道橫坡敷設(shè)于坡面工程建設(shè)完成后，將管道作業(yè)帶經(jīng)過的整個(gè)坡面修建為梯級(jí)緩坡，水工保護(hù)措施由五部分組成(見圖1)。由于降雨或大暴雨在上邊坡產(chǎn)生徑流，會(huì)造成山體或巖土濕潤(rùn)甚至變成流狀，故在管溝作業(yè)帶上方設(shè)置護(hù)坡以減少徑流對(duì)坡面土壤的沖刷，緊接設(shè)置的漿砌石截排水渠或截水墻等措施及時(shí)將水排出避免山體松軟，這是“上截”部分模式的體現(xiàn)；而陡坎陡坡處由于工程的建設(shè)使土體失重，在水力作用下很容易造成滑坡或塌方，所以在管溝作業(yè)帶的緩坡下側(cè)修建擋渣墻穩(wěn)定坡體，這是“下攔”部分模式的體現(xiàn)；中部作業(yè)帶采取植物措施恢復(fù)生態(tài)，在管道穿越帶植草、在穿越區(qū)和擋墻中間地帶種植灌木，將徑流調(diào)控模式中的安全性和生態(tài)性有機(jī)結(jié)合。

圖1 橫坡敷設(shè)“上截下攔”模式3D示意注：①—漿砌石護(hù)坡；②—漿砌石截排水渠；③—人工植草；④—人工種植灌木；⑤—擋渣墻

3.1.2 縱坡敷設(shè)徑流調(diào)控模式——“側(cè)排中擋”模式

管道縱坡敷設(shè)于坡面工程建設(shè)完成后，措施在坡面、管溝等各部位分為四部分來達(dá)到水工保護(hù)徑流調(diào)控的目的(見圖2)。水力作用會(huì)沖刷坡面形成沖溝，管溝回填土很大程度上會(huì)受到坡面匯水的沖蝕而流失，結(jié)合徑流調(diào)控的原則，在作業(yè)帶上方每隔一段距離沿山體等高線修土砌擋水埂(間距由管線管徑確定)，并于管溝內(nèi)布設(shè)一定長(zhǎng)度的地下截水墻(注意管道必須穿越截水墻)，阻擋管頂覆土流失，減少坡面侵蝕，這是“中擋”部分模式的體現(xiàn)；另外在沿作業(yè)帶兩側(cè)修建漿砌石排水溝，兩側(cè)外沿修建漿砌石護(hù)坡，將坡面徑流按照人為的方向排出，是“側(cè)排”部分模式的體現(xiàn)。

圖2 縱坡敷設(shè)“側(cè)排中擋”模式3D示意注：①—漿砌石排水溝；②—漿砌石護(hù)坡；③—土砌擋水??；④—地下截水墻；⑤—人工植草

3.2 戈壁沖積扇徑流調(diào)節(jié)工程體系——以天山地區(qū)平原亞區(qū)為例

管道敷設(shè)在戈壁沖積扇區(qū)的徑流調(diào)控模式總結(jié)為“以擋為主，以導(dǎo)為輔”，其區(qū)域水土流失按水流形態(tài)的不同區(qū)分為兩種：分散過水處的沖積扇遭水流下切易形成沖溝，破壞管溝回填土；集中過水處的沖積扇下切強(qiáng)烈，水流易沖毀管堤甚至造成浮管。根據(jù)戈壁沖積扇區(qū)域下墊面情況和水流形態(tài)的不同，把管道敷設(shè)區(qū)可能遭受的水土流失情形及其對(duì)應(yīng)治理的措施整理如圖3所示。

圖3 沖洪積扇處管道徑流調(diào)控措施布局分類

以“沖洪積扇在分散過水情況下，有嚴(yán)重下切”的徑流調(diào)控布設(shè)為例，模式由四部分組成(見圖4)。戈壁沖洪積扇洪水在管堤上方分散過水，經(jīng)常會(huì)引發(fā)多條沖溝下切，形成大沖溝沖毀管溝回填土。以安全為原則，修筑漿砌石過水面，并在管道穿越區(qū)下部加設(shè)地下截水墻，緊接著在截水墻低地勢(shì)過水面加設(shè)齒墻，這三部分措施可以有力攔擋水力侵蝕下切，阻止徑流沖刷回填土，充分體現(xiàn)了“以擋為主”部分的模式；相應(yīng)地，在過水路面兩邊配合修建一對(duì)導(dǎo)流堤，將分散水流以人工規(guī)劃的方向統(tǒng)一匯流，是“以導(dǎo)為輔”部分模式的體現(xiàn)。

圖4 沖積扇戈壁區(qū)敷設(shè)“以擋為主，以導(dǎo)為輔”模式3D示意注：①—導(dǎo)流堤；②—漿砌石過水面；③—地下截水墻；④—齒墻

3.3 河(溝)道徑流防護(hù)工程體系——以天山地區(qū)平原亞區(qū)為例

管道敷設(shè)于河(溝)道的徑流調(diào)控體系總結(jié)為“防沖護(hù)岸”模式。根據(jù)工程類型的不同，把水工保護(hù)措施分為河岸河腳工程、河床工程和臨時(shí)工程。根據(jù)每種工程防護(hù)目的的不同又可以分為多種具體措施(見圖5)。結(jié)合實(shí)際情況有機(jī)組合可以達(dá)到對(duì)管道工程區(qū)徑流調(diào)控的目的。

由于管道工程敷設(shè)于河(溝)段的情況較為復(fù)雜，因此必須在考慮建設(shè)完成后河(溝)道“防沖護(hù)岸”徑流調(diào)控措施體系的同時(shí)，考慮施工過程中的臨時(shí)水工防護(hù)措施。本模式一般由“7+1”個(gè)部分組成，“1”是建設(shè)中遇雨季施工時(shí)設(shè)置的圍堰和導(dǎo)流堤，“7”指當(dāng)管道建設(shè)完成后設(shè)置的徑流調(diào)控措施體系(見圖6和圖7)。河溝道中的水流對(duì)河岸和河底的沖刷作用非常強(qiáng)烈，水土流失成因也不盡相同，可能是回填土流失引發(fā)的漂管事故，可能是水流浸泡造成的土體松軟岸坡坍塌，也可能是河流下切造成的岸坡重力式失穩(wěn)崩塌等。鑒于此，為保障工程安全，必須從整體入手細(xì)致考慮每一部分如何應(yīng)對(duì)水蝕對(duì)管道工程造成的危害：在河溝道凹岸處設(shè)置凹岸防沖墻和丁壩改變水流流向，減輕水流對(duì)凹岸處邊坡的沖刷；在管道穿越段的上游河岸設(shè)防汛擋墻阻擋高位水流，減緩流速；在河底鋪設(shè)漿砌石過水面，結(jié)合穿越段下游設(shè)置漿砌石地下防沖墻，阻止水流對(duì)河底垂直方向的下切作用并減緩流速，這是“防沖”部分模式的體現(xiàn)。邊坡底部設(shè)置的漿砌石坡式護(hù)岸，阻止水流對(duì)岸坡兩側(cè)方向的沖刷和掏蝕作用；另外考慮到生態(tài)性的原則，應(yīng)該于坡式護(hù)岸上端設(shè)置植生帶護(hù)坡，涵養(yǎng)水源并固定岸坡表土，這是“護(hù)岸”部分模式的體現(xiàn)。

圖5 河流和溝谷地水工徑流調(diào)控體系

圖6 河(溝)道臨時(shí)措施模式3D示意注：①—圍堰；②—導(dǎo)流渠

圖7 河溝道敷設(shè)“防沖護(hù)岸”模式3D示意注：①—防沖墻；②—丁壩；③—防汛擋墻；④—漿砌石過水面；⑤—漿砌石坡式護(hù)岸；⑥—生物工程護(hù)坡；⑦—地下防沖墻

4 建 議

上述的措施體系在具體應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)所在地區(qū)的具體情況進(jìn)一步細(xì)化，核定每種措施的材料、規(guī)格和工程量，確定適宜于不同情形的措施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)格，最終形成管道工程建設(shè)規(guī)范或者管道建設(shè)水土保持指南，從而提升管道工程水土流失災(zāi)害防治能力，保障管道工程運(yùn)營安全。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 徐成，付惠玲，單新煜.西氣東輸工程的水土保持實(shí)踐[J]. 中國水土保持，2016(9):44-46.

[2] 李斌斌，李占斌，李智廣，等.西氣東輸二線西段水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析[J].水土保持通報(bào)，2015(5):123-126，132.

[3] 鄭錕.新疆油氣管道工程的水土保持植物措施[J].中國水土保持科學(xué)，2013(增1):29-33.

[4] 李景陽.高陡邊坡管道水工保護(hù)的設(shè)計(jì)新方法[J].中國石油石化，2016(增1):278.

[5] 李瑞鑫.油氣輸送管道水工保護(hù)設(shè)計(jì)方法研究[J].化工管理，2017(4):115.

[6] 黃勁柏，蔣海英.新疆喀什噶爾河流域的水土流失及防治對(duì)策[J].中國水土保持，2013(7):29-31.

[7] 鄭錕.淺析西氣東輸三線天然氣管道工程西段水土流失防治目標(biāo)及措施[J].陜西水利，2014(增1):230-231.

[8] 李水平.西氣東輸管道沿線環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究[D].成都:西南交通大學(xué)，2008：15-17.

[9] 馬克鋒,孫新軍.澀寧蘭輸氣管線黃土高原段的水毀災(zāi)害與防治[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2005(2):80-83.

[10] 許衛(wèi)豪. 輪南—鄯善段油氣管線水毀災(zāi)害發(fā)育特征與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[D].天津:天津城建大學(xué)，2013：17-20.