鄧豐林

國家管網集團西南管道公司蘭州輸油氣分公司

摘  要：地質災害影響油氣管道運行安全和使用壽命。黃土高原作為我國油氣管道東西和南北的交叉點，其災害發育與黃土濕陷有明顯的相關性。從油氣管道管理工作實際出發，簡要分析了黃土濕陷機理和其對油氣管道的危害，探討了防治措施，總結目前在黃土濕陷治理方面比較有效的經驗，希望對油氣管道穿越黃土地區災害防控有所幫助。

關鍵詞：油氣管道；山區管道；黃土地區；黃土濕陷；防治措施

黃土高原是國家西氣（油）東輸、北油（氣）南運等油氣管網重大工程的必經之地，目前該區域內的在役管道里程累計逾5000 km，各類地質災害中有超過80%以上均與黃土濕陷作用有關。因黃土濕陷導致地基下沉或洞穴發育，發生管溝的不均勻沉陷、裂縫或管道的懸空、裸露等危害，嚴重影響其安全運行。筆者開展山區油氣管道黃土濕陷形成機理以及防治措施探討，以期為黃土濕陷災害監測與治理提供依據。

1  黃土濕陷產生機理

黃土是在干燥條件下形成的一種富含孔隙、結構疏松、垂直節理發育、一般具有不同程度濕陷性的第四紀特殊沉積物，它以粉土顆粒為主，富含碳酸鹽類，具有多孔性和柱狀節理發育。引起濕陷的原因是黃土在形成時是極松散的，季節性的短期降雨把松散的粉粒黏結起來，而長期的干旱氣候又使土中水分不斷蒸發，隨著含水量的減少土粒彼此靠近，形成了以粗粉粒為主體骨架的多空隙結構。當黃土受水浸濕時，結合水膜增厚楔入顆粒之間，于是結合水連接消失，鹽類溶于水中，骨架強度隨之降低，土體在上覆土層的自重壓力或在自重壓力與附加壓力共同作用下，其結構迅速破壞，土粒向大孔滑移，粒間孔隙減小，從而導致大量的附加沉陷，即黃土濕陷。

理論上黃土濕陷經歷了兩個階段。第一階段即黃土隨著含水量的增加產生濕陷的過程，至含水量增加到25%左右時，黃土的變形量基本穩定，濕陷性基本消失。第二階段當黃土含水量增加到 25%以后，在一定的壓力作用下，黃土顆粒間黏結力消失，產生快速變形而致黃土結構破壞，即液化變形階段。

2  黃土濕陷對管道的危害

2.1  黃土濕陷災害發展過程

據2019年蘭成原油管道地質災害調查資料，甘肅段黃土地區共發育災害188處，其中黃土濕陷54處，占發育災害總量的29%（表 1），表明黃土濕陷發育密集、規模大，易發性高。黃土濕陷災害由產生到威脅管道安全經歷以下過程。

（1）未被夯實且結構遭到破壞的管溝填土，在雨水和濕土自重作用下會發生沉降，產生局部負地形，為水流進一步匯入創造了條件。

（2）水流匯入后，水頭壓力增大，帶走黃土中的黏土粒和粉土粒，擴大土體節理、裂縫和動植物孔穴，溶解易溶鹽，產生陷穴。

（3）水流找到出口后流速增大，溶蝕和土粒搬運能力增強，陷穴不斷擴大。管道上部覆土濕陷下沉會導致管道淺埋，陷穴則會最終導致露管、管道懸空、管道下沉彎曲變形，由此造成管道破壞。而陷穴屬于隱蔽性災害，不易察覺，有的陷穴規模較大。

2.2  黃土濕陷對管道的危害

黃土濕陷對管道的危害主要體現在管溝塌陷、管道裸露、管道暗懸等，如圖 1所示。

（1） 管溝塌陷。管溝塌陷是黃土地區最為頻繁發生的災害類型。管道建設中對沿線原黃土層和植被造成的擾動，是導致管溝塌陷的主要因素。其中溝蝕對管溝的危害最為嚴重, 主要表現在溝底下切、溝岸擴展和溝頭前進，嚴重時地面沉陷，造成管道裸露懸空。

（2）腰峴垮塌。管道沿黃土山脊修建時，在特殊地段依托腰峴通過較為常見，但濕陷性黃土腰峴在遇到降雨、灌溉、降雪時，容易發生垮塌，造成管道及光纜裸露懸空。

（3）管道裸露。由于黃土濕陷，在管道上方形成負地形，影響原有的水流途徑，水流呈散流狀引起沖刷下切、側蝕或溯源侵蝕，最終造成邊坡失穩，管道裸露。

（4）管道暗懸。地表下沿管道發育的暗溝多位于連續斜坡上，其源頭位于斜坡上部管線附近的黃土漏斗、陷穴、落水洞等下方，水從源頭流入，沿管道侵蝕管道周邊及下方黃土，至斜坡下方管線附近的出水口流出，形成的管道暗懸具有隱蔽性，致使發現這類災害的難度極大。

3  黃土濕陷防治措施

（1）疏導水。黃土濕陷防治最主要思路是疏導水流，其主要措施為修建截排水溝/土埂等水工保護工程。截排水溝將水引至它處，避免水流向管道上方低洼處或沖刷水工保護工程主體而發生黃土濕陷或護坡損壞。截排水溝可用混凝土制作或者預制，也可用三七灰土或二八水泥土夯筑，或嘗試在迎水面以石籠替代土埂，效果不錯。

（2）固土法。包括抗滑樁、擋土墻、格構、坡體植草等，都是針對腰峴處的災害特殊性，使土體不流失而進行的固土措施。如蘭成原油管道柏家山段腰峴處的災害治理措施，前期投入雖較高，但后期投入較少，維護較為方便。

（3）夯實法。適用于管溝塌陷和管道暗懸的地質災害治理。管溝回填高于地面100～200 mm，超出管溝外 300 mm 左右，回填土應分層夯實，在管道上方 0.5 m 以下應仔細回填, 壓實系數不低于0.93。回填料根據實際情況可選用黃土、灰土或者水泥土，并保證最優的含水量。

（4）預浸法。較多用在大面積建筑工程地基，處理效果明顯。近些年嘗試用于山區管道黃土濕陷災害治理。做法如老鄉的水澆地，使黃土濕陷慢慢消除，形成穩定狀態。在土地相對較平坦、有水源情況下，可以有限度嘗試應用。

（5）截水墻。該方法是目前治理黃土濕陷、防治大面積開挖的主要手段之一。其主要做法是間隔5 m左右，開挖到管道下方0.5 m，再回填夯實至地面高程。施工過程中可以添加石灰或水泥，治理效果更好。

（6）添加改良劑。常用的改良劑有水玻璃、抗疏力土壤穩定劑、酒石酸鈉等。其作用原理基本類似，即讓土顆粒具有吸附黏土顆粒、帶有負電荷、水化能力強的特性，能夠起到聚結穩定性、分散和護膠作用。

蘭州分公司在蘭鄭長成品油管道K9+480米處以抗疏力改良黃土夯筑擋土墻，經凍融和汛期考驗，未出現垮塌和沖刷現象，且植被恢復效果較佳（圖 2）。進一步優化方案后，在蘭成原油管道K47+900米處開展了新型黃土改良劑擋土墻嘗試，表明其不影響農作物生長，施工快捷，具有很好的推廣和應用價值（圖 3）。

作者簡介：鄧豐林，1973年生，畢業于中國石油大學（華東）油氣儲運專業，工程師，現任蘭州輸油氣分公司副經理，從事長輸油氣管道管理工作。聯系方式：18087118326，1144130450@qq.com。