劉小暉 馬燁 袁海 王景巍

中國石油西南管道蘭州輸油氣分公司

 

 

近年來我國長輸管道發展迅速，截至2017年底，在役油氣管道總里程已超過13萬公里，形成了東西南北互通的能源管網。隨著管道運營里程增加，管道地質災害的發育也越來越多[1]。 國內外對管道地質災害的研究[2-6]，一方面集中于對埋地管線荷載力的力學分析；另一方面專注于管道風險管理和評價，傾向于事故前控制。泥石流是山區常見的自然現象，當油氣管道與泥石流溝道并行或者相交時，發育的泥石流輕則造成管道埋深不足或局部出露，重則造成管道長距離懸空、變形、扭曲、斷裂等。本文梳理和總結發育的泥石流溝道，對穿越油氣管道防治地質災害有一定指導意義。

1 響河溝泥石流溝道的基本情況

武山縣位于甘肅省東南部，天水市西北方向，地處秦嶺與黃土高原的過渡帶，黃河一級支流渭河的上游。境內響河溝位于縣城東約15公里處的洛門鎮北。穿越管道位于響河溝流域中、下游區段，如圖 1所示。

2006年8～9月，武山縣響河溝流域連續發生了三次規模較大的稀性泥石流災害，沖毀龍（泉）榆（盤）路多處，并給蘭成渝輸油管線響河溝段管道造成了較為嚴重的災害險情，危及管道的安全。 8月13日夜間和18日凌晨，響河溝流域兩次強降雨，形成災害性泥石流，沖毀公路十余處，造成公路內側路肩下輸油管道外露、懸空，處于極其危險的狀態，且洛門鎮地勢較低，直接威脅洛門鎮的安全。

2 響河溝泥石流基本特征

響河溝因泄洪期間帶響聲而得名，歷史上即是一條泥石流溝。根據走訪當地老百姓， 2006年連發三次稀性泥石流，特別是第一次泥石流暴發時，數公里外就可聽到溝谷中巨石相互摩擦、撞擊的響聲，而溝道河床上比比皆是巨大漂石，泥石流所過之處樹皮被剝（年坪村前主溝漫灘上直徑25 cm粗樹皮被剝高度達2.5 m）。

2.1 稀性泥石流的發育特點

與一般的泥石流溝相比，響河溝泥石流的形成區、流通區、堆積區有較為特殊的組合特點。從溝谷形態、溝谷比降、松散固體物質來源、地表匯水徑流特征等泥石流主要形成要素分析，在類似于不規則樹葉形的流域內，除主溝槽（中部黨家溝、水簾洞溝和下游的響河溝）外，上游及兩側山區均為泥石流形成 區，區內溝谷坡降大、松散物質豐富，匯流集中，是水、固體物質混合、攪拌的場所，最終以泥石流形式進入流通區；流通區位于“樹葉”中部基巖裸露區和主支部位——即黨家口村和水簾洞以下到年坪村之間的狹長主溝槽中，溝床坡降介于3%～4%，是形成區泥石流物質向堆積區傳輸的通道；堆積區位于年坪村以下的主溝床及溝口外、渭河以北寬緩開闊的洪積扇區，該段堆積區泥石流物質沖刷、堆積轉換頻繁，溝床下切與側岸侵蝕強烈，在自然狀態下，扇面主沖溝呈跳躍式擺動，目前由于人工開挖、引導和防護，主溝道被固定下來。

由圖 2可以看出，響河溝泥石流形成區面積大，所有支溝和坡面溝地形陡峻、溝谷狹窄、坡降大，為迅速匯集的大量徑流與松散固體物質下泄提供了非常有利的地形、溝道條件。流通區相對較小，溝道狹窄，坡降較大，以搬運為主，蛇曲迎水段沖刷侵蝕強烈，背水段存在局部少量淤積，基本處于動態平衡。堆積區宏觀上處于堆積狀態——溝床在逐年抬升，但主溝道內主流擺動造成局部強烈沖刷、塌岸現象較為普遍，嚴重影響當地居民的生活與生產。而下游人為固定主溝槽，從某種程度上違反了泥石流的沖淤變化規律，必然帶來一系列的工程問題。

由于區域地殼升隆，溝谷下切，坡降增大，重力地質作用增強，而頻繁發生的強大暴雨致使該溝的泥石流頻度增大，歷史上曾頻繁發生過不同程度的泥石流，因此該溝道目前處于泥石流發育旺盛期。據走訪調查并查閱有關歷史資料，響河溝每隔1～2年都發生不同程度的稀性泥石流，較為明顯的稀性泥石流每10年兩次，其中災害性泥石流約15年暴發一次，嚴重災害性泥石流約50～70年暴發一次。但2006年8～9月先后暴發三次規模較大的稀性泥石流，沖斷公路、嚴重危及管道安全。

2.2 響河溝泥石流的運移特征

（1）泥石流過程。泥石流歷時為泥石流龍頭出溝口到泥石流停止堆積所經歷的時間過程。根據歷史記載和調查訪問，響河溝歷史上發生的造成嚴重災害的泥石流歷時在20～50 min 之間，屬于單峰型。

（2）響河溝稀性泥石流重度調查。根據溝道中泥石流堆積體的顆粒分析、高漫灘堆積形態、溝壁泥膜等調查資料，對比以往不同重度拌合試驗，結合天水地區類似溝道研究成果，采用工程地質比擬法和相關經驗公式，確定該溝稀性泥石流重度值介于14～15 kN/m3。

（3）響河溝稀性泥石流流量調查。為了較為真實地反映響河溝稀性泥石流暴發時的實際情況，我們對14 km治理工程重點溝道進行了詳細的水文地質調查。在2006年泥石流爆發后不久，選取三個泥膜較為清晰、斷面較為規矩的主溝槽過流斷面，實地測量后計算泥石流的實際流量，作為校正理論流量的參照，結果見表 1。

（4）響河溝稀性泥石流的流態特點。據親眼目睹2006年泥石流的當地居民介紹，響河溝泥石流發生時具有較為強大的龍頭。特別是間歇時間較長、多年不遇的首場泥石流，其龍頭高陡寬大，泥深是平均泥深的3～4倍，龍頭覆蓋了年坪村口附近高約6.5 m的水泵房并將其卷走。龍頭具有直進性，直接爬過該處左岸3 m多高的河堤擋墻，進入公路內側居民區，殘留的泥膜高出地面1.2～1.5 m，龍頭過處，樹木、莊稼及輕型構筑物全部被毀。而橫斷面上泥石流呈中間高、兩側低的特點，與溝道正中間幾棵樹樹皮被剝高 度的形態相吻合。龍頭過后，溝道內泥石流的流態呈連續性流動，但受各支溝匯流時間差的影響，連續流的流量并不穩定，具有陣發變化特點。

（5）響河溝稀性泥石流的粒度特征。響河溝稀性泥石流的粒度成分在不同區域、不同地段有較大的變化。調查中發現，匯流區坡面的上部分固體物質粒度小，但呈塊狀結構，下部分基巖外露處，大塊狀堅硬砂巖參與泥石流活動，粒徑介于0.2～1.2 m。流通區峽谷地段巨大堅硬砂巖以崩塌、錯落等形式介入泥石流活動，在流通區與堆積區的上半部溝床上，分布有大量的漂石，其中最大漂石的長軸達3 m、厚1.2 m、寬1.8 m。堆積區開闊的溝床成為大量泥沙、角礫以及礫巖塊石的沉積場所，但主流對溝床、溝坡底蝕、側蝕強烈，形成局部沖刷，大量沙礫卵石被沖出河谷順溝道直接排入渭河。該區沉積厚度一般5～7 m，最厚處達10 m以上。但整個來看，從溝腦到入渭河間，溝道內松散固體物質的粒度在逐漸變細，具有漸變規律，而細粒物質呈現為逐漸增加的規律。

3 綜合防治措施

3.1 工程確定原則

《蘭成渝管道響河溝泥石流溝道治理工程》項目開展之初，首先對管道改線和溝道治理方案進行了論證。兩種方案中溝道治理方案無論是費用還是施工技術可行性，都更為可靠、經濟、合理。采用治理溝道方案是全流域治理還是有針對性的部分治理，是治理并行道路間接保護管道，還是直接保護管道，所有工程是全部新建，還是利用原來部分工程修復重建，經過專家和技術人員的比選和分析，采取了對與管道并行敷設的溝道進行治理，采用新建水工保護設施，通過保護道路從而達到間接保護管道的目的。

為了對12 km長且處于不同狀態的管道進行有效防護，首先開展了全流域的泥石流調查工作，在對不同位置管道、伴行路、溝道、泥石流流態等空間關系分析的基礎上，進行針對性的防護工程設計，工程形式與規模的確定原則是：

（1）按50年一遇泥石流災害防護標準進行設計。

（2）穿越段管道埋深小于理論沖刷深度處進行防沖刷治理，順溝段管道與伴行路視為一體進行統一規劃治理。

（3）設計參數的選取以理論計算、經驗判斷和實地調查結果為依據綜合考慮，各工程基礎埋置深度必須至少在最大沖刷深度以下0.5 m，河堤擋墻高度必須滿足設計最高泥位要求等。

（4）在保證安全的情況下以節約經費為原則。

3.2 各工程確定說明

（1）河堤擋墻。

①由于2#～9#地處峽谷地帶，現有公路擠占部分河床，本次設計采用C20鋼筋砼仰斜式擋墻，其中墻頂寬度根據是否處于頂沖段設計0.6～0.8 m。

②0#～1#和10#～18#地形相對開闊，現有公路基本不侵占河床，本次設計均采用漿砌塊石重力式墻，其中墻頂寬度根據是否處于頂沖段設計0.6～0.8 m，塊石強度等級大于MU30，砂漿強度等級大于M 10。

③17#～18#工點地處響河溝出口，溝道左側農戶及農田較多，為了更好地治理該段在溝道左岸也設計漿砌塊石仰斜式墻或護坡。

（2）防沖底檻的高度計算。

為了加強對0#和13#兩處管道穿越河床段和狹谷段及17#工程排洪道的安全和防止溝床下切，在該段防洪道中設置防沖底檻，并在最下游的防沖底檻處修建消力池，防沖底檻高度由下式確定：

H =L（I0－I′ ）

式 中 ： H 為 壩 高 （m ） ； L 為 相 臨 壩 間 距（m）； I0為原溝床坡降； I′ 為回淤后的溝床坡降。

（3）過水涵洞工程。

為了避免伴行路側山坡支溝水流對管道和道路的沖刷，對較大支溝均設計了過水涵洞，孔徑一般2.5～4.0 m，均為鋼筋砼蓋板明涵。

3.3 該項目的主要治理措施

（1）綜合護岸工程。該工程保護擋墻、防沖墻、挑壩等工程形式。首先進行河堤擋墻施工，施工程序是：清理場地→施工放線→基坑開挖→驗基→基礎筑砌→墻體筑砌→墻后置反濾層并回填→充填伸縮縫→疏通泄水孔→勾縫壓頂，待擋墻主體完成后再進行挑壩挖基、筑砌，全部砌體工程完成后，夯填超挖空間、墻后空間，最后填埋，平整美化場地。

（2）排洪道工程。該工程保護涵洞、擋墻等工程形式。排洪道施工，應先進行兩岸河堤擋墻施工，按清理場地→施工放線→基坑開挖→驗基→基礎筑砌→墻體筑砌→墻后置反濾層并回填→充填伸縮縫→疏通泄水孔→勾縫壓頂程序進行；待墻體完成后再分別修建各防沖底檻，其施工程序同上。待上述所有工程完成后，再清理溝道、平整場地、回填超挖區域，做 到施工場地平順美觀。

4 結論

（1）響河溝泥石流溝道為稀性泥石流溝道。

（2）該泥石流的形成，具有充足的物源、陡峭的地形、短歷時的強降雨，具備泥石流發育特征。

（3）管道和泥石流溝道并行敷設，造成管道、光纜懸空，給管道的安全運營造成了極大的危害。

（4）采用淤土壩、防沖墻、擋墻、挑壩等措施相結合的綜合防治工程，具有較好的治理效果。

（5）響河溝防護工程2007年完成施工，經過10多年運營，防護效果良好，管道安全平穩運行，充分說明治理措施合理可行。

 

參考文獻：

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作者：劉小暉， 1986年生，工程師，碩士研究生，主要研究方向為管道地質災害防治。