浅议长输油气管道河沟段水毁危害及防护

摘要：本文首先介绍了河沟段水毁现状，然后阐述了河沟段水毁作用方式及水毁危害的类型，最后探讨了工程防护措施。

关键词：河沟段水毁，危害，防护。

中图分类号：TE973文献标识码： A 文章编号：

一、河沟段水毁现状

忠武输气管道干支线总长 1 371.8 km，其中渝东鄂西山区段约380 km，江汉平原为主体的平原丘陵段约1 000 km；兰郑长成品油管道（信阳－长沙段），跨越大别山区、江汉－洞庭湖盆地东部平原－丘陵区及湘东北幕阜山山区，该区段干支线全长748km。两管道沿线经过的区域地形地貌多样，河流特征具有代表性。2010 年调查统计结果表明，新增河沟段穿越1 179 处，其中平原河网沟渠穿越1 072处，较高风险的穿越总计107 处。截至2010 年底，各类型水毁点共计达2 590 处，河沟段水毁约占93%；中高风险的水毁点共计达227 处，河沟段水毁约占51%。

2010 年，忠武输气管道某处河谷冲刷露管并致灾（图1 图2），而洪水暴涨导致兰成渝管道某处400m 管体悬空，完全暴露于水流冲刷之下，管道岌岌可危。为此，河沟段水毁是长输油气管道水毁危害的主要组成部分，有效防治河沟段水毁灾害对管道的安全运营至关重要。

二、河沟段水毁作用方式

2.1 河床下切作用

河床下切易引起河势不稳定，导致河床的容砂和容水空间加大，冲刷沟底或出现深槽串沟现象，造成管道悬跨。同时，在洪水水流作用下穿越主河槽的管道覆盖层被明显刷薄[2]，若继续冲刷下切，可能使管道外露。管道一旦外露，不仅受山洪水流的冲击，而且受水流携带的大量砂石和漂砾石的冲撞，易损坏防腐层，并可能导致管道弯曲甚至折断，对其安全极为不利（图3）。

2.2 河岸侧蚀作用

河流拐弯处凸岸受到水流的侧向冲刷和侵蚀作用，常引起河岸坍塌，导致岸坡不稳。其是河道发生摆动的主要原因，威胁沿岸或穿岸铺设的管道的安全（图4）。

2.3 泥石流作用

泥石流爆发时，会对沿途沟谷产生强烈的侵蚀作用，在运动过程中液相部分对沟岸进行剧烈冲刷，固相部分对沟岸进行强烈撞击，最终导致沟岸边坡失稳破坏。泥石流对河沟段侵蚀作用的基本形式仍为下切作用和侧蚀作用，只是强度更大（图5、图6）。

2.4 人类工程活动作用

河道内开采砂石、建造建筑物、修砌水工、农垦、疏浚、清淤等人工活动会改变河沟道原始径流环境，人为直接或间接地打破了自然条件下的平衡状态，导致原顺直河道发生弯曲变道、过水断面狭窄、通水不畅，加剧水流的冲刷下切和侧向侵蚀作用。雨季一旦来临，容易形成新的水毁危害。例如：随着采砂坑规模的不断扩大，砂坑边坡扩大并逐渐向管道靠近，极有可能引起管道基底砂层流向采砂坑而造成管道悬空（图7）。

三、水毁危害的类型

3.1 漂管危害

漂管是指采用大开挖直埋方式穿越河流或湖塘的输气管道，由于水位暴涨、冲刷、侵蚀或人工活动等作用导致管道上覆厚度不足，形成段而产生的漂浮现象。输气管道为薄壁钢管，当长度达到某临界值时，在浮力作用下，容易漂浮弯曲变形；若变形超过管材的屈服极限，将引起管道损坏，酿成事故。2010 年7 月8 日，鄂西山区遭遇连续强降雨，山洪使忠武输气管道经过的某处河谷水位暴涨，形成长距离漂管危害（图8）。

3.2 悬跨危害

悬跨是指采用大开挖直埋方式穿越河流的输油气管道与河床表面不发生直接接触的悬空段。悬跨改变了管道的受力状态，尤其是管道悬跨段在水流的绕流作用下，常伴有周期性的涡漩泄放，穿越河流管道悬跨段的周期性振动正是由这种涡漩的泄放引起的。涡激振动引发的振动频率一旦与管道悬跨段的某个固有频率相近或共处某一频率范围内，将可能出现共振现象。因此，在对管道采取预防措施前，首先要确定管道在水流作用下开始发生共振时的悬空长度[4]。同时，伴随管后涡漩的泄放，涡流将产生作用于管道表面的周期性绕流荷载，其直接作用结果是引起管跨的周期性振动（图9），极有可能导致管体出现疲劳损伤[5]。

3.3 推移危害

河沟段管道若埋深不足，易受短时强水流（泥石流）的冲击。管道与管周覆土受到冲击向下游移动，管道不断向下游及上方屈曲，其后砂卵石不断填充管道屈曲遗留下的空隙，造成管道位移量不断增大，若此时冲击作用未终止或管道未得到进一步的稳管加固，极有可能因屈曲位移量较大发生管道损毁事故（图10）。

3.4 撞击危害

撞击对管道的危害多见于山区河谷，短时强水流夹杂大量卵砾石具有较大的冲击动能，穿越河沟段管道一旦覆土不足甚至出现情况，将受到极大的威胁，小而多的卵砾石可能损毁管道防腐层及光缆，而大直径的卵砾石可能造成管道表面凹陷、产生裂纹甚至出现击穿管道的情况（图11、图12）。

四、工程防护措施

4.1 直接型措施

直接型防护措施的主要防护目标是管道实体，对其进行直接保护，避免受到直接接触式损伤。

（1）箱涵（图13）。适用条件：山区河流沟谷，易发山洪、水（泥）石流的河沟道；结构材料：钢筋混凝土。

（2）U 型槽（图14）。适用条件：平原及山区小河沟，不适用于山洪频发、水流量和流速较大的河沟；结构材料：钢筋混凝土预制构件。

（3）硬覆盖（图15）。适用条件：平原及山区小河沟，不适用于山洪频发、水流量和流速较大的河沟；结构材料：钢筋混凝土、浆砌石。

（4）石笼（图16）。适用条件：易发一般性洪水，山洪、水（泥）石流规模较小的河沟道；结构材料：钢筋笼，大石块；属于临时性防护措施。

4.2 间接型措施

间接型防护措施主要目标是改善管道所处环境，从而提高管道的安全性。进一步分为稳定河床措施（如拦砂坝、淤积坝、漫水坝、河底硬化、桩板墙等）和稳定河沟岸坡措施（如护岸挡墙、导流坝、丁坝、护坡等）。

（1）拦砂坝、淤积坝、漫水坝（图17）。适用条件：山区河流沟谷，易发山洪、水（泥）石流的河沟道；结构材料：钢筋混凝土、素混凝土、浆砌石。

（2）河底硬化（图18）。适用条件：平原及山区小河沟，不适用于山洪频发、水流量流速较大的河沟；结构材料：混凝土预制构件、浆砌石。

（3）桩板墙（图19）。适用条件：大型河流穿越，穿越段上下游近处有采砂坑威胁；结构材料：钢筋混凝土。

（4）护岸挡墙（图20）。适用条件：存在侧蚀威胁或向岸侵蚀的河沟岸坡。结构材料：混凝土、浆砌石。

（5）导流坝、丁坝（图21）。适用条件：侧向侵蚀强烈的河沟，不适用于易发山洪、水（泥）石流的河沟道；结构材料：钢筋混凝土、素混凝土、浆砌石。

（6）护坡（图22）。适用条件：存在侧蚀威胁或向岸侵蚀的河沟岸坡；结构材料：素混凝土、混凝土预制构件、浆砌石。

对中国石油天然气管道局所辖油气管道汛期被洪水冲断事故的调查结果表明，造成管道断裂的主要原因是管道水工保护方案不当[7]。因此，只有认真论证方案，采取适当的防护措施并严格控制施工质量，才能有效避免此类事故的发生。

五、结论

基于忠武输气管道和兰郑长成品油管道（信阳－长沙段）地质灾害的调查结果，总结了河沟段水毁作用的方式、管道水毁危害的类型及工程防护措施，得出以下结论：

（1）河沟段水毁的作用方式包括河床下切作用、河岸侧蚀作用、泥石流作用及人类工程活动作用。

（2）河沟段水毁对管道的危害形式分为漂管危害、悬跨危害、推移危害和撞击危害4 类。

（3）河沟段管道水毁的工程防护措施分为直接型和间接型两大类，各措施有其不同的适用条件及防护目标，应根据水毁条件因地制宜，选取恰当的防护措施。

参考文献：

[1]任志平．大中型穿越河旅输油管道的风险评估[D]．大庆：大庆石油学院，2004：1．

[2]王利金，刘锦昆．埕岛油田海底管道冲刷悬空机理及对策[J]．油气储运，2004，23（1）：