長輸管道河溝道水毀危害探析

孫志忠，張滿銀，謝 榮，卡毛措，王生新

(1.甘肅省科學院地質自然災害防治研究所，甘肅蘭州 730000;2.蘭州大學環境遙感與地質災害研究中心，甘肅蘭州 730000)

0 引言

近年來，我國長輸管道工程建設進入了迅速發展階段，截至2013年底，投產運營管線累計長達9.85 ×104km，逐漸形成了東西南北互通的能源管網。長輸管道通常穿越山地、丘陵、河溝谷、平原等多種地貌單元，沿線地質環境條件復雜多變，長期遭受崩塌、滑坡、泥石流、河溝道水毀、坡面水毀等管道地質災害的威脅［1－4］。其中，普遍發育的河溝道水毀災害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，嚴重威脅管道運營安全，且每年都要耗費大量資金進行防治［5－8］。

藉此，在長期管道地質災害調查與風險評價基礎上，初步探討了河溝道水毀發育現狀、破壞方式及危害特征，并進行危害程度對比分析，以期對河溝道水毀危害機制有更深入、系統的認識，也將為長輸管道建設期選線和運行期管道地質災害調查、風險評價及防治提供理論依據。

1 河溝道水毀發育現狀

2008年，忠武輸氣管道發育河溝道水毀1239 處，主要分布在渝東顎西山與大別山一帶，線密度0.90 處/km，中等以上風險點比例約27.0%。2010年，蘭鄭長成品油管道(信陽—長沙段)發育河溝道水毀2409 處，線密度高達3.22處/km［9］。2009—2014年，分別進行了甘肅、青海、新疆三省(區)境內敷設的西氣東輸一線、西氣東輸二線、西氣東輸三線、烏魯木齊—蘭州輸油管道、甘肅慶城縣供水管道、澀寧蘭輸氣管道、澀寧蘭輸氣復線、輪南—吐魯番輸氣支干線、輪南—庫爾勒輸油管道、輪南—庫爾勒輸氣管道、庫爾勒—鄯善輸油管道等長輸管道沿線地質災害調查與風險評價工作，其結果詳見表1所示。

由表1得，長輸管道沿線發育的河溝道水毀點約占地質災害調查點總量的36.3%，平均線密度0.13 處/km，為西北地區最為常見災害類型之一，尤其在甘肅長嶺山北麓、青海拉脊山一帶最為發育。受氣象水文、地形地貌等地質環境的影響，新疆、甘肅、青海境內長輸管道河溝道水毀發育線密度依次呈遞增趨勢。依據河溝道水毀風險評價統計結果，較高以上風險點比例均值約27.6%，中等以上風險點比例均值高達60.1%;對比發現，澀寧蘭輸氣復線和輪南—庫爾勒輸油管道沿線河溝道水毀風險性高于其他管段。

綜上所述，河溝道水毀是長輸管道沿線最為發育、且風險性較大的地質災害類型之一，屬于重點調查、評價和防治的對象。

表1 長輸管道河溝道水毀調查統計與風險評價結果一覽表Tab.1 Investigation and risk assessment results of long-distance pipeline water-logging

2 河溝道水毀破壞方式

在相關學者研究的基礎上，結合1089 處河溝道水毀點野外調查、統計分析成果，將長輸管道河溝道水毀破壞方式劃分為河溝床沖刷下切、河溝床淤積抬升和岸坡坍塌3 類;其影響因素主要包括降雨、匯流面積、微地貌形態、河溝道縱比降、河溝道橫斷面形態、巖性及人類工程活動等。

2.1 河溝床沖刷下切

河溝床長期處于沖淤交替的動態變化中，當沖刷占據主導地位時，河溝床將持續下切，同時增加河溝道切割深度。河溝床沖刷下切普遍發育，多發生于陡傾斜平原區、山間溝道、山麓等地帶。依據沖刷下切寬度范圍可劃分為河溝床整體下切和河溝床局部下切;依據沖刷下切速率可劃分為迅速下切和緩慢下切。野外調查發現，河溝床局部下切對長輸管道的危害程度大于整體下切;河溝床一次性迅速下切對長輸管道的危害風險遠大于長期緩慢下切。

2.2 河溝床淤積抬升

當淤積占據主導地位時，河溝床將持續抬升，同時降低河溝道切割深度，因其發育速率緩慢，可歸類為漸變性地質災害。河溝床淤積抬升多發生于緩傾斜細土平原區、盆地中部、泥石流堆積區等地帶。例如，輪南—庫爾勒輸油、輸氣管道穿越輪南一帶，地處塔里木盆地西北緣，地形平緩，河溝道縱比降2～5‰，水流緩慢，良好的沉積環境使得河溝床不斷淤積、抬升，不僅淤埋陰保樁等管道附屬設施，而且威脅跨越段管道安全。

2.3 岸坡坍塌

受河溝道自然擺動影響，兩側岸坡坍塌發育普遍，且規模不等。在渦旋水流長期側蝕、掏蝕、潛蝕等綜合作用下，凹岸多呈陡坡、陡坎、陡崖狀，重力侵蝕進一步加劇岸坡失穩發生坍塌、崩塌、滑坡等次生地質災害。野外調查發現，岸坡坍塌主要發育于黃土高原、低中山區和河溝谷地帶，嚴重威脅長輸管道穿越段、跨越段、順岸坡敷設段及其附屬設施等的安全。

3 長輸管道河溝道水毀危害特征

長輸管道河溝道水毀危害與其敷設方式之間的相對空間關系包括“交切”與“平行”兩種模式，可進一步劃分為長輸管道穿越河溝道、長輸管道跨越河溝道、長輸管道順河溝床敷設和長輸管道順岸坡敷設4 種類型。不同敷設方式下可能存在的河溝床沖刷下切、淤積抬升和岸坡坍塌等危害特征各異，進而對長輸管道的危害程度也不盡相同。

3.1 長輸管道穿越河溝道

長輸管道穿越河溝道是指管道通過大開挖、頂管等施工方法從河溝床底部通過河溝道，可細分為直交穿越和斜交穿越。相比之下，直交穿越管道受威脅長度最短，水毀防治費用較低，但受線路總體走向及區域環境的限制，部分穿越難免斜交河溝道。

長輸管道穿越河溝道時，河溝床沖刷下切可能導致管道埋深不足、局部出露或懸空(圖1);河溝床淤積抬升增加管道埋深，可能淤埋陰保樁等附屬設施;岸坡坍塌可能導致管道埋深不足或局部出露。在水流及其攜帶砂石的沖擊、摩損和碰撞等作用下，局部出露或懸空的管道可能會發生防腐層損壞、管壁局部凹陷、扭曲變形，甚至斷裂等現象。

3.2 長輸管道跨越河溝道

長輸管道跨越河溝道是指管道在套管、管橋等附屬構筑物的保護支撐下架空、高于河溝槽面越過河溝道的敷設方式，一般多采用直交最短線路跨越。長輸管道跨越河溝道時，河溝床沖刷下切破壞雖然持續發育，但不會對管道安全構成直接威脅。而河溝床淤積抬升會不斷降低跨越段管道的臨空高度，對后期高水位攜砂石水流過流時的沖擊、磨損、碰撞等危害構成隱患，也反過來影響到了河溝谷的過流能力(圖2);岸坡坍塌可能會導致跨越端兩側的管道埋深不足、局部出露或基礎不穩，其長距離懸空可能發生管段變形、拉裂等。

圖1 河溝床沖刷下切致管道懸空(2011年)Fig.1 Pipeline suspending resulting from river trenches bed scouring and cutting

圖2 高水位攜砂洪流沖擊致管道變形(2011年)Fig.2 Pipeline deformation resulting from high water level sand-carrying torrent shock

3.3 長輸管道順河溝床敷設

長輸管道順河溝床敷設時，其敷設段均有遭受河溝床沖刷下切、淤積抬升和岸坡坍塌危害的可能。同樣，河溝床沖刷下切可能會導致管道埋深不足、局部出露或懸空，在水流及其攜帶砂石的進一步沖擊、碰撞作用下，易發生防腐層損壞、管壁局部凹陷、扭曲變形、斷裂等(圖3);河溝床淤積抬升逐漸增加管道埋深，可能會淤埋陰保樁等附屬設施;岸坡坍塌可能會壓埋管道、損壞陰保樁等附屬設施。

圖3 溝道變窄引發高速洪流致管道出露、損壞(2013年)Fig.3 Pipeline exposure and damage resulting from high-speed torrent caused by the narrowing of river trenches

圖4 岸坡坍塌、后退逼近管道(2012年)Fig.4 Pressing on pipelines resulting from bank slope collapsing and retreating

3.4 長輸管道順岸坡敷設

長輸管道順岸坡敷設時，河溝床沖刷下切和淤積抬升一般不會直接威脅管道安全;岸坡坍塌、后退可能會導致管道局部出露、懸空、變形、斷裂等(圖4)。

4 管道河溝道水毀危害程度對比分析

綜上，河溝道水毀破壞方式、管道敷設方式及其與水毀點的位置關系等均能影響水毀點的危害程度。按層次分析法構造模型，將河溝床沖刷下切、河溝床淤積抬升、岸坡坍塌依次計為A1、A2、A3;長輸管道穿越河溝道、長輸管道跨越河溝道、長輸管道順河溝床敷設、長輸管道順岸坡敷設依次計為 B1、B2、B3、B4;二者組合為AiBj(i=1，2，3;j=1，2，3，4)，可簡化為Uij(i=1，2，3;j=1，2，3，4)。

4.1 判斷矩陣構造

采用Saaty 提出的層次分析法［10］，利用表2中1～9 標度進行評價因素兩兩比較，構建Uij判斷矩陣，結果詳見表3所示。

4.2 權向量計算

采用Matlab 進行計算，表3判斷矩陣最大特征值λmax=12.98，歸一化特征向量(權向量)W=(W11，W12，W13，W14，W21，W22，W23，W24，W31，W32，W33，W34)=(0.191，0.026，0.273，0.023，0.019，0.053，0.026，0.016，0.084，0.060，0.035，0.197)。依據權向量，長輸管道河溝道水毀危害程度由高至低依次為U13，U34，U11，U31，U32，U22，U33，U12，U23，U14，U21，U24。由此可見，管道順持續沖刷下切的河溝床敷設時，水毀危害程度最高;管道順岸坡敷設時，河溝床淤積抬升造成的危害程度最低。

4.3 一致性檢驗

判斷矩陣的可靠性或一致性采用一致性指標CI與隨機一致性比率CR來檢驗，詳見式(1)、式(2)所示。

表3 長輸管道河溝道水毀危害程度判斷矩陣Tab.3 Judgment matrix of waterlogging hazard degrees of long-distance river trenches

式中:CI為判斷矩陣一致性指標;CR為判斷矩陣隨機一致性比率;λmax為判斷矩陣最大特征值，取12.98;n為判斷矩陣階數，取12;

RI為平均隨機一致性指標，取1.54。

由上式計算得到一致性比率CR等于0.06，小于顯著性水平0.10，故判斷矩陣具有較滿意的一致性。

4.4 評價結果對比分析

當河溝床處于持續沖刷下切狀態時，不論管道是穿越河溝床還是順河溝床敷設均存在高危險性，可能在一次或數次洪水沖蝕作用下發生露管、漂管、斷裂等。故長輸管道建設期選線應盡可能繞避高危險區，無法繞避時應加強防護措施，確保管道安全運營。河溝道岸坡穩定、河溝床淤積抬升區域，管道順岸坡敷設危險性最低，為最佳線路。

5 結論

(1)河溝道水毀是長輸管道沿線最為發育、風險性較大的地質災害類型之一。

(2)河溝道水毀危害方式包括河溝床沖刷下切、河溝床淤積抬升和岸坡坍塌3 類。

(3)長輸管道河溝道水毀危害與其敷設方式之間的相對空間關系可劃分為管道穿越河溝道、管道跨越河溝道、管道順河溝床敷設和管道順岸坡敷設4 類。類型差異導致河溝床沖刷下切、淤積抬升和岸坡坍塌危害特征各異，近而對長輸管道的危害程度也不盡相同。

(4)采用層次分析法，進行不同敷設環境下長輸管道河溝道水毀危害程度對比分析，得到管道順持續沖刷下切的河溝床敷設時，水毀危害程度最高;管道順岸坡敷設時，河溝床淤積抬升對其危害程度最低。

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