山區管道工程坡面徑流防控設計及截排水體系

周大淜, 羅 揚, 葛 華, 郭涵宇, 王棠昱

(1.中國石油工程建設有限公司西南分公司,610095,成都;2.國家管網集團西南管道有限責任公司,610095,成都)

我國地形復雜、自然災害頻繁,水毀災害是威脅山區油氣管道安全最主要的地質災害類型,約占總災害數量的70%[1-2]。在山區、丘陵區、黃土區建設的管道水毀現象十分嚴重,尤其在管道剛建成一兩年內頻繁發生[3]。管道施工破壞作業帶地表植被、土壤結構和坡面水系,導致雨季侵蝕溝在坡面迅速發育引發劇烈的土壤侵蝕[4],侵蝕溝持續發育最終導致作業帶構筑物損毀甚至管道露空。徑流是導致坡面水毀及水土流失災害發生的主要因素。

胡道華[5]總結黃土地區管道工程水工保護實踐經驗并提出阻水和疏水的理念——設置阻水梗、截水溝、灰土擋墻等構筑物用于黃土沖溝溝頭治理。李永軍等[6]對靖邊、延川黃土地區管道沿10°～25°順坡敷設作業帶間,隔5～10 m設置灰土截水墻、灰土排水溝,將坡面徑流引至管線兩側安全地帶。王鴻等[7]分析山區管道水土流失原因,采用塑料排水板用于坡面作業帶排水具有較好的經濟效益;還分析土質坡面侵蝕機理及對管道的危害,認為采用土工格室治理土質坡面,治理水土流失效果良好[8]。林銘玉[9]通過對生態袋在山區長輸管道中的應用研究,提出順坡敷設作業帶及設“非”字型排水溝將坡面徑流引出作業帶。

油氣管道行業已開展了大量坡面徑流防控研究工作。根據近幾年坡面水毀治理實踐,發現一些管道區段存在防護過度,如順坡作業帶設置密集的大尺寸阻水?；蚪厮疁?其過流能力遠超設計流量;另一些管道區段防護不足,如作業帶缺乏必要的截排水設施,造成坡面劇烈水土流失。筆者對公路、鐵路、市政、水土保持、油氣管道等行業設計標準規范有關坡面截排水設計標準、設計理念、設計洪水計算方法進行對比研究,并選取南方濕潤地區8個典型山區管道作業帶坡面進行水文計算分析,探討管道工程坡面徑流防護標準,提出管道順坡敷設、橫坡敷設截排水體系設置要點,為山區管道水工保護及水土保持工程實踐提供參考。

1 坡面徑流防控對標分析

1.1 坡面截排水設計標準對比分析

筆者對公路、鐵路、市政、水土保持、油氣管道等行業關于坡面截排水設計標準進行統計(表1)。鐵路、公路、市政及水土保持行業規范均根據不同工程等級及防護對象分別制定坡面截排水設計標準,其主要從工程重要程度、水毀造成的后果、修復難度以及工程造價等方面進行綜合考慮。根據規范,油氣管道工程地表排水設計降雨重現期宜為15～20 a,防護標準較為單一。

表1 坡面截排水設計降雨重現期對比表Tab.1 Comparative statement of designing rainfall recurrence interval for slope interception and drainage

管道順坡敷設,坡面截排水溝主要用于控制管道埋設初期裸露作業帶坡面水土流失。經過2～3 a林草植被恢復達標后,土壤侵蝕得到控制坡面趨于穩定。因此建議坡面截排水設計降雨重現期取 3～5 a。

管道橫坡、斜切坡敷設,作業帶施工擾動面將長期受到上坡側徑流沖刷,對管道安全運行及水土流失均有較大影響,需提高截排水設計標準。黃土地區土壤抗蝕抗沖能力差,管道經過溝頭、腰峴、高陡邊坡時作業帶截排水也應適當提高設計標準。國家干線管網事關能源安全、服役期長、穩定性要求高,多采用DN 800～DN 1200大口徑管道,作業帶寬度 18～32 m,多采用全自動焊接工藝。山丘區需要修筑施工便道與作業帶降坡才能滿足焊接設備正常施工[10],作業帶擾動面大水土流失風險高,建議設計降雨重現期取20～30 a。供氣支線管道、油氣外輸管道管徑多為DN 200～DN 800,作業帶寬度12～18 m,出現水毀造成社會影響及危害相對有限,建議設計降雨重現期取15～20 a。油氣集輸及氣田水管道管徑多為DN 80～DN 200,作業帶寬度6～14 m,這類小口徑管道施工擾動范圍小破壞程度輕,服役期較短油氣藏枯竭后將停止使用,管道出現水毀后停產維修也較為方便,建議設計降雨重現期取10～15 a。

1.2 坡面截排水設計理念對比分析

筆者對公路、鐵路、市政、水土保持、油氣管道等行業關于坡面截排水設計理念進行統計(表2)。公路、鐵路行業均從地表排水、地下排水、路面排水等方面進行規定,總體理念是排除地表水、地下水,維持路面、路基及道路邊坡的穩定與安全,確保道路正常使用,具有很大的類似性。

表2 坡面截排水設置理念對比表Tab.2 Comparative statement of design concept for slope interception and drainage

市政行業旨注重科學設計室外排水工程,落實海綿城市建設理念,防治城市內澇災害和水污染,改善和保護環境,促進資源利用。雨水系統和污水系統,應相互配合、有效銜接,從源頭到末端全過程管控。

水土保持行業明確流域治理中坡面防護和梯田保護截排水工程設計要點,強調根據氣候條件選擇多蓄少排型、少蓄多排型及全排型坡面截排水體系,合理利用水土資源用于農業生產或促進植被恢復。

油氣管道行業針對管道工程特點,提出在順坡敷設、橫坡敷設的管溝內設置截水墻防治管溝內地下潛流侵蝕。對管道橫坡敷設、順坡敷塹頂坡面及黃土溝頭匯水進行截排,并對截排水構筑物做出要求。坡面整治中提出使用水平溝、魚鱗坑、坡面種草、植生帶等措施攔蓄徑流促進植被恢復減少水土流失。

在具體截排水構筑物設置要求上,各行業關于坡面截排水溝的坡比、消能等要求基本一致。鐵路、公路行業對截排水構筑物采用的建筑材料要求相對較高,主要以漿砌石、混凝土等剛性材料為主。水土保持和油氣管道行業截排水建筑材料更為多樣,除漿砌石、混凝土外還可以采取素土夯實、灰土夯實、生態袋等形式。

山區管道敷設初期裸露作業帶極易受到徑流沖刷,嵌頂坡面和溝頭截排水溝、管溝截水墻在一定范圍內起到防治土壤侵蝕的作用,但對廣泛的作業帶坡面水土流失而言防護不足。為防治作業帶植被恢復前坡面水土流失,為植被恢復及管道安全運行奠定基礎,建議分類明確管道順坡敷設、橫坡敷設作業帶截排水設置要求,并結合項目區降水量采用多蓄少排型和少蓄多排型截排水體系。

1.3 坡面徑流設計洪水計算方法

小流域及坡面匯流面積較小,一般不具有水文觀測數據,在工程實踐中通常采用暴雨資料推求設計洪水。根據陳楓[11]、伍斌[12]、王博[13]的研究,暴雨資料推求設計洪水主要有地方單位線法、經驗公式法和推理公式法等3種方法。地方單位線法和經驗公式法主要由各省市根據當地暴雨洪水多年觀測資料擬定,以計算中小流域設計洪水為主,具有較強的地域性,可通過查閱地方水文手冊獲得。TB 10001—2016《鐵路路基設計規范》、JTGT D33—2012《公路排水設計規范》、GB 51018—2014《水土保持工程設計規范》中坡面設計洪水計算均采用簡化推理公式:

Q=16.67ψqF。

(1)

式中:Q為設計徑流量,m3/s;ψ為徑流系數;q為設計重現周期和降雨歷時的平均降雨強度,mm/min;F為匯水面積,km2。

GB 50014—2021《室外排水設計標準》也采用簡化推理公式計算設計流量,其形式如下:

Q=q′ψF′。

(2)

式中:q′為設計暴雨強度,L/hm2·s;F′為匯水面積,hm2。

通過對比可以發現,式(1)、式(2)為簡化推理公式,系數不同由兩公式變量單位差異導致。該公式核心在于計算設計暴雨強度q。設計暴雨強度根據設計降雨歷時和重現期通過暴雨圖集、暴雨公式、或實測暴雨資料推求。降雨歷時已經包含坡面地表覆蓋情況、坡度、坡長等水文要素對匯流的影響,其計算公式如下:

(3)

式中:t為坡面匯流歷時,min;m1為地表粗度系數,可根據坡面附作物情況查表取得;Ls為坡面流的長度,m;is為坡面的坡度,以小數計。

SY/T 6793—2018《油氣輸送管道線路工程水工保護設計規范》坡面設計洪水采用推理公式全面匯流條件進行計算,公式如下:

(4)

式中:HD為某設計頻率的雨力,mm/h;τ為匯流時間,h;n為暴雨遞減指數;μ為損失參數,mm/h。

對于匯流時間τ,按下列公式計算:

北方:

(5)

南方:

(6)

式中:K1,K2,α1,α2,β1均為系數,量綱為1,根據地理位置表查得;L為主溝長度,km;J為主溝底縱坡,以小數計。

式(5)、(6)用于計算帶主溝小流域匯流時間τ,不適用于計算坡面匯流歷時t。管道作業帶坡面徑流無主要溝道、匯流面積小甚至不足1 km2,采用式(1)、式(2)計算設計徑流量更具合理性。

2 山區管道坡面截排水體系探討

2.1 典型坡面水文計算

筆者根據工程建設實踐選取南方濕潤區廣東揭陽普寧市粵東LNG一期項目、浙江寧波北侖區甬紹線管道工程、四川廣元蒼溪縣中貴線與元壩-普光管道聯絡線工程、重慶市潼南區川氣出川二線管道工程等4個工程8個典型作業帶坡面采用式(1)進行水文計算。首先根據項目所在地暴雨圖集得出特征暴雨(表3),根據管道測繪圖整理出典型坡面特征參數(表4、表5),再計算典型坡面設計徑流量(表6、表7)。

表3 項目所在地特征暴雨統計Tab.3 Statistics of characteristic rainstorms at the project sites

表4 典型順坡敷設坡面特征Tab.4 Characteristics of typical along-laying slopes

表5 典型橫坡敷設坡面特征Tab.5 Characteristics of typical cross-laying slopes

表6 典型順坡敷設坡面各頻率流量計算Tab.6 Flow calculation of each frequency on typical along-laying slope

表7 典型橫坡敷設坡面各頻率流量計算Tab.7 Flow calculation of each frequency on typical cross-laying slope

通過特征暴雨分析發現,廣東普寧縣、浙江北侖區、四川蒼溪縣、重慶潼南區5 a一遇10 min平均降雨強度分別為2.64、2.56、1.77和2.26 mm/min,這根據GB 51018—2014《水土保持工程設計規范》附錄A通過內插法讀取的值基本一致。根據規范查圖北侖區位于2.0 mm/min等值線附近,但通過浙江省暴雨圖集為2.5～2.6 mm/min,其精度有較大提升,在實際工程中應盡量采用當地暴雨圖集查閱參數以提高計算精度。

管道順坡敷設作業帶坡面徑流垂直等高線向下逐漸匯流,匯水面呈條帶狀受作業帶寬及坡長控制。四處典順坡匯水面積為0.004 4～0.008 3 km2,P=5%匯流量為0.11～0.20 m3/s,若將坡面按30 m間距設置截水溝則對應流量約為0.01～0.02 m3/s,按照50 m間距設置截水溝則對應流量約為0.02～0.04 m3/s。管道橫坡敷設作業帶承接上坡側匯水,匯水面受管段長度及管道至上坡分水嶺坡長控制,呈面狀。四處典型橫坡匯水面積為0.057～0.128 8 km2,P=5%匯流量為0.84～3.10 m3/s。橫坡作業帶上坡側來水在匯流過程中受微地形影響逐漸向坡面低洼地段及微型溝道匯集,30 m長作業帶控制流量約0.12～0.20 m3/s,50 m長作業帶控制流量約0.19～0.34 m3/s。管道橫坡敷設、順坡敷設等距離分段坡面匯流量相差約8～10倍,這也是管道橫坡敷設通常造成更為嚴重的水土流失原因之一。

2.2 坡面截排水體系探討

山區管道作業帶土壤侵蝕受到坡度、坡長、土石比等下墊面條件以及降雨強度、匯流量等氣象水文因素雙重影響[14]。坡面放水沖刷試驗表明侵蝕量與放水沖刷量之間呈現極顯著正相關[15],裸露坡面如不及時有效地防護,不僅造成嚴重水土流失還可能誘發次生地質災害,對周邊地區水土資源和工程本體造成巨大危害和破壞[16]。坡面植被恢復通常需要較長時間,工程建設初期主要靠坡面截排水措施來控制土壤侵蝕。

史冬梅等[17]、牛耀彬等[18]、丁文斌等[19]通過野外沖刷試驗深入研究紫色土、黃土、煤矸石等工程堆積體坡面徑流對土壤侵蝕的影響。根據其研究結論,試驗條件下放水流量10 L/min產沙率較小紫色土地區大致0～100 g/(m2·min),10～15 L/min放水量產沙率約200～500 g/(m2·min),在20 L/min形成突變產沙率達到1 500～3 000 g/(m2·min),持續10 min放水便可造成整個坡面劇烈侵蝕,20 L/min放水流量可視為坡面徑流造成土壤侵蝕的拐點。

將典型坡面設計流量折算到試驗條件下的放水流量,以20 L/min放水流量為拐點探討作業帶截排水設施設置的合理性。順坡敷設作業帶按截水間距20、30和50 m將坡面徑流折算為放水流量(表8)。順坡作業帶主要防治恢復初期坡面徑流沖刷,設計頻率宜按照P=33.3%進行控制。經計算,截水間距為20 m時折算放水流量為13～19 L/min,間距為30 m時折算放水流量為19～29 L/min,為合理控制坡面徑流,順坡敷設截水溝間距取25～30 m為宜。間距為50 m時區間折算放水流量為31～48 L/min,將誘發作業帶劇烈土壤侵蝕。截水溝尺寸可按P=5%頻率降雨30 m長作業帶匯流量0.01～0.02 m3/s進行設計,一般情況下0.3 m×0.3 m簡易截水溝即可滿足要求。

表8 典型順坡敷設坡面不同截水間距放水流量折算Tab.8 Conversion of water flows for typical along-laying slope at different intercepting intervals L/min

橫坡作業帶將長期受到上坡側徑流沖刷,一般管道設計洪水頻率可按P=5%進行控制,坡面徑流折算為放水流量(表9)。根據分析,P=33.3%、P=5%暴雨條件下各坡面折算放水流量均已遠超20 L/min,此時將導致作業帶產生劇烈水土流失。

表9 典型橫坡坡敷設坡面放水流量折算Tab.9 Conversion of water flow for typical cross-laying slope L/min

橫坡作業帶長期受到上游匯水沖刷并在局部匯集,最終可導致作業帶嚴重水土流失、水工構筑物損壞甚至管道露空。因此應在作業帶內側或上坡側設置永久性截排水溝,并結合微地形分段導入下游,斷面尺寸應根據水文計算確定。

綜上,山區管道順坡敷設與橫坡敷設坡面徑流具有較大差異。南方濕潤區雨量充沛,管道順坡宜間距25～30 m分段設置水平截水溝、阻水梗截斷坡面徑流,避免匯集造成沖刷。構筑物尺寸不宜過大,可采用素土夯實、生態袋等結構形式,待作業帶植被恢復后該類截水設施將逐漸完成其使命。管道橫坡敷設,作業帶上側匯流量大坡度陡沖擊力強,整個管道服役期均受到徑流沖刷。應充分考慮坡面徑流的影響,在作業帶內側設置截排水溝,將坡面徑流分段引入下坡側。截排水溝斷面尺寸應根據水文計算確定,并考慮一定耐久性,宜采用漿砌石、混凝土等結構形式。

在北方干旱、半干旱地區應因地制宜,采取多蓄少排型截排水措施體系,采用截水溝、竹節溝、阻水梗、魚鱗坑、水平階等不同形式,達到阻斷水流的目的。此類截排水措施體系有待進一步根據工程實踐經驗總結。

3 結論

1)通過對公路、鐵路、市政、水土保持等行業規范坡面徑流防控標準對比分析,提出管道工程坡面徑流防控設計建議,管道順坡敷設設計降雨重現期取3～5 a,管道橫坡敷設設計降雨重現期口徑≥DN 800管道取20～30 a,≥DN 200～DN 800中小口徑管道取15～20 a,口徑

2)根據南方濕潤區典型坡面水文計算,P=5%頻率降雨在管道順坡敷設30 m長作業帶匯流量為0.01～0.02 m3/s,在50 m長作業帶流量為0.02～0.04 m3/s,管道橫坡敷設在30 m長作業帶上坡側匯流量為0.12～0.20 m3/s,50 m長作業帶上坡側匯流量為0.19～0.34 m3/s。典型坡面管道橫坡敷設、順坡敷設等距離管段坡面匯流量相差約8～10倍。管道橫坡敷設受到坡面徑流沖刷影響更大。

3)根據工程堆積體坡面沖刷試驗相關文獻及典型管道坡面水文計算分析,南方濕潤區管道順坡敷設作業帶截水溝間距取25～30 m較合理,區間匯流量約0.01～0.02 m3/s,斷面尺寸較小,耐久性要求低。管道橫坡敷設匯流量大沖擊力強,應根據水文計算確定截排水措施,并考慮一定耐久性,宜采用漿砌石、混凝土等結構形式。