燃气长输管道水工保护课题研究

目录

目录 (1)

摘要 (2)

1 管道水工保护设计的起源和发展 (3)

2 管道遭受水害的各种现象、原因及水工保护方案 (4)

2.1 水工保护方案 (4)

2.1.1稳管措施 (4)

2.1.2 打桩加固 (4)

2.1.3 锚筋加固 (4)

2.1.4 过水堤 (5)

2.1.5 护坡 (5)

2.1.6丁坝、顺坝 (5)

2.1.7 挡土墙 (6)

2.1.8截水墙 (6)

2.1.9 排堵结合的方法 (6)

2.1.10 防沙格 (6)

2.1.11 固定墩 (7)

3 黄土单元、山地单元及河流单元经常采取的水工保护措施 (8)

3.1黄土单元 (8)

3.1.1黄土单元挡土墙的适用范围及条件 (8)

3.1.2湿陷性黄土地区的处理措施 (9)

3.1.3黄土冲沟的治理 (10)

3.1.4黄土滑坡、滑塌和崩塌的治理； (12)

3.2山地单元 (13)

3.3河流单元 (13)

4 结论 (16)

摘要

管道水工保护通常指在穿越河流、冲沟、黄土地、河谷、沙漠等复杂地形地貌或地质条件部位时，根据水文地质特点对管道采取的安全保护措施，同时水工保护也是一种重要的环境治理措施，是管道建设中水土保持的重要组成部分；本文根据长输管道工程建设中经常遭受水害的实际，分析其原因，并由此提出对长输管道相应的水工保护方案。

关键词：输气管道工程、水土流失、水工保护、设计方案

1 管道水工保护设计的起源和发展

长输管道的水工保护，对保障输气管道长期、安全、平稳运行起着重要作用。纵观管道工程水工保护的设计历史，最早脱胎于管道工程线路构筑物以及特殊地段的技术处理，比如四川石油勘察设计研究院（以下简称四川院）所编制的“建川-2050”图集主要用于石方段山区以及水田、陡坎的地貌恢复，该类图集在特定的地理条件和施工方法下，在相当时期内对管道线路构筑物设计起到了有效的指导作用，并且在管道沿线的水土保持方面起到了显著效果。20 世纪90 年代初期，随着长庆气田的开发，最早有针对性地进行较具规模的水工保护设计工作，始于靖边-西安输气管道工程设计，当时对黄土地区的水害治理方法借鉴了公路部门的设计经验，编制了“建-2103”，但该图集仅对一般性灰土构筑物进行了设计探索；作为一种有益的尝试和起步，使后来的陕京管线在水工保护设计工作方面得益非浅。鉴于陕京管线建设、运营的重要性，四川院在陕京管线施工过程中选派了水工保护设计小组到施工现场，针对局部水工保护的重点和难点地段进行了现场设计，其它一般地段的施工采用图集“建-2466”和“储-2162”，这两册图集分别针对大口径、长距离输气管道在石方段和土方段的水工保护设计。经过陕京管线自身和后来建设的类似工程的工程实践，上述两本图集设计成熟可靠，实际使用效果较好。

2 管道遭受水害的各种现象、原因及水工保护方案

（1）管沟沉降和塌陷

管沟沉降主要是由于盐渍土地基遇水产生冻胀作用和松胀作用引起的，管沟塌陷主要是由湿陷性黄土地基和流水侵蚀共同作用下形成的。

（2）水流侵蚀、冲沟下切、溯源侵蚀导致管道暴露、悬空。

（3）在暴雨作用下影响管道安全的边坡滑塌。

（4）覆盖层上部被径流冲刷，管道暴露。

（5）管道横穿河流、沟谷，管沟遭受横向破坏，使管线暴露。

2.1 水工保护方案

2.1.1稳管措施

管道在穿越江河湖泊及大型农田灌区时，一般要采取稳管措施，以防止在水的冲击与浮力作用下管线漂移或断裂。主要形式有复壁套管、压重块、混凝十连续覆盖层、铁丝石笼稳管等。在冲刷剧烈的河段中，这些稳管设施若没有固定，则极有可能被水冲击而移动，不但不能对管线起到稳定作用，还会给管线带来一个更大的外加载荷，增大管道的扭应力。

2.1.2 打桩加固

目前，许多管道敷设的土质构造各不同。不稳定灌区，水土易出现沉降、稀化现象，应尽量采用沉管措施。但在深谷穿越段和石方段，不具备此类条件，就需要采取打桩加固法或掘岩深埋法，以保证管道的合理埋深以及稳定敷设。打桩固定最终是将管线固定于混凝土预制桩上，这种结构的整体抗冲击能力强，稳定性能好，但管线外防腐层易受冲击损坏，因此最好再配制外防护套管加以保护。

2.1.3 锚筋加固

当管线敷设在有基岩层的山区河道时，由于管沟开挖破坏了基岩原有的整体性，管沟的回填土即使采用混凝土护面保护，在高速冲击的水流作用下也会被冲走，使管线裸露、浮移。在这种情况下应采用钢筋混凝土护面加锚筋加固的方法，

将管道紧紧地嵌固在基岩中。另外混凝土护面应与河床面保持齐平，使河水平缓流过，而不产生拦水面，以防在不平处产生气蚀现象。

2.1.4 过水堤

采用过水堤主要是为阻止沟谷与河道的继续下切，迫使堤上游河道挟沙淤积起来，保证管道埋深。由于这种水土保护设施提高了原有河床面，在管道下游根部形成跌水面，这样势必对管道下游形成冲刷：故此要对其根部进行消能防护。黄土地区基础比较松软，其侧蚀和塌陷情况也存在，故要对两侧边坡作防护处理。如采用石笼、抛石保护墙等。在岩石或砾石沟谷、河道中采用砌石结构时，其基础最好下至稳定的岩层上，以保证其坚固性。否则就需要采取深埋措施，以保证管道的安全性。

2.1.5 护坡

主要形式有沙浆砌石护坡、石笼护坡、灰土墙护坡、植被护坡等。水泥浆砌石护坡适用于基础比较坚硬、常年受水冲刷易塌陷等部位：石笼护坡柔性大，工艺简便，可适应不均匀沉降，冲击较小，冲击面坡度较缓的软土地基段：灰土墙护坡抗雨水冲击力强，适用于黄土冲沟两侧的防护，其施工质量要求较高，工艺技术含量也较精确；植被护坡常用于陡坡，陡坎段的管沟或易流失的沙化地带，草皮一旦长成，就可以恢复因挖管沟而破坏的生态平衡，减缓地表径流速度，起到挡沙固土作用。

2.1.6丁坝、顺坝

管道在变道穿越河流时其穿越处的凹岸受冲刷比较严重，通常有向内塌陷的趋势，迫使管道产生裸露现象。在这种情况下的水工保护，一方面应在管道上游一定距离内做顺坝以改变水流方向，减轻水对岸堤的冲击力：另一方面还要在凹岸处做防护墙防止水流冲刷。这类丁坝、顺坝应根据河面水流走向和河床结构而定，在平面布置时一定要控制好方向，否则就起不到改变水流方向的作用，甚至还会使水流冲击作用增强，使其对岸堤的损坏程度变得更加严重。

管道经过沙漠地带、灌区、黄土层带等土体不稳定地段，需要采用挡土墙进行保护。挡土墙的基本形式有浆砌石挡土墙和灰土挡土墙，浆砌石挡土墙宜建在基础较坚硬的地层上。在易塌陷段上或因采挖而形成的滑坡地段，采用何种结构形式应视所处位置和地理条件而定。同时要进行力学计算，一般在长度15～20 米处设沉降或膨胀缝，间隔 2 米设一个排水孔。挡土墙内侧填土要分层夯实。灰土挡土墙适用于黄土、软土地区，且水位较低滑坡较缓处。

2.1.8截水墙

在陡坡、陡坎地区敷设管线时，冈坡度较陡，管沟回填土难以稳定，易被雨水冲走，从而形成顺沟冲刷。通常在管沟内每隔一定距离做一道截水墙，其类型有垂直截水墙利分段砌筑截水坎。垂直截水墙从管底做起并露出地表适当高度，以便将坡面汇水排离管道两侧：分段截水坎是沿管道高线方向在管道上部一定间隔范围内采取的一种分水设施。当坡面较陡且较长时还可在管沟表面补做水泥浆砌石护面或移植草皮来加强防护。

2.1.9 排堵结合的方法

排堵结合的方式可以有效地控制管线附近水流方向，使其不致对管道造成危害。这种方式一般要视地形情况而定，对流经管道附近的一些冲沟，如果在其上游远离管道处有可以排水的通道，则可以切断上游来水，采用引水挡坎将水流引走，使管道附近的水流消失或流速减缓。或采用水泥浆砌石护壁，护坡将整个管线包围在砌石面之内，在间隔一定距离修筑排水沟，将沿管线护面流下的水引至管道之外，这样也可以达到防护的目的。

2.1.10 防沙格

当管线途经沙漠地带时，由于其地理位置和气候条件所限，其交通运输水源有限，同时风沙较大，风力很容易将管沟上的浮沙刮走使管道裸露。其次，在暴雨期洪水更容易将管沟内的浮沙冲走，使管道架空浮移，产生一定的径向扭应力，这样很容易形成断管事件的发生。为防止这些自然灾害的侵犯，人们采用防沙草格将管线上的浮沙与周围的沙土固定在一起，同时在管线上的沙土上种植一些耐旱的沙漠植被以防沙土流失。

在坡降大或其它易造成滑坡的沟谷、陡坡地段，由于地形刁；稳定，或在洪水的冲刷作用下易产生塌陷，同时管道在自身的重力作用下容易架空裸露，而且产生很大的轴向拉应力，可能形成暴管事件，这就要求在管线等高线方向上修筑固定墩。固定墩必须修筑在坚定的基准岩石或黄土层之巳将管道牢固地包嵌在地层之中，以消减可能产生的拉应力。

3 黄土单元、山地单元及河流单元经常采取的水工保护

措施

3.1黄土单元

典型危险段的治理措施包括以下几个方面：

直接措施：截水墙、挡土墙、混凝土稳管、护岸、护坡等。

间接措施：防冲墙、淤土坝、挑流坝、谷坊等。

刚性结构：混凝土、浆砌石等结构；

柔性结构：散体材料为主的结构，如干砌石、石笼、草袋、卵石栽砌护面、土工格式、植被种植、鱼鳞坑等。

在高陡边坡采用多级袋装土护坡时，采用一定间距的短木桩加固，对护坡结构的整体稳定性起到一定的加固作用。

采用草袋挡土墙进行较高地坎的恢复，在黄土地区应用较为普遍，造价低廉，对地基条件要求不高。

黄土地区线路水工保护工程实施原则:在黄土地区管道水工保护应采取水工

构筑物和植保相结合的措施，以起到事半功倍的作用。在管道附近种植当地适

宜生长的植物，管道3m外可种植柠条等灌木，加强吸收雨水及促进雨水的下渗，避免产生陷穴、漏斗、落水洞等，同时在必要地段设置截、排水沟，将汇

水引流至对管道安全无影响处消能排放。

3.1.1黄土单元挡土墙的适用范围及条件

挡土墙设计应考虑湿陷性黄土地区等级。为消除地基湿陷量，可采用3:7灰土桩密地基，灰土桩桩径为φ400，桩距采用2.5d—3d(d为桩直径),桩深视具体地质条件确定，桩底在填料前必须夯实，填料时，宜分屋回填夯实，其压实系数不小于0.95。挤密桩的孔位按梅花形布置。

灰土桩挤密法处理地基的宽度要求：

当为整片处理时，每边超出建（构）筑物基础外边的宽度不小于处理层厚度的一半，并不小于2m。

当为局部处理时，每边超出基础外边的宽度（b）：

非自重湿陷性黄土场地：b=0.25x基础宽度，且b≥500mm。

自重湿陷性黄土场地：b=0.50x基础宽度，且b≥1000mm。

当挡土墙修建在陡峻山坡上，且地基为坚硬完整、抗压强度大于30Mpa的岩石时，可采用台阶型基础。

基础埋置深度：对一般土质地基，应保证开挖后的地基面土质实密，稳定性和承载力均满足后，其埋置深度不宜小于500mm。

基础受冲刷时，埋置深度应在冲刷线1m以下。

基础置于冻胀土时，埋置深度应在冻结线以下不小于250mm，同时不小于1000mm。

挡土墙应根据附近地形、地貌及水体浸入情况，修建截水沟、排水沟或封闭地表等措施，防止水体浸入到破裂体内。同时根据填料透水性能设置泄水孔、墙背反滤层。如有地下水，应设置排盲沟，泄水孔孔径为100mm左右，沿墙高和墙长每隔2—3m梅花形布置。

变形缝宽度20—30mm，沿内墙的内、外、顶三边填塞沥青麻筋或涂沥青木板。塞入深度不小于200mm。同时墙顶用M10水泥砂浆抹平，厚度为20mm。

填料宜选用3:7灰土分层夯实；在季节性冻土地区，不应选用冻胀性填料。

挡土墙的安全等级按二级考虑，施工质量控制等级为B级。

3.1.2湿陷性黄土地区的处理措施

黄土地区对管线工程形成的危害的侵蚀方式主要是由降雨所造成的水力侵蚀和重力侵蚀。

沟蚀是对管线工程危害最为严重的侵蚀方式之一。沟底下切、沟岸扩展和沟头前进，是各类沟共有的侵蚀方式，对管道来说也是最具有威胁力的三种破坏方式。

重力侵蚀的主要方式有滑坡、滑塌和崩塌等，若管道所敷设的斜坡发生上述灾害现象，土体会推动管道向地势低的方向移动，管道极易破坏。

由于湿陷性黄土地区管道水工的保护的特殊性和区域性，在施工中一定要根据实际地形情况，因地制宜，并考虑管沟开挖后地形情况的改变，选取适宜和有效的线路构筑物。以下提出了黄土地区典型危险段的治理措施，供施工参考：黄土湿陷性的治理：

管沟的回填：回填土应分层夯实，在管道上方0.5m以下应仔细回填，并在管道两侧对称地同时进行，防止管道产生位移和断裂，压实系数不低于0.93。其它部位回填土的压实系数不小于0.9。回填料可选用黄土、其它粘性土和灰土（体积比3:7或2:8），在最优含水量状态下，分层（以30cm一层为宜）夯实至设计标高。

沟底地基湿陷性消除：沟底设置30cm厚的灰土垫层，压实系数不小于0.94。黄土微地貌的治理：

黄土微地貌形态是指发育初期的黄土喋形洼地、黄土陷穴、盲沟、出水口、黄土井、黄土桥、水涮窝、潜蚀沟等地貌，以及罕见的黄土墙、黄土柱这些发肓晚期的地貌。

治理措施具体有以下几种：

导：设置挡水墙、截排水沟，将汇水排离危险区；

堵：采用灰土夯实，堵塞黄土喋形洼地，黄土陷穴、盲沟的进、出水口；

填：采用经夯实处理的黄土、灰土，堵塞规模较大的黄土洞穴、天生桥等易崩塌的危险段；

管线深埋：将管线埋入相对稳定的隔水层，可以有效地减缓地表径流的冲刷；

阻水墙：在管线遭受水力冲刷的上流位置，设置阻水墙使阻雨水就地下渗可以大大减缓水力对管道的破土，也可利用管沟自身位置设计阻水墙，可采取浆砌石或夯实灰土的方法。

3.1.3黄土冲沟的治理

管道线路附近冲沟的治理：对于管道中心距冲沟头较近（5m左右），填方量不大的小型冲沟采取修筑挡土墙，灰土回填的措施。如下图；

挡土墙

对于管道中心距冲沟头5m以上，冲沟头平均深度大于4m，填方工作量较大的冲沟治理采取沿沟顶部边缘设置阻水墙或截水沟的处理方法，以防止地表径流侵入岸坡的节理，抑止冲沟继续发肓。如下图；

管道穿越冲沟头的治理：对于冲沟头植被条件很较好，深度小于（<3m），沟头稳定的冲沟，采取沿沟顶部边缘设置阻水墙或截水沟的处理方法，以抑止冲水沟继续发肓。

对于冲沟边坡较稳定，但沟底植被条件较差，冲沟深度可能有下切的情况，除了设置阻水墙或截水沟以外，还要在管线下游一定位置设置地下防冲墙（浆砌石结构），淤土坝（灰土夯实）等拦淤泥措施，抬高冲沟底部侵蚀，防止冲沟底部深切发肓，如下图；

3.1.4黄土滑坡、滑塌和崩塌的治理；

结合具体的地形、地貌和地质条件，可以采取削访降坡、挡土墙、护坡等措施。同时做好导流排水措施，以防止水力侵蚀造成土坡的滑坡、滑塌和崩塌,

3.2山地单元

山地管道敷设的危害主要有：

滑坡、崩塌、水流冲刷等。治理措施有：灰土护壁、条石护壁、挡土墙、截土墙、修建排水沟等水工保护措施等。

3.3河流单元

长距离管线经常与河流交叉，处理交叉的施工措施主要分为穿越和跨越。所谓穿越就是将管道从河底穿过，就管线的水工安全来看，这种穿越工程显然有两方面问题；一是当河流河床持续冲刷下降时，原来埋设在河床下面的管道有可能裸露悬空，水流冲刷导致管线断裂，水工保护就是防止河床的持续冲刷；二是河床的侵蚀后退使管道爬伸段裸破坏，则需要保护河岸，避免持续后退导致管线外露进而威胁管道安全。所谓跨越是指将管道架空，不与河床发生关系，这种跨越

管道的水工保护主要是防止河岸后退，危害两岸管道支撑建筑物的安全。另外，还有一类很特殊的由水流冲刷形成的水工保护问题，管线与河流不相交，但由于河岸侵蚀，河流摆动，一定条件下也有可能使原来埋设于地下的管道重新裸露，造成架空出现。

治理措施：

1、对河床地质良好地段，采用浆砂砌石结构形式护岸。对河床地质不良好地段，采用三体材料形式的石笼基础结构护岸；

浆砂砌石结构形式护岸（形式1）

浆砂砌石结构形式护岸（形式2）

2、为消除或减缓弯道河流的顶冲作用对河岸形成的淘蚀，应在管线上游位置设置丁坝挑流；

3、对下切作用强烈的河床，应在管线下游一定位置设置地下防冲墙；

地下防冲墙

4、为防止某些特殊河床段中大块卵石的冲撞作用，应采用砼护管或砌石措施。

4 结论

长输管道经过地段的地形、地貌、地质结构一般较为复杂，所以选线时，管线应尽量走山脊或平坦地区，交通方便之处，避开易遭水害地段；必须采用水工保护措施的管段，是由一项水工保护措施单独使用还是由几项水工保护措施组合使用，需根据具体条件决定。同时水工保护是一项长期的工作，需要从思想上高度重视，施工上严格要求，质量上严格把关，同时要作好巡查工作，做到汛前预防，汛期观察，了解水情，汛后及时检查，发现问题及时补防。