中俄输油管道多年冻土区的水土保持问题及工程措施熊治文

1、V ol .29 N o .3 June 2010第 29 卷 第 3 期2010 年 6 月兰州 交 通大 学 学报J ou rnal o Lanzh ou J ao ong Un vers y文章编号:1001 4373(2010)03 0033 06输油管道多年冻土区的水土保持问题及工程措施, 2, 2渭2杨印海2 ,姜学田3熊治文 ,廖小平 ,唐,( .中国铁道科学, 北京0008 ;2 .,兰州 730000 ;西北科学3 .大庆石油管理局设计院, 黑龙江 大庆637 2)摘 要:多年冻土区输油管道工程的修建往往会对管道沿线环境造成很大的影响.在介绍输油管道工程特点的基础上, 分析了

2、多年冻土的存在对输油管道建设项目水土保持问题的特殊影响, 讨论了多年冻土区输油管道工程水土流失的成因及特点, 并根据管道工程建设的要求和特点, 提出了相应的防治原则和工程措施, 以保护工程建设区 环境.:多年冻土区;输油管道;水土保持;工程措施号:T U445 ;T E832文献标志码:A矮灌木和以塔头草为代表的草本, 在山坡为山杨和兴安落叶松组成的天然次生林, 植被郁闭度约 80 % 左右.由于郁闭度高 、林下枯落物及腐质层厚 , 地表入渗速率大 、水源涵养功能强、地表产流量小 .输油管道沿线发生的土壤侵蚀类型主要包括冻融侵蚀、水力侵蚀和风力侵蚀三大类 3 , 其中水力侵蚀占85 .7 %,

3、 是沿线主要土壤侵蚀类型, 其次是冻融侵蚀占 10 .6 %, 风力侵蚀占 5 .7 %.在我国普通地区修建的油(气)输送管道 , 水土流失问题呈现多发的态势, 其中经常出现的危及管线安全的水土流失问题有 :冲沟向源侵蚀导致管线1工程概况目前, 我国现有的多年冻土区输油管道仅有一条, 即格(格尔木)拉()输油成品油管道, 全长1 076 km , 干线直径为 159 mm.在建的1输油管道工程线路全长 1 030 km , 其中中国境内段 965 km .管道自我国的连崟入境, 经兴安 、22 站、塔河 、新林 、大扬气、加格达奇、大扬树至大庆, 其中, 管道经过的连崟 大扬气段为我国高纬度多

4、年冻土发育地段 .该条输油管道的建设, 对于我国石油具有重要的意义.输油管道穿越的多年冻土地区, 为东北大兴安岭林区, 年平均降雨量约 500 mm 左右 .宏观地貌单元为山地丘陵, 属于侵蚀 、剥蚀中低山及台原地貌类型, 其特征地势较为平坦 .区内河谷比较开阔 , 大致可分为两种类型 :一类为宽坦浅盆形谷, 谷中河水流量不大, 谷内大部呈沼泽状态 ;另一类为槽形谷(U 型谷), 谷壁陡直、谷底宽平 , 河谷底部地层多为分选性较差的岩屑堆积层, 表层多为沼泽、泥炭和草炭.区内山坡坡度小于 10°的占总面积的 69 %, 11° 15°坡占 10 %, 16

5、6; 25°坡占 9 %, 大于 25°坡仅占 2 %.山坡土壤为棕壤土, 覆盖厚度较浅, 约为 20 30 cm ;其下土层多为残、坡积碎石类土 , 厚度达数十厘米至数米;下伏基岩.植物分布在山间沟谷多为低、悬空;陡崖和高陡边坡毁管道 ;管沟上部被水冲刷, 管线破坏管线 ;滑坡摧;管沟底部被水冲刷, 管道悬空 ;汇水源及过水道横向摧毁管沟;穿支墩被水冲毁或管线2 3.多年冻土区输油管道水土流失问题的特殊性在于多年冻土的存在 .根据地质勘探资料,输油管道沿线多年冻土以山间沟谷和山地中下部最为发育 .由于多年冻土在扰动条件下极易发生融化, 且这种融化是的过程, 冻土融化后的工

6、程稳定及水土流失问题将加剧 .另一方面, 本工程多年冻土区管段, 山区地表覆盖层薄, 对水土保持也是不利的 .因此 , 工程区域山地水土流失问题较为突出和复杂.* 收稿日期:20 0-03-6基金项目“ 十一五” 科技支撑计划项目(2006 BAC07B02)作者简介:熊治文( 968-), 男,天水人, 副研究员.34兰州 交 通大 学 学报第 29 卷般仅 20 30 cm .作业带及其施工影响带内表土很容易因施工的扰动而破坏或丢失 .在这种情况下 , 植物赖以生存的条件就不复存在, 对多年冻土和工程的影响将是较大的和长期的.2) 管沟开挖输油管道采用埋地式敷设方案, 管道一般埋设在地表下

7、 1 .5 2 m .暖季施工时 , 多年冻土直接与正温的空气接触, 引起多年冻土的升温和融化. 如果因地表水流入管沟, 多年冻土受到的热扰动将大幅度增加.3) 管道正温输油输油管道采用常温输油工艺, 在一个年输油周期中, 某些时段的部分输油管道需要输送正温油品, 由此在多年冻土地基中形成一定范围的融化圈.4) 气候升温2多年冻土区输油管道工程水土流失成因及特点多年冻土区输油管道工程建设项目水土流失是在区域自然地理因素即水土流失类型区的支配和制约下, 由于各种自然因素包括气候 、地质 、地形地貌 、土壤植被等的潜在影响, 通过人为生产建设活动的诱发、触发作用而产生的一种特殊的水土流失类型, 它

8、既具有水土流失的共性, 也具有自身的特性即冻土的和融化与水土流失问题紧密相关.根据其本身的特点, 输油管道工程建设项目对水土流失的影响可分为施工期和运营期两阶段, 尤其是施工期的影响尤为显著.在施工期的水土流失主要表现为对沿线土地表层的热量 、水力侵蚀以及当地水体的损失;在运营期则主要表现为坡体变形及冻土和植被的等 .具体有以下几个方面:长期条件下, 多年冻土全球气温升高的压2 .1冻土的融化和引起的水土流失力 .据推测, 未来 30 年全球气温可能升高 2 .5 , 在这种情况下, 我国现有岛状多年冻土区将基本消失,输油管道沿线的多年冻土, 埋藏在地表下2 3 .5 m 深处, 厚度为数米至

9、数十米不等.在冻结状态下, 多年冻土中水分的大部分或全部以冰的形大片连续多年冻土将发生2 .2 人工边坡的水土流失.式赋存.当冻土冰转化为冻水,(主要表现为冻土升温)时 , 部分的水分向冻土的顶板或其上覆输油管道在山地通过时, 往往因填土或开挖形成人工边坡, 改变原地表坡度、坡长, 使沿线土地表层受到侵蚀, 同时破坏作业带用地范围内的原有地表植被, 产生新的 露坡面 .这就使得土壤的抗蚀能力降低, 诱发水土流失.需要密切关注的情况是, 如果在高含冰量多年冻土地段形成人工边坡, 水土流失问题可能变得非常严重 .除需按照一般地区考虑人工边坡的力学稳盖层移动, 导致冻土水分变化 .当冻土融化时, 冰

10、全部转化为自由水, 土中水分发生转移.当多年冻土含冰量较高时, 冻土和融化引起土体强度降低, 流失的水分量较大, 往往伴随地表下沉、地表植物等, 水土流失问题加剧 .在斜坡地段 , 冻土尤其是高含冰量冻土的融化, 还可能引起斜坡的变形或失稳, 水土流失问题更加严重.输油管道工程在多个建设环节容易引起冻土退化或融化, 概括起来有以下几个方面:1)地表植被和表土破坏输油管道建设过程中, 需要建设 20 m 宽的施工作业带, 作业带内植被在建设期间被工作垫层覆盖或被铲除;人工开挖边坡 , 植被被清除.在这种情况下, 植物对地表的降温作用受到影响或破坏, 在暖季施工时, 下伏多年冻土温度升高乃至融化.

11、据有关资料介绍, 在东北大兴安岭多年冻土区, 破坏植被后, 地表吸热能力增加 1 .5 2 倍, 因此季节最大融化深度为原来的 2 3 倍, 由此带来的地表下沉量显著, 在高、低含冰量冻土地段, 由此引起的地面下沉量分别可达 50 cm 及 18 cm 以上.定性外, 还需重点考虑以下两方面的:其一, 高含冰量多年冻土边坡的热学防护如果防护不当, 将引起坡面变形乃至范围逐渐扩大的坡体滑移 、热融滑塌等灾害, 对输油管道的安全威胁;其二, 由于多年冻土顶板具有隔水性, 高大的人工边坡的上侧边坡成为冻结层上水的泄水通道, 边坡下卧高含冰量多年冻土在冻结层上水的热侵蚀作用下逐渐融化, 也可能引起上侧

12、边坡的较大变形或失稳.这样的病害在青藏铁路高含冰量多年冻土地段的路堑边坡上已有发生, 在管道工程中应引起重视.2 .3 冲沟地段的水土流失在冲沟地段, 侧向和竖向的水力侵蚀作用是客观存在的.工程条件下, 部分地段地表水汇集 、排泄路径不可避免的发生改变, 一些冲沟的水土流失问题加剧 .管道附近冲沟的水土流失, 能够引起管道顶地表植被破坏是引起多年冻土或融化的主要因素输油管道多年冻土区地表土壤较薄, 一第 3 期熊治文等输油管道多年冻土区的水土保持问题及工程措施35部覆盖层减薄, 形成露管 、悬管现象 , 威胁管道安全.量冻土地段宜优先采用管堤 、管架、管墩等基础形式, 当必须采用管沟形式时,

13、应采用管道保温 、地基2 .4取土 、弃土的水土流失在输油管道工程施工过程中, 在原地面上的作业带修筑导致一定数量的土石方搬运;处在高含冰量冻土地段的管沟开挖和河流地段的穿越工程则会产生许多弃土.取 、弃土一般就近在专门的场地进行, 废弃的土石方往往倾倒 .取 、弃土场一般合并使用, 常设在低含冰量冻土地段或融区, 对多年冻土的影响是次要的.但取、弃土形成的松散岩土和弃渣 , 孔隙大、结构疏松, 分布也较分散, 若不采取有效的换填等方式, 减小或地基融化圈的范围.在站场工程中, 房屋基础应采用采取基础 、通风管基础 、热棒地基等措施, 并做好站场的污水处理与综合利用.冻土沼泽湿地地段管线工程的

14、设计和施工应避免进行水体的相互交换, 注意不要向沼泽地排水, 也不宜将沼泽水疏干, 沼泽湿地地段严禁取土, 也不得修排水沟.防治措施, 在温度、暴雨、水分下渗 、及人为活动在施工过程中, 应采取开挖面大小及基坑的触发下, 有可能发生一系列如泻溜、陷穴、崩塌、滑时间、施工时遮阳棚等施工措施, 减少对冻坡等重力侵蚀, 导致新的水土流失及环境的恶土的热干扰, 保护多年冻土.2) 贯彻“ 宁填勿挖”原则, 尽量避免在高含冰量冻土地段形成人工边坡.在输油管道工程建设的作业面制作、管沟开挖等过程中, 在高含冰量地带, 必须注意不能在山前缓坡 、山前沼泽化斜坡湿地开挖形成的人工边坡, 以避免形成本文前述的病

15、害.3) 合理选择施工季节 .相比于寒季, 在暖季施工时一般意味着对多年冻土较大的热扰动和较大范围的冻土融化 .由于含冰量的不同, 高、低含冰量多年冻土在融化后产生的水分流失量差别明显:伴随着显著的土体体积减小, 高含冰量多年冻土水分流失严重;而低含冰量多年冻土因融化后土体含水率一般并不达到饱和, 体积变化和水分的流失有限 .因此, 高含冰量多年冻土地段的施工季节应慎重选择, 低含冰量多年冻土地段则可放宽要求.输油管道沿线高含冰量多年冻土的分布受化, 甚至可能影响输油管道工程的安全运营 5 .2 .5其它临时占地的水土流失在工程建设过程中, 除取、弃土场外, 施工区内的临时占用地(包括临时工棚

16、 、料场 、仓库、临时便道等)一般都缺少必要的水土保持措施, 一遇暴雨将不可避免的产生水土流失.虽然临时占地的水土流失没有主体工程和取弃土场那样严重, 但是从区域和全局的水土保持来看也是不容忽视的.总之, 由于输油管道工程建设项目工程规模大, 不可避免地对周边环境、沿线城镇、村庄、农田及水利设施产生不利影响, 对沿线的土地产生破坏,导致土地质量和生产力下降, 这不仅影响输油管道工程自身的安全运行, 使区域性环境, 如冻土和融化、沿线河流含沙量增大、淤积河床 、影响河道排洪、加大洪灾程度 , 诱发山洪暴发、河岸侵蚀、泥石流侵蚀以及滑坡等地质灾害.因此, 必须加强输油管道工程的水土保持措施.地形和

17、相对海拔高度的, 高含冰量多年冻土一输油管道工程水土流失的防治对策多年冻土区输油管道工程水土流失的防治, 必须从保护多年冻土的角度出发, 结合输油管道工程的具体特点, 从工程措施和施工组织措施两个方面着手考虑.3 .1总体原则3般仅分布于山间沟谷和坡度小于 7°的山前缓坡地带 .这些地段多为沼泽湿地或潮湿坡地, 暖季施工时施工机械难以行进.冬季施工时 , 由于地表冻结, 易于机械展开作业, 对冻土的热扰动也最小, 且可利用东北冬季降雪、气候寒冷的特点采用冰雪道路作为临时施工便道.输油管道沿线低含冰量分布于山地 .虽然暖季施工并不造成大的水分流失, 但考虑地表植被恢复的便利和地表失去植

18、被层所带来的影响, 最好安排在暖季末的 9 10 月份施工.综上所述, 山间沟谷等高含冰量多年冻土地段, 应选择在冬季施工, 山地低含冰量多年冻土地段可在暖季施工, 但最好是在暖季末期.多年冻土区工程水土保持问题的, 是在施工和运营过程中保护多年冻土, 不使其产生大量的融化或.所以,输油管道工程建设项目水土流失问题防治的总体原则是“ 保护多年冻土” .1)采取“ 保护冻土”的设计和施工原则.在输油管道工程设计中, 应采取“ 保护冻土原则”进行工程设计和施工 在管线工程中, 在高含冰36兰州 交 通大 学 学报第 29 卷4)保护地表土壤, 尽早恢复植被.地表土壤是施工扰动带植物恢复的基本条件.

19、 输油管道沿线的大兴安岭林区, 沟谷表层土壤较厚, 可达数十厘米至数米, 但山地表层土壤较薄, 最薄处(一般为山腰以上部位)仅 20 30 cm .在工程活动中如不采取措施, 表层土壤极易丢失.如上所述, 地表植被破坏后将对多年冻土带来极大影响, 尽早恢复植被是多年冻土工程中避免水土流失问题的关键一环.3 .2 工程措施(11 月 次年 3 月)施工的段落, 施工便道应采用冰雪路面, 有条件时可在筑路冰雪中加入树枝.3 .2 .3植被大兴安岭地区树木茂密, 施工作业带修筑时尽量收坡以减少占用林、草地 , 可在斜坡地段作业带内树木砍伐时预留一定高度的树桩, 并用树枝和树木结合, 形成辅助挡土墙(

20、见图 1).多年冻土区输油管道水工保持问题的工程措施, 应根据管道沿线所经过的地形、地貌、冻土条件、植被条件等因素综合考虑 6 .3 .2 .1 取 、弃土场的设置取、弃土场应贯彻“分段集中、合理调配”的原则设置, 并应尽量合并使用.在管线两侧 100 m 以内图 1 树枝辅助挡土墙示意图Fig.1 Instruction for retaining wall with auxiliary branches在修筑施工作业带时, 应将表层土壤与下层土体分离, 堆放于作业带一侧.在坡度较陡的地段, 最好将表土装在植物生长袋内, 便于存放和作业带恢复时回铺.选择寒季施工时 , 高含冰量地段和沼泽湿地

21、地段地表草皮和腐植土层不予清除.3 .2 .4施工作业带制作施工作业带制作宜选用粗颗粒土做施工垫层, 施工垫层宜分层填筑、分层碾压 , 按设计要求达到垫层厚度的要求.1) 高含冰量多年冻土地段高含冰量多年冻土地段施工作业带修筑宜在寒季进行 .施工作业带宜采用填方形式 .2) 低含冰量多年冻土和季节冻土地段对于低含冰量多年冻土岩石段和季节冻土地段, 宜采取“ 移挖做填”的方式, 对土石方进行综合利用 .当山体坡度小于 20 时, 直接制作施工作业带, 施工作业带上坡侧刷成稳定边坡并作必要的防护, 下坡侧按照护坡类型先修筑挡墙再进行回填 ;当山体坡度大于 20 时, 应在底部挖台阶, 如图 2 所

22、示.3 .2 .5管沟防冲刷1) 管沟回填质量管沟回填质量往往在实际工程中遭到忽视, 容不宜设置取、弃土场 ,直接在管线两侧取 、弃土 .不宜在下列地带设置取、弃土场:热融滑塌等不良冻土现象发育的地段;富冰 、饱冰 、含土冰层地段 ; 横坡明显的坡地边缘地带 ;植被茂密地带.自然保护区区和缓冲区河道(岸)内不得设置取、弃土场 .取、弃土场选定后, 应将场地原有的植被进行移植保护、将地表面的腐植土异地堆放 , 待施工结束后, 再进行覆土回填和移植恢复, 防止水土流失.取土场取土完毕后, 对取土场内及周边进行平整, 尽量恢复原有地貌.废弃的土石方应弃至指定的弃渣场, 严禁弃入河道或河滩, 於塞河道

23、.弃土场应作好防护工程, 先挡后弃, 顶面进行平整、碾压, 并做好地表径流的引排.3 .2 .2 其它临时工程的设置施工营地、施地的布设应充分利用林场、养路工区现有的和已废弃的营地等地带, 尽量减少在扰动的多年冻土地段场地的布设数量.施工营地、施工便道 、材料堆场 、预制场、机械保养场等临时工程和临时用地可选择在低含冰量多年冻土分布地段、融区或基岩出露的平缓山坡布设, 不得在植被覆盖良好的地段和高含冰量多年冻土地段布设 .施工营地距管线的距离不宜小于 100 m .纵向施工便道尽量利用既有道路, 不建或少建施工便道 ;横向施工便道应以少布设、拉大间距 、距离最短为原则, 并避开环境敏感区.在多

24、年冻土地区修筑施工便道时, 宜直接在原地面上修筑, 不宜铲除地表植被.在通过高含冰量冻土地区时 其填筑高度不宜小于 0 .7 m 选项在冬季易管沟土体流失 .尤其是高含冰量多年冻土寒季施工时, 管道顶面以上回填的冻土难以压实.可先填一部分, 剩余部分待来年回填料融化后再行补填. 同时, 对回填土质量应进行检验.第 3 期熊治文等输油管道多年冻土区的水土保持问题及工程措施37墙可选用浆砌片石 、浇筑片石混凝土等方式.3 .2 .6边坡工程如上所述, 不能在高含冰地段开挖形成人工边坡, 但在山脊等低含冰量多年冻土地段进行开挖形成人工边坡是不可避免的 .这类人工边坡有以下两个方面需要加以重视:1)

25、在防护措施方面, 考虑冻结层上水的作用,多年冻土区路堑边坡防护措施不宜采用封闭坡面的图 2 山体坡度大于 20 时施工作业带制作Fig.2 Construction operation area making when mountain slope is bigger than 20 degrees2)管沟截水墙输油管道沿山坡纵向敷设地段所占的比例较大, 占管道沿山坡地敷设总长度的 75 %, 是水土流失防治的重点区段.管道沿山坡坡度大于 7°纵向敷设或坡度大于 3°但坡面长度超过 300 m 的长坡面纵向敷设管道时, 均应在管沟内设截水墙, 截水墙措施, 如浆砌片石护坡、

26、喷射混凝土层等冻结层上水参与的情况下, 水分在防护层后.因为在, 在冻融作用下, 这些封闭坡面的工程措施很快发生鼓胀 、破损等病害, 从而失去防护作用.因此 , 应采用骨架护坡 、六棱块护坡等开放式坡面防护形式, 必要时进行边坡植草绿化.支挡结构也应采用锚杆框架等形式.2)在堑顶排水方面, 应首选挡水埝 .挡水埝应采用黏性土填筑, 碾压密实 .挡水埝外应设置排水沟.应管沟侧壁, 沿管道方向的相邻的截水墙顶部与底部应相互照应, 截水墙强度应根据侧向土进行核算, 保证其稳固可靠, 管沟内截水墙可选用浆砌片石、浇筑片石混凝土 、砂袋堆砌等方式, 如图 3 所示.结语多年冻土区输油管道工程建设造成的环

27、境破坏和水土流失危害, 有其自身的规律和特点, 防治多年冻土区输油管道工程建设造成环境破坏和水土流4失, 要根据其工程建设的要求和特点,可能造成的不良和水土流失危害, 采取保护冻土原则和相应的工程措施, 以减小水土流失, 保护工程建设区环境, 保证输油管道工程的安全.参考文献: 1姚志祥.格拉输油管道存在的技术问题 J .油气储运, 1999, 18(3):45 47.梅云新.马惠宁管道地质灾害类型及水工保护问题 2 J .油气储03, 22(11):35 38 . 3曾多礼.格拉输油管道地质灾害类型与技术措施 J .管道技术与装备, 2004 , 12(6):33 35.赵相卿, 熊治文,

28、韩龙武, 等.多年冻土区典型路堑边坡失稳病害的防治 J .铁道工程学报, 2009, 16(1):3235. 4图 3 管沟截水墙设置Intercept water wall installation in pipe trenchFig.3对于高含冰量多年冻土和低含冰量土质地段的管沟内设置的截水墙, 应采用砂袋堆砌方式, 这类截水墙透水不透土, 具有很大的柔性, 能适应较大的变形 .低含冰量多年冻土和季节冻土地段管沟内截水 5顾广明, 周其刚, 曹育红, 等.输油输气工程的环境影响评价 J .能源环境保护, 2006, 20(5):62 65.朱季萍.高速公路建设水土保持问题的研究 J .山西

29、科技, 2006 , 20(5):6 7. 638兰州 交 通大 学 学报第 29 卷Study on Water and Soil Conservation Problems and Technical Countermeasures ofChina-Russia Oil Transportation Project in Permafrost BeltXIO NG Zhi-w en1 2 ,LIAO Xiao-ping1 2 ,TANG Wei2 ,YANG Yin-hai2 ,JIANG Xue-tian3( .Ch na Acade y o Ra lway Sc ences, Be j

30、 ng0008 , Ch na;2 .N or hw esResearch Ins u e o CREC , Lanz hou 730000 , Ch na;3.Ins u e o Pe roCh na Daq ng O l eld Ad n s ra on , Daq ng 637 2 , C h na)Abstract :T he ecological enviro nment alo ng the oil t ranspo rtation pipeline is alw ay s affected considerably by the oil t ransportatio n proj

31、ect co nstructio n .Based on introducing the characteristics of Russia China oil t ranspo rtation project , the special inf luence o f permafrost upon w ate r and soil conservatio n in oil t ranspo r tation project is analy zed , the causes and the characteristics of w ater and soil erosio n of oil t ranspo rtation pro ject in perm af ro st belt are discussed .A ccording to the requirem ents and features o f oil t ranspo rtation pro ject , som e appropriate t reatment principles and technical countermeasures are provided to protect the eco logical