长输管道水工保护施工难点分析及应对措施

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  【摘 要】本文主要通过对管道水工保护施工难点的分析,以及相应措施的阐述,旨在加强管道运行安全,最大程度地降低事故的发生,保护生态环境。
  【关键词】水工保护;塌方;滑坡;陡崖;漂管;环境保护
  Difficulties analysis of long pipeline construction hydraulic and protection measures
  Liu Dai-bin,Zheng Wei
  (Jiangsu Petroleum Exploration Bureau Oilfield Construction Department Jiangsu Jiangdu 225261)
  【Abstract】In this paper, through the protection of the pipeline hydraulic analysis of construction difficulties, and the elaboration of measures designed to strengthen the pipeline operational safety, minimize accidents, protect the environment.
  【Key words】Hydraulic protection;Collapse;Landslide;Cliffs;Drift tube;Environmental protection
  1. 引言
  随着国民经济的快速发展,对能源的需求量越来越大。因而,改革开放以来,作为继航空、铁路、公路、水运四大运输业新兴的管道运输业有了长足的发展。西气东输、川气东送等国家重大油气输送管道工程相继建成投产,中国与国外许多油气管道如中俄、中缅、中哈等都正在建设过程中。这表明,我们国家已经把能源战略安全作为头等重要的大事来处理。
  作为一个多年从事管道水工保护的工程技术人员,深知能源安全对国计民生的重要性,同时深知长输管道水工保护施工质量的优劣与管道运行安全紧密相连。
  总结多年来长输管道发生的与水工保护相关联的安全事故,这些事故主要分三种类型:
  1.1 第一类:塌方、滑坡造成管道扭曲、撕裂。
  1.2 第二类:陡坡处的不均匀沉降造成管道损伤、破坏。
  1.3 第三类:洪水冲击,使管道裸露、漂浮、移位、甚至断裂。
  一旦管道发生破裂,造成油气泄漏,就可能发生火灾、爆炸,直接威胁到国家和人民生命财产的安全,同时造成环境污染,生态系统受到损害。
  积多年水工保护施工经验,谈一谈长输管道水工保护施工难点及应对的对策措施。
  2. 长输管道水工保护施工难点分析
  2.1 塌方及滑坡。
  管道所经过的地段,识别及预测发生塌方和滑坡就是比较困难的一件事。
  管沟的爆破开挖对自然坡体稳定性是一种破坏,会诱发坡体塌方、滑坡的形成。管沟掩埋后回填土会和管线形成一个整体,塌方、滑坡的发生会对管线产生巨大的拉力和剪力,情况严重的会导致管线变形、撕裂。
  水是形成塌方、滑坡的第一有害要素,在水的浸泡下土质松软,粘结力下降,加之重力及外力的作用,就易于发生被浸泡松软表面层与基层相对移动。风化石地表层同样有类似情况发生。
  比较陡峭的地形也易于发生塌方、滑坡。
  水工保护施工过程中,应注意调查,善于观察发现,采取有效措施防止塌方、滑坡的发生。
  2.2 陡崖、陡坡地段。
  管道所经陡崖、陡坡,最大角度可达80°,管道安装很困难,水工保护施工更困难,困难就在于:
  2.2.1 百米长的陡崖、陡坡上敷设管道,由于管道的自身重力作用,整个管道就受到纵向下滑力和水平方向的推移力。在弯曲点、短平敷设段及最下端的支点,水工保护处理不当,有可能造成管道损伤,这是难点之一。
  2.2.2 陡崖处管沟的爆破开挖,会对坡体的整体性和稳定性产生较大的破坏,会诱发塌方、滑坡的形成。
  2.2.3 陡崖处的水工保护结构本身和陡崖表面形成容易滑坡的面,陡崖高度越大对水工保护结构整体稳定性的要求就会越高。
  2.2.4 陡崖、陡坡上施工作业安全的保证。
  2.2.5 水工保护的施工用料到达作业点较为困难。
  2.3 大开挖河流穿越。
  我们曾经经历过¢1016×17.5mm钢管,组对焊接长40m一段后,两端封堵,然后吊往水中,准备采用漂管法实施顶管穿越,在水中钢管露出水面的高度大约200mm。这说明输气管道大开挖穿越河流,管道在水中其自身就有一个向上的浮力。由于洪水的冲击,穿越管道上部的泥沙逐步被冲刷带走,最终管道将裸露、漂浮、移位,甚至断裂。
  2010年夏天,河南省境内一段天然气管道被洪水冲断,造成大面积居民生活用气中断。
  河流大开挖管道穿越水工保护的几大难点:
  2.3.1 管道大开挖穿越的大、中型河流,尤其在我国南方地区,一般属于长年流水,这就给水下水工保护结构的施工带来难度。
  2.3.2 如何压制管道不致漂浮,确保管线运行过程中的稳定性。
  2.3.3 如何防止洪水对管道上方及周围泥沙层的冲刷、冲击。
  3. 应对措施
  3.1 对于易于发生滑坡、塌方地段采取如下措施:
  3.1.1 对易于发生滑坡地段的山体边坡进行分析与识别:
  山体边坡的稳定性,与岩土性质、结构、边坡高度及坡度等因素有关。根据对边坡发生滑坍现象的大量观测,边坡滑塌破坏时,会形成一滑动面。滑动面的形状主要因土质而异,有的近似直线平面,有的呈曲面,有的则可能是不规则的折线平面。近似地将滑动破裂面与山体横断面的交线假设为直线、圆曲线或折线。砂性土及碎(砾)石土,因有较大的内摩擦角及较小的凝聚力,其破坏滑动面近似于直线平面。粘性土的凝聚力较大,而其内摩擦角较小,边坡滑塌时,滑动面近似于圆曲面。
  山体边坡稳定分析与验算的常用方法为力学验算法。力学验算法又叫极限平衡法,是假定边坡沿某一形状滑动面破坏,以土的抗剪强度为理论基础,按力平衡原理进行判断。按边坡滑动面形状不同,可分为直线、曲线、折线三种。力学验算法采用以下假定作近似计算:
  3.1.1.1 不考虑滑动土体本身内应力的分布。
  山体边坡稳定分析,一般情况下,可只考虑破裂面通过坡脚的稳定性;山体底面以下含有软弱层时,还应考虑滑动破裂面通过坡脚以下的可能;边坡为折线形,必要时应对通过变坡点的滑动面进行稳定性验算。验算时可根据不同的土质,区分不同情况加以选择。
  3.1.1.2 认为平衡状态只在滑动面上达到,滑动土体成整体下滑。
  3.1.2结合周围的地质、地貌,条件允许的情况下,尽可能将管道所经过的易于发生滑坡、塌方段坡体坡度放缓,清除突出地表易于下滑的部分土体与石块。
  3.1.3 采用灌浆和喷浆法对坡体进行加固。
  灌浆适用于质地坚硬、局部存在较大、较深的缝隙或洞穴,并有进一步扩展而影响边坡稳定性的岩石边坡。其目的是籍助灰浆的粘结力把裂开的岩石粘在一起,保证边坡稳定。
  喷浆适用于易风化的新鲜平整的岩石坡面。通过喷涂一层厚度5~10cm的砂浆,岩石坡面将被封闭,形成一个保护层,达到阻止面层风化,防止边坡剥落与碎落。避免了雨水的渗入,有效防止水害。砂浆可用水泥浆或水泥砂浆,甚至水泥石灰砂浆。其重量配合比为水泥:石灰:河沙:水=1:1:6:3。为了增加喷浆与坡面的粘结,防止脱落或剥落,可采用锚喷混凝土防护。
  锚杆挂网喷浆(混凝土)防护,适用于坡面为碎裂结构的硬质岩石或层状结构的不连续地层以及坡面岩石与基岩分开并有可能下滑的坡体。先在清挖出的密实、稳定的基岩上,钻孔、安装锚杆、灌浆;然后挂上纤维网或钢丝网;最后用高压泵射喷厚度4~6cm的20号混凝土。
  3.1.4 采用排水沟和截水沟相结合,避免大量的雨水进入土体、石缝。
  3.1.5 在较长坡体的管沟内砌筑截水墙,将回填土体分割成数段,避免因雨水的影响而整体滑坡。(见图1)截水墙基础嵌入原状岩土深度根据岩土的性质来定,一般不小于50cm,嵌入管沟两侧的原状岩土深度不小于70cm。施工时截水墙两侧的回填土同时回填,密实度应大于95%。
   图1在较长的管沟内砌筑截水墙
  图2正在施工的台阶式护坡
  3.2 对陡崖、陡坡地段措施。
  3.2.1 起弯点和平敷段及管线最下端的支撑点,一定要坐落在坚实的基层上。且支撑点处砼或圬工结构和地基的接触面积,要满足整体防护的结构受力要求。为确保该处坡脚的稳定,必要时可设置锚固栓和下面的基岩相连。锚固栓的密度和直径可通过将整体的防护结构模拟成滑坡体来计算。
  3.2.2 采用台阶式结构增强水工保护的砌体整体防滑,增强整体结构的稳定性,同时给以后的巡线检查提供方便。(见图2)
  3.2.3为确保大体积水工保护结构的稳定性,将水工保护结构通过锚固栓和岩体联接,同时每隔一段设置一道横梁,横梁的两端嵌入岩体,使水保结构和岩体形成一个整体(图3、4)。
  3.2.4 为防止管线运行过程中水保结构和管线的相对位移对管线尤其是防腐层造成破坏,在该段管线外侧包裹橡胶板,橡胶板包裹时要确保严密,避免砼浇筑过程中水泥浆液的渗入。
  3.2.5 陡崖段水工保护施工作业安全措施。
  3.2.5.1 由于陡崖水保施工地形特殊,要确保施工作业人员操作方便安全,搭设稳固、适用的脚手架非常重要。脚手架的搭设要有专门的设计方案,需充分考虑其地形地貌、施工期间风力、暴雨等不利因素的影响。
  3.2.5.2 陡崖地形特殊,其上下通视程度差,施工时其顶部和崖底需设专人统一联络、监督指挥。
  图3 陡崖砼挡墙施工前
   图4 陡崖砼挡墙施工后
  3.2.5.3 尽可能减少陡崖顶部的机械作业、挠动,对松动的岩石及时采取清除或加固措施,施工期间注意观察其边坡的稳定性。
  3.2.6 材料的倒运和拌合料的到位措施。
  材料的集结主要依附管道施工作业带和施工便道,搭设脚手架时要充分考虑施工用料、拌合料多次周转的平台的搭设。同时可以依附其地势从上至下设置溜槽。
  3.3 大开挖穿越河流水工保护措施。
  3.3.1 大开挖管道穿越河流水工保护工程宜于枯水期进行。
  3.3.2 过水河流施工适宜半幅开展,便于对河水的引流和半幅围堰的实施(见图5)
   图5 大开挖穿越河流半幅围堰、引流施工
  3.3.3 防止管线漂浮的措施,采用配重块对水下管线进行加固的模式是比较常见施工方法见(图6、7),特殊地段水流湍急的河流,尤其是山区河流,山洪暴发时,河水夹带着泥沙甚至石块,瞬间的破坏性非常巨大,对于穿越这样的河流需采取高强度钢筋砼,对穿越段的河道进行嵌入式覆盖(见图9)。高差大、水流冲刷深的地段,还需要在管线上游设置挡水墙,挡水墙基础深度应低于管沟底标高1m,以确保管线使用期的运行安全。
   图6 稳管前的管线漂浮状态
  3.4 采用植被保持水土不流失,最大限度地减少对生态环境破坏。
  适用于边坡较陡、冲刷严重、径流速度>0.6m/s、附近草皮来源较易地区的坡体。草皮品种选用根系发达、茎干低矮、枝叶茂盛、生长力强、多年生长的草种,并尽量用几种草籽混种。草皮铺砌形式有叠铺(分水平、垂直和倾斜叠置)、平铺(平行与坡面满铺)和方格网式等,如图所示。每块草皮钉2~4根竹木梢桩。使草皮与坡面固结。
   图7 配重块水下稳固管线施工
   图8 大开挖穿越河流嵌入覆盖式水保结构示意图
  图9 草皮防护示意图
  4. 结束语
  近几年来江苏油建施工的国家重点工程:川气东送管道工程第4标段、第29标工程、川东川西联络线工程以及石太成品油管线等水工保护工程很好地保障了管线在暴雨等恶劣天气下的良好运行,受到建设方的高度评价。我认为水工保护工程不局限于有形的圬工结构以及草皮种植等措施,一切有利于管道安全运行,保护水土不流失、生态环境的措施都可以包含在此范围内。譬如:我们在石太原线4标段,就采取了单边定向钻管道安装的方法,避免了大开挖对原地形地貌的破坏,减少了有形的水工保护工程量的发生,其施工方法本身就是很好的水工保护措施。
  [文章编号]1006-7619(2011)03-01-143
  [作者简介] 刘岱斌(1971-),男,籍贯:江苏江都人,学历:本科,专业:中国地质大学土木工程,职称:工程师,主要担任油气集输土建配套工程项目经理及技术总负责。
  
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