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水工保护

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我国长输管道水工保护的现状
201120392 左敏
摘要：管道在穿越河流、冲沟、黄土地、河谷、沙漠等复杂地形地貌或地质条件部位时，因为水害等原因而发生事故，水工保护就是根据水文地质特点对管道采取的安全保护措施，同时它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。本文分析了管道遭受水害的一些基本现象及原因，提出一些常用的水工保护措施。为我国长输管道水工保护技术的发展提供了建议。
关键词：长输管道 水工保护 现象 原因 措施
引言
进入21世纪以来，人类的经济活动迅速发展，同时对能源的需求量越来越大，但能源利用后产生的生态污染也越来越严重，于是人们对新型洁净能源产生很高期望，天然气工业的发展也成为现代经济发展的重要支柱之一。因此长距离管道建设工程越来越多，管道经过的地域及地质条件也越来越复杂，如有高山、丘陵、沙漠、沼泽、河流、矿区等等不良工程地质地段。其中，水害问题以及人为生态破坏对管道的威胁越来越严重，已足够引起人们的重视了。
1 水工保护的概念
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露破坏，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。
在以上几种形式中，通过一定的工程措施达到保护管线不被冲毁的一切水工设施就称为管道的水工保护。随着管道项目的日益增多，管道的水工维护已成为日常管理的重要任务之一。
2 管道遭受水害的各种现象及原因
总结有关工程情况，发现长输管道遭受水害影响，通常是在河流、冲沟、黄土地、河谷、陡坡、沙漠和矿区等地段。
2.1 河流
依水量情况将河流分为常年有水河流和季节性河流。常年有水河流，一般水势较猛、流速较大，人们对此普遍比较重视。在此处施工要求管道埋设较深，工艺更 精确，水工保护的施工质量也要比较牢靠，因此在这些地方的管道水害较少。季节性河流，枯水期河床干涸暴露，汛期洪水流量大、流速快，对敷设管道产生着直接 和潜在的危害，而人们对此却往往容易忽视。
2.2冲沟
黄土地区的季节性中、小型河流，区域汇水面积相对较小，但坡降较大，时常干涸，洪水暴发时，水流急冲刷力较强，常导致沟头上溯，沟底下切，岸坡塌陷。 冲沟的长度，深度及宽度在日积月累中不断发生变化，很难掌握其变化规律，这给敷设在此的管道带来巨大的潜在的压力和危害。因此对此类地段必须加强巡视，在 汛期前后要采取合理措施，以保证管道的安全运行。
2.3黄土地
黄土地貌主要集中在我国西北地区，是一种常见的灾害性地质区域。其土质内含一定盐分，在干燥气候下，土质呈盐土结晶状，质地坚硬，但受雨水冲刷后，土 体内盐份分解，基本框架结构遭到破坏，土壤的粘结力、剪切力消减，土质变得极其松散，很容易产生流失和塌陷现象。因而黄十地段，总是沟壑纵横交错，支离破 碎，而且地下还蕴含着大量空洞穴。因此在此地区敷设管道，其水害现象尤为严重，水土流失、塌陷、裸管现象时常发生。
2.4河谷地段
一般情况下，管道顺河谷滩地敷设，应尽量避开河流主流冲刷地段，这样汛期洪水漫沿到滩地时，对管线的冲刷作用就减小了许多。但在河床摆动地段其冲击程 度还是比较明显的，所以就要求在这些地段要采取一定的缓冲墩来抵御水害的产生。
2.5陡坡和陡坎地段
在陡坡和陡坎地段，由于开挖管沟将原始的生态土壤已经破坏了，管沟的回填土质松散，在汛期坡面汇水的冲击下很容易流失，形成顺沟冲刷，造成管道裸露， 甚至浮管等现象，最终在拉扭应力作用下产生管线断裂。这是一种最危险的水害现象。　　
2.6沙漠地段
沙漠地区，植被稀少，固定管道比较困难，若管道的敷设深度不够，在汛期和风季易将原来的回填沙土冲刷到其它地段而使管道严重裸露。
2.7矿场地段
管道敷设要力求顺直，有时就不得不经过采矿区。一些缺乏安全意识的人在管线周围乱挖乱采，将其四周矿物质采集一空，便会使管线两侧产生塌陷、滑坡，或 直接伤及管线，使管线完全裸露悬空。因此对矿场地段的管道安全情况，要定期巡察，同时还要作好矿区的安全宣传教育工作，以避免更大事故发生。　
2.8灌区
管线经过灌区，难免穿越沟渠设施和农田。而当地农民在开挖沟渠时，经常伤及管线，防腐层遭受破坏，使管道外部腐蚀加剧。这就要求增加管线埋设深度，以 避免破坏。
3 水工保护方案
3.1合理选线
合理选线是避免水害的根本方法。线路选择应，既满足施工要求又节约工程、运行和辅助施设的维护费用。
3.2 合理埋深
管道埋深合理，可以避免汇水冲刷造成裸管，同时避免人为的开挖伤及管线外防腐层及管线。如若埋深不足，只是一味的增加水土保护工程，则可能适得其反。
4常用的水工保护措施
4.1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、混凝土连续覆盖层、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。
4.2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。
4.3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。　
4.4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。　　
4.5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，适用于黄十冲沟两侧的防护，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，陡坡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。
4.6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。这类厂坝、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，否则就起刁；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。
4.7挡土墙
长宁管线历经沙漠地带、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米处设一个排水孔。挡土墙内侧间填土要分层夯实。灰土挡土墙适用于黄土、软土地区，且水位较低滑坡较缓处。
4.8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。
4.9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。
4.10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。
4.11固定墩
在坡降大或其它易造成滑坡的沟谷、陡坡地段，由于地形刁；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上将管道牢固地包嵌在地层之中， 以消减可能产生的拉应力。
5 结语
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。、

参考文献
[1]邓玉涛，徐春明，于明友.浅谈长输管道工程中的水工保护[J].油气田地面工程，2008，27（5）：70.
[2]张红星，李林. 水工保护在长输管道建设中的应用[J].化学工程与装备.2010，20（8）：116-117.
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